燃料電池用高性能碳纖維紙發展現狀及市場分析

李志強，王發陽，李廣斌

（1.連云港市工業投資集團有限公司，江蘇 連云港 222000；2.連云港纖維新材料研究院有限公司，江蘇 連云港 222000）

隨著世界經濟的大發展，各領域對能源的需求量大大增加。雖然煤炭、石油、天然氣和水能、核能仍然是全世界的主要能源，而化石能源作為不可生資源[1]，根據已探明儲量，世界煤炭資源可開采年限為155年左右，天然氣為60年左右，石油為40年左右，并且化石能源使用所產生的氮氧化物、硫化物等對環境的污染非常嚴重。因此，清潔、高效的新能源是未來能源領域的開發趨勢。燃料電池是以氫、甲醇等為原料在電池電極發生氧化還原反應持續供電的裝置，因其具有高功率密度、高能量轉換率、無污染、啟動速度快、體積輕巧等優良特性，主要被用于新能源汽車、水下推進器、移動電源等領域，受到了各國研究工作者的關注[2]。

作為燃料電池組成部分，氣體擴散層所具有的作用主要包括傳遞反應所需要的氣體、排出反應產物水、傳輸電能，另外，氣體擴散層還可用于支撐催化劑層[3]。目前用于制備燃料電池氣體擴散層的材料主要包括碳纖維布、高性能碳纖維紙及碳纖維氈等[1]，而碳纖維紙因具有優良導電性、孔隙率高、輕量化、耐高溫、耐腐蝕等優點[4]，成為組成燃料電池氣體擴散層的優選。

1 國內外碳纖維紙的發展現狀

國外機構對于碳纖維紙的研究起步較早，工藝較成熟，性能較好。目前，可以批量生產且能滿足燃料電池氣體擴散層要求的高性能碳纖維紙生產企業主要包括日本東麗公司、德國SGL公司以及加拿大BallardMaterial Products公司等[5]。為解決能源危機，開發新能源，我國對于燃料電池的發展越來越重視。

與國外相比，我國在碳纖維紙領域的研究較為落后，雖然在“八五”期間，我國就有過碳纖維紙的研究，但僅限于實驗室階段，且產品性能無法達到相關要求[6]。目前，我國尚未實現高性能碳纖維紙產業化，國內開發燃料電池所用氣體擴散層材料大多來源于日本東麗公司生產的碳纖維紙。由于碳纖維復合材料被各國列為戰略性資源，技術封鎖較為嚴格，且價格高昂，如日本東麗高性能碳纖維紙目前市場上的價格約為500美元/m2，且國外對我國的碳紙出口控制非常嚴格，不僅出售價格高而且購買較困難，進口量根本無法滿足我國需求。因此，研究開發具有自主知識產權的高性能碳纖維紙材料對于打破國外壟斷具有重要的戰略意義和現實意義。

2 高性能碳纖維紙的制備工藝

高性能碳纖維紙的制備工藝主要包括濕法工藝和干法工藝。濕法成型制備高性能碳纖維紙是以水為介質，以碳纖維為主要原料通過斜網成型制備成碳纖維原紙，并經樹脂浸漬，高溫熱壓及炭化等工藝制備而成[7]。經濕法成型工藝加工的碳纖維紙具有良好的均勻性和致密的結構，適合加工成燃料電池用氣體擴散層材料，是國外燃料電池用高性能碳纖維紙普遍采用的生產方式。干法成型是近年來發展較快的成型工藝，該工藝是以空氣為介質，采用氣流成網工藝加工成原紙，并經涂膠、干燥、碳化等后道工藝加工制備而成[8]。該工藝制備的碳纖維紙碳纖維含量較高，產品強度較高，由于干法工藝所采用纖維較長，導致產品勻度較差[3]。

3 燃料電池用高性能碳纖維紙的市場前景

3.1 國內外燃料電池汽車發展趨勢

據統計，自2013年燃料電池實現商業化至2017年年底，全球共售出6 475輛燃料電池汽車，其中2013—2016年全球共售出氫燃料電池汽車3 000輛，2017年3 475輛。2017年燃料電池商務專車的銷售量為1 500輛，僅中國就占了1 272輛，占比達85%，而2016年該產量僅為629輛。另外據統計，2018年1—5月，國內共產出氫燃料電池客車173輛，僅5月就達116輛，2016年同期產量僅為10輛，可見氫燃料電池發展之迅速。目前，國內已經開展氫燃料電池汽車試點運營的項目，幾乎都集中在商用車領域，例如上汽大通的輕客FCV80，已經在佛山、上海和大連撫順展開固定路線載客運營。預計到2018年，燃料汽車產出規模將在3 000～5 000輛。根據《中國氫能產業基礎設施發展藍皮書（2016）》發展規劃，到2020年，我國氫燃料電池汽車產量將達10 000輛，氫能軌道交通車輛達到50列；到2030年，燃料電池車輛保有量達到200萬輛；到2050年，燃料電池車輛保有量達到1 000萬輛。另外，《中國制造2025》明確提出燃料電池汽車發展規劃，將發展氫燃料電池的發展提升到了戰略高度。燃料電池汽車在中國具有非常大的發展前景和市場空間。

3.2 國內燃料電池發展趨勢

燃料是電池汽車的核心部件之一，燃料電池高昂的成本一直是制約國內外燃料電池汽車發展的重要因素。據估計，一套燃料電池系統的成本約占整車成本的60%，因此，開發燃料電池降低生產成本是新能源領域重點發展方向之一。我國燃料電池發展迅速，2018年5月8日，愛德曼計劃投資30億元開發年產8萬臺燃料電池項目落戶南海，達產后預計產值達200億元。而佛山（云浮）產業轉移工業園正大力引進企業，構建氫能及燃料電池產業體系，截止到2018年4月，已成功引進氫能核心企業16家，投資總額超50億元。2018年8月29日，濰柴動力宣布將投資1.63億美元認購全球氫燃料電池領軍企業加拿大巴拉德動力系統有限公司19.9%的股份，并成為巴拉德第一大股東，在山東成立合資公司研發制造氫燃料電池動力系統產品。

3.3 我國加氫站發展現狀

燃料電池汽車作為發展方向，受到越來越多的重視。除技術、使用壽命、成本等因素外，氫源的供給是影響燃料電池汽車產業化推廣的另一重要因素。目前，氫燃料電池汽車采用的是車載純氫裝置，與燃油汽車一樣需要氫燃料的供應，一般燃料汽車的里程為（300～500）km，必須有加氫站供氫來定點補充能源，加氫站的建設就成了推廣燃料電池汽車的關鍵之一。截至2017年年底，全球在營加氫站數量為328座，主要分布在日本等國家，而中國共有加氫站9座，運營中6座，嚴重制約了我國燃料電池汽車的發展。為發展我國新能源市場，國家出臺了相關規劃及政策，2016年國家工業和信息化部在《節能與新能源汽車路線》中規劃，到2020年，將建成加氫站100座；2025年，建成配套350座加氫站；2030年，加氫站規模有望達到1 000座。

3.4 國家對于新能源汽車政策

《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》提出，要系統推進燃料電池汽車研發與產業化，到2020年，實現燃料電池汽車批量生產和規模化示范應用。除此之外，國家對于新能源汽車的補貼力度也非常大，例如上汽大通FC V80型號商務新能源輕客，該車官方指導價格為130萬元，其中，政府最高補貼金額可達100萬元，實際的購買價格為30萬元左右，國家對于燃料電池能源汽車推廣的扶持力度可見一斑。

4 結語

我國燃料電池汽車市場前景廣闊，市場空間巨大，而高性能碳纖維紙因具有優良的特性成為制備燃料電池氣體擴散層材料的首選，因此，未來對于高性能碳纖維紙的需求量非常大，具有非常好的經濟效益。由于目前燃料電池所用氣體擴散層碳纖維紙幾乎全部來自國外，無論是從成本還是數量上都遠不能滿足需求，嚴重制約了我國新能源技術的發展，應大力開發具有自主產權的高性能碳纖維紙標準并實現產品產業化，對于降低燃料汽車生產成本、打破國外壟斷、提高我國在高新技術領域的市場競爭力具有非常重要的意義。