“氫燃料電池兩輪車這個商業(yè)化路途應(yīng)該是可以走快速大路了。”上海碳動新能源科技有限公司主任/教授級高工吳立群表示。

　　12月14日，由北京國化新材料技術(shù)研究院主辦，國元新能源科技發(fā)展(武漢)有限公司、ACMI化工新材料研究所（氫能研究所）、全球氫能團隊承辦的“2023儲氫與氫兩輪車耦合發(fā)展沙龍”在浙江杭州隆重召開。

　　沙龍現(xiàn)場，上海碳動新能源科技有限公司（以下簡稱“碳動新能源”）主任/教授級高工吳立群給我們帶來了《碳紙助力燃料電池兩輪車打開商業(yè)化大門》的主題演講。吳主任通過山東仁豐在碳紙產(chǎn)業(yè)化建設(shè)過程中總結(jié)出來碳紙產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的意義和特點，進一步推動了碳紙國產(chǎn)化的進程，同時與大家一起探討了碳紙研發(fā)如何助力氫燃料電池兩輪車的商業(yè)化之路。

東風柳汽 乘龍H7 489馬力 6X4氫燃料電池牽引車(LZ4250H7DZFCEV2) 品牌 | 車系 | 配置 | 圖片 | 經(jīng)銷商 詢底價

碳紙的國產(chǎn)化發(fā)展之路

　　碳紙，又稱為碳纖維紙，是燃料電池氣體擴散層的關(guān)鍵基底材料，主要作用是傳導(dǎo)電流，引導(dǎo)反應(yīng)氣體從石墨板導(dǎo)流到觸媒層，并把反應(yīng)水排除在觸媒層之外，是燃料電池膜電極（MEA）中不可或缺的材料。

　　碳紙是一種碳元素含量高達90%的復(fù)合材料，主要由碳纖維構(gòu)成，碳纖維具有良好的導(dǎo)電性，碳紙中碳纖維以無序的形式排列，所以碳紙孔隙率大小適宜、透氣性良好。

　　在電化學系統(tǒng)中，帶氣體擴散層（GDL）的碳紙主要起到支撐架構(gòu)、催化劑載體、收集電流、散熱通道、傳導(dǎo)氣體和排除反應(yīng)物水的重要作用。

　　支撐架構(gòu)： 足夠的強度支撐MEA當其因為吸水過多而變形時；

　　催化劑載體：為催化劑提供了附著和固定的基體；

　　收集電流：集流雙極板和催化劑層之間的電子導(dǎo)體；

　　散熱通道：在燃料電池反應(yīng)時具有散熱功能；

　　傳導(dǎo)氣體：引導(dǎo)氣體從雙極板的導(dǎo)流溝槽到觸煤層，為電化學反應(yīng)提供豐富的氣液固三相界面，保證電化學系統(tǒng)的正常運行；

　　排除反應(yīng)物水：把反應(yīng)式產(chǎn)生物-水排除于觸媒層之外，避免淹水問題，保證催化劑利用率。

上汽紅巖 杰虎H6 FCV 4×2氫燃料電池牽引車(CQ4180FCEVSS441A) 品牌 | 車系 | 配置 | 圖片 | 經(jīng)銷商 詢底價

　　在制備帶氣體擴散層的碳紙時，通常采用濕法或干法等工藝方法。不同的制備工藝可以得到不同性能的帶氣體擴散層的碳紙。

　　濕法是將碳纖維和樹脂等原料混合后，經(jīng)過浸潤、預(yù)氧化、碳化、石墨化等步驟得到碳紙；干法是在熱壓或熱解等條件下，將碳纖維和其他原料直接壓縮或熱解成碳紙。

　　由于碳纖維、碳纖維原紙、炭化、石墨化和后處理等復(fù)雜工藝及裝備的限制，碳紙技術(shù)長期被國外公司壟斷，碳紙的國產(chǎn)化被稱為氫燃料電池核心材料的“最后一個壁壘”。

　　可以總結(jié)出，當前碳紙國產(chǎn)化替代的困境在于：GDL是國產(chǎn)化率最低的膜電極材料；GDL在膜電極材料中成本占比較高；GDL規(guī)?；当痉较蛎鞔_。

　　據(jù)不完全統(tǒng)計，當前氣體擴散層的國產(chǎn)化率占比為2.36%，相較其他幾種關(guān)鍵材料國產(chǎn)化率是最低的；另外在成本方面，在膜電極系統(tǒng)里，氣體擴散層的成本占比為24%，成本占比較高。

　　“降低碳紙成本這個方向是已經(jīng)明確了。我認為，碳紙應(yīng)該是膜電極供應(yīng)里最應(yīng)該首先降低價格的?！眳侵魅沃v述當前碳紙國產(chǎn)化的困境。

　　另外，受多種因素的困擾，碳紙產(chǎn)業(yè)化發(fā)展緩慢：制漿造紙、涂布熱壓、碳化、石墨化等多行業(yè)領(lǐng)域交叉；生產(chǎn)鏈長、生產(chǎn)環(huán)節(jié)復(fù)雜、研發(fā)周期長、資金投入大；依托工程技術(shù)平臺和公用工程平臺強力支撐。

　　其中吳主任提到很重要的一點，碳紙發(fā)展緩慢并不一定是技術(shù)難度很大的原因。碳紙的制造工藝涉及到造紙，那么就涉及到一個環(huán)保的問題，同時需要解決廢水、廢氣處理，這個時候需要環(huán)保工程來支持。

中國重汽 汕德卡SITRAK GX 6X4 氫燃料牽引車（ZZ4256Y384HZ1FCEV） 品牌 | 車系 | 配置 | 圖片 | 經(jīng)銷商 詢底價

　　接著，吳主任講到碳紙規(guī)?；ㄔO(shè)的意義和價值，有以下幾點：

　　降低成本：碳紙產(chǎn)品實現(xiàn)國產(chǎn)替代、產(chǎn)業(yè)化突破，填補國內(nèi)空白，降低國產(chǎn)燃料電池膜電極生產(chǎn)成本；

　　國產(chǎn)化替代：滿足國內(nèi)燃料電池行業(yè)未來發(fā)展增量需求和迭代速度，真正具備自主化優(yōu)勢；

　　穩(wěn)定質(zhì)量：碳紙產(chǎn)品的規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)是燃料電池電堆一致性、穩(wěn)定性的重要保障。

　　伴隨車用燃料電池市場的持續(xù)放量，燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈市場有望快速成長，公開數(shù)據(jù)顯示，到2025年我國氫燃料市場規(guī)模將近350億元，2021-2025 年CAGR達51%。

　　我們假設(shè)面向電堆的碳紙售價為500+元/每平米，一般重卡一個電堆的碳紙需求為25平米，即重卡碳紙單車價值為1.75萬元，若2030年我國氫能源燃料電池重卡保有量100萬輛，則我們預(yù)計到2030年重卡碳紙存量市場空間為175億元。

　　隨著關(guān)鍵技術(shù)的突破，我國氫燃料電池碳紙關(guān)鍵材料國產(chǎn)化量產(chǎn)進程正加速推進。

碳紙助力氫兩輪車商業(yè)化進程

　　隨著氫能應(yīng)用場景的不斷擴大，氫兩輪車作為燃料電池終端應(yīng)用的一大代表，與氫燃料電池汽車有以下不同之處：

　　動力模式，氫燃料電池汽車本質(zhì)上屬于增程式氫能源車輛，而氫兩輪車一般選用風冷電堆/液冷電堆作為主要動力源；

　　儲氫方式，氫兩輪車大多采用固態(tài)儲氫瓶存儲氫氣 ，可采取定點更換模式進行氫氣瓶的補充與更換；

　　商業(yè)模式，氫兩輪車具有續(xù)航長、補能快、綜合用能成本低等優(yōu)勢，十分契合當前共享電單車和外賣車市場需求。

一汽解放 新J6P重卡 489馬力 6X4氫燃料電池牽引車(CA4250P66T1FCEVA2) 品牌 | 車系 | 配置 | 圖片 | 經(jīng)銷商 詢底價

　　當前，氫兩輪車用燃料電池有液冷氫燃料電池和空冷氫燃料電池兩種，均具有高功率密度、低噪音運行、輕量化設(shè)計和自增濕設(shè)計。

　　其中，自增濕設(shè)計提升了燃料電池堆系統(tǒng)的緊湊性，降低了輔助系統(tǒng)成本，被認為是燃料電池發(fā)動機未來的發(fā)展方向之一。

　　燃料電池自增濕技術(shù)是通過材料選型、設(shè)計優(yōu)化和操作條件的控制，優(yōu)化電堆的水管理能力，高效利用燃料電池電化學反應(yīng)生成的水，實現(xiàn)膜電極不同位置水含量分布的均勻性。從而有效降低燃料電池陰極側(cè)對于增濕器的依賴，降低系統(tǒng)成本并提高功率密度。

　　當前，燃料電池自增濕技術(shù)有以下進展：采用高透水類型的質(zhì)子交換膜促進陰極水反擴散到陽極；提升陽極的循環(huán)計量比，促進回流，增加了陽極低功率運行階段的濕度；提高陽極氣體擴散層保水能力，防止陽極過干。

　　碳紙作為氫燃料電池的核心部件，用于在燃料電池中作為電極和催化劑的支持基質(zhì)。吳主任介紹道，氫兩輪車用燃料電池碳紙需具備以下技術(shù)性能特點：

　　高電子傳導(dǎo)能力，減少燃料電池內(nèi)阻，提升燃料電池堆注重輸出功率密度；

　　低表面粗糙度，減少微孔層面與CCM直接的接觸損耗，降低接觸電阻；

　　良好機械強度，抵抗由于溫度波動、壓力變化和機械振動導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)損傷；

　　良好水管理能力，保障膜電極濕潤并防止水淹，調(diào)節(jié)燃料電池傳質(zhì)分布；

　　良好熱管理能力，調(diào)控燃料電池熱量分布，防止溫度失衡，影響功效與壽命。

中通客車 氫燃料公交 21-43座（LCK6126FCEVGY1） 品牌 | 車系 | 配置 | 圖片 | 經(jīng)銷商 詢底價

　　同時提到，液冷燃料電池電堆陰極側(cè)GDL更傾向排水性水管理，空冷燃料電池電堆陽極側(cè)GDL更傾向保水性水管理。

　　另外，當前碳紙研發(fā)如何助力燃料電池兩輪車的商業(yè)化之路？

　　兩輪車燃料電池需要大幅降低制造成本；將兩輪車燃料電池碳紙作為突破點；采用先進的碳紙水管理模型研究技術(shù)，研究開發(fā)兩輪車燃料電池碳紙生產(chǎn)技術(shù)；依托仁豐特材的生產(chǎn)平臺定制化、批量化生產(chǎn)制造，深度合作。

　　隨著關(guān)鍵技術(shù)的不斷突破，氫燃料電池碳紙也在不斷發(fā)展。未來，氫燃料電池碳紙的發(fā)展方向主要包括以下幾個方面：

　　高性能化：通過優(yōu)化碳纖維和樹脂的配方和制備工藝，進一步提高氫燃料電池碳紙的性能，提高其電導(dǎo)性、機械強度和穩(wěn)定性等指標；

　　環(huán)?；?/strong>：隨著環(huán)保意識的不斷提高，氫燃料電池碳紙的環(huán)保性能也將受到越來越多的關(guān)注。如何實現(xiàn)生產(chǎn)過程的綠色化和降低產(chǎn)品的環(huán)境影響是未來研究的重要方向；