質子交換膜燃料電池氣體擴散層產業技術的現狀與展望①

焦道寬,王睿迪,張妍懿,王曉兵,郝 冬

(1.中國汽車技術研究中心有限公司,天津 300300;2.中汽研新能源汽車檢驗中心(天津)有限公司,天津 300300)

0 引言

質子交換膜燃料電池作為實現氫能轉換利用的關鍵載體,在新一輪能源革命的驅動下,受到了基礎研究和產業應用層面的高度關注[1]。全球范圍內,燃料電池技術的發展得到了政策層面的大力支持。歐洲燃料電池和氫能聯合組織在2019年發布了“歐洲氫能路線圖”,預計到2030年,氫能將占最終能源需求的6%,并創造出1 300億歐元的市場。我國也積極跟進氫能相關發展戰略,國家能源局將氫能及燃料電池技術列為“十四五”時期能源技術裝備的重點任務。財政部等五個部門聯合發布了《關于啟動燃料電池汽車示范應用工作的通知》,對促進關鍵材料和核心部件的技術攻關和轉化應用起到了有力的推動作用。

在質子交換膜燃料電池的工作過程中,空氣和氫氣通過陰陽極的入口進入流道,并通過多孔結構的氣體擴散層(gas diffusion layer,GDL)擴散至催化層內進行電化學反應,生成水并釋放出反應熱。因此,GDL在傳熱和傳質方面起到了傳輸路徑的作用,實現了反應物的有效供給和反應產物的及時排出,從而保證了電池的穩定工作[2-3]。

由于GDL在燃料電池工作中的重要作用,涉及多物理傳熱傳質等復雜機理和多學科融合的制造工藝支撐,GDL的設計及優化引起了產業界及學術界的廣泛關注。作為燃料電池關鍵核心零部件的重要組成部分,GDL的技術自主化和規模產業化能力是制約燃料電池批量應用的關鍵因素。基于這一背景,本研究對GDL的技術發展現狀進行了分析,對上下游產業鏈關鍵核心技術自主化的態勢進行了介紹。

1 GDL產業技術現狀分析

1.1 市場情況分析

從制造材料類型來看,單層型的GDL可分為炭紙、碳布、無紡布以及碳黑紙四種。其中,炭紙由于制造工藝成熟、耐腐蝕、孔隙率均勻、強度高、性能穩定等特點,成為GDL材料的主流選擇。雙層型的GDL除了具有炭紙型的基底層外,還會涂布由碳顆粒及聚四氟乙烯組成的微孔層,以改善水熱管理性能[4-5]。

近年來,隨著燃料電池行業的快速發展,炭紙型GDL的市場規模逐年增長。由于加工工藝復雜和制造難度較高等,GDL的生產成本在燃料電池堆中占比較高,甚至在小批量生產時可能占到總成本的20%。然而,規模化生產將會大幅降低成本。根據美國能源部的數據,2017年每生產10萬套質子交換膜燃料電池系統,GDL的成本占比可降至目前的9%左右,而每生產50萬套,GDL的成本占比可降至6%左右。

現階段,燃料電池GDL的供應基本被日本東麗、德國SGL和科德寶、美國AvCarb等國際廠商壟斷,其中日本東麗、美國AvCarb占據較大的市場份額。日本東麗在炭紙制造、微孔層涂布等方面具備深厚的研發及規模化生產能力,在業內享有良好的聲譽。相比之下,我國尚未實現高性能GDL的大規模產業化,國內開發燃料電池所用的氣體擴散層材料大多來源于日本東麗、德國科德寶等國際廠商生產的炭紙。長期以來,由于碳纖維復合材料被各國列為戰略資源,技術封鎖較為嚴格,不僅出售價格高而且購買困難,這在一定程度上制約了技術的發展。

1.2 GDL上游產業鏈現狀

目前全球碳纖維行業的上市公司主要包括日本東麗公司、三菱麗陽、美國赫氏HXL、西格里集團、臺灣臺塑、光威復材、江蘇恒神等。隨著國內碳纖維新產能的釋放,及疊加“雙碳政策”下光伏、儲氫氣瓶等行業的迅速發展,國內碳纖維廠商在高、中、低檔都迎來了市場機遇。

當前GDL用碳纖維僅需T300原絲,T300材料的抗拉強度為3 500 MPa,相比之下,T700的抗拉強度為4 900 MPa,T800達到5 800 MPa,而國內已具備T1200的研發和生產能力。因此,炭紙用碳纖維的上游供應在國內已不存在技術瓶頸和規模化供應問題。

1.3 GDL國產化現狀

綜上可以發現,當前雖然碳纖維供應不存在難題,但國內利用碳纖維進行短切加工制造炭紙及GDL的從業廠商極少,且競爭力低下。這是由兩方面原因造成的。

(1)行業需求。總體來看,國內炭紙及炭紙型GDL市場占比跟國外比還存在較大差距。當前國內從事造紙行業的企業并不在少數,但從事特種造紙行業的企業數量大大減少。當前,燃料電池市場規模小,考量新增產線投入及市場回報率,難以吸引眾多傳統造紙行業及特種造紙行業的廠商進入。此外,生產電堆和膜電極的廠商更傾向于使用國外成熟的GDL產品。因此,國內炭紙市場發展面臨較大阻力,內部研發動力不足。

(2)技術難點。炭紙型GDL的制備技術路線可概括為以下幾個步驟:先將干燥的碳纖維材料與聚合物黏結劑、水混合形成懸浮液,并制備成厚度均勻的碳纖維紙;然后將制備好的炭紙進行樹脂浸漬和干燥,以提升其導電及導熱能力;再將石墨化后的炭紙進行憎水處理;最后在憎水處理后的炭紙上涂布微孔層,并進行燒結。每個步驟的工藝調控都會影響GDL的性能指標。當前技術瓶頸主要集中在碳纖維的分散,以實現對炭紙的孔隙率和孔徑分布的有效控制[6-7]。

隨著近兩年國內燃料電池行業的快速發展,炭紙及氣體擴散層廠商也逐漸增多,國內已經涌現出一些具有競爭力的產品。過去,廠商及高校常采用進口炭紙,并通過微孔層(micro-porous layer,MPL)涂布進行二次加工制造GDL產品。目前,通用氫能、上海嘉資、上海碳際等公司具備生產和研發GDL的能力。此外,上海嘉資、金博氫能、仁豐特材、上海碳際等公司還具備自主生產炭紙原紙的能力。隨著燃料電池整體市場的逐漸擴大,以及國產炭紙產業化和規模化的持續推進,未來國產炭紙在產量及價格方面有望形成顯著的優勢。

1.4 文獻研究熱點分析

從國內外的研究現狀來看,主要集中在對GDL制備過程及工作過程中性能變化的探究,尤其是產品性能研究方面,而在產業化技術研究方面相對較少[8]。研究的主要內容大致可以總結為如下幾個方面。

(1)對GDL制備過程的影響分析,包括GDL的材料類型、制漿過程、石墨化處理過程、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylen,PTFE)的處理等對GDL性能的影響。研究人員通過調整炭紙材料的制備工藝、石墨化過程、PTFE載量、燒結溫度、GDL厚度、孔隙率大小等參數,不斷優化和改進GDL產品[9-15]。

(2)對GDL成品的性能參數的分析,包括孔隙率性質、壓縮特性、透氣/排水性能、面內和法向的電/熱導率、接觸電/熱阻等對燃料電池性能的影響[16-19]。

(3)對GDL成品制造工藝和原材料的探究,例如研究采用黃麻纖維、劍麻纖維、棉等替代聚丙烯腈纖維以降低成本[20-21]。

為了解決現有氣、水、熱、電、力傳輸過程中的相關問題以及滿足未來高電流密度下對GDL新的要求,目前主要的研究熱點包括以下幾個方面。

(1)梯級孔隙率分布的GDL可以強化毛細作用,促進氣體傳輸,通過調控孔隙率分布實現GDL的優化設計[22]。

(2)通過對GDL進行激光打孔、加工溝槽以及潤濕性分布的非均勻性處理實現排水能力的提升[23]。

(3)改變炭紙型GDL的復雜多孔結構,采用有序結構的GDL設計來改善電池性能;新型的GDL/流場一體化的膜電極設計兼具了反應物的均勻分配及液態水的有效排出功能,膜電極的厚度得到大大的降低,電池的性能得到提升[24]。

2 總結與展望

國內具備自主能力的廠商雖然數量仍較少,但已經具備產品批量化生產能力。整體來看,我國氣體擴散層技術層面已經可以對標國際先進產品,國內產品有望逐漸進入產業化階段,但目前普遍處于送樣測試驗證階段,預計未來2年內有望實現氣體擴散層產業鏈國產化供應。為了促進以氣體擴散層為代表的關鍵核心材料的國產化發展,還需要做到以下幾點。

(1)加強關鍵核心材料自主化政策引導。得益于國家相關政策支持,燃料電池關鍵材料均已實現規模化自主生產,為未來大規模商業化生產儲備了技術基礎條件,但當前應用規模還不高,需要進一步接受市場的檢驗。當前,在燃料電池汽車示范應用政策的引導下,關鍵核心材料部件迎來了重大發展機遇。加強關鍵核心材料部件全面自主化替代政策性引導是行業所需,同時要在應用場景領域進行細化,明確并落實關鍵材料的市場化前景,以保持行業信心。

(2)加大關鍵核心材料的政策扶持力度。當前在“雙碳”背景下,燃料電池行業面臨重要發展機遇,但也面臨著鋰電池等其他新能源動力裝置對燃料電池應用場景不斷壓縮的問題。燃料電池裝車量仍較少,行業整體面臨較大困難。因此,推進燃料電池汽車發展需進一步在源頭加強關鍵核心材料的政策指導,加大資金扶持力度,使燃料電池關鍵核心材料企業在充分面臨市場導向競爭之前,保持資金活力,實現產品力的不斷迭代。

(3)加強頂層設計,進一步明確燃料電池的發展定位。我國燃料電池汽車技術起步晚,存在產業鏈不完備和供應鏈關鍵技術創新不足等問題。因此,燃料電池汽車發展應完善頂層設計,明確氫能發展定位;圍繞燃料電池汽車產業鏈,開展氫氣“制、運、儲、加”環節的瓶頸問題基礎研究,形成加氫站與燃料電池汽車推廣協同發展的局面,以此帶動整個產業鏈的發展,提振行業信心,這對于保障和促進市場資金不斷注入關鍵核心材料研發具有重要意義。

(4)推進產學研用深度融合。高校在燃料電池炭紙等關鍵材料領域已經進行了大量的探索,形成了豐富的成果。應進一步推進高校研究成果的轉化,如專利布局[25],加強企業與高校間的互通交流,發揮各自優勢,共同推進行業進步。