“氫燃料電池兩輪車這個商業化路途應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。

上海碳動新能源科技有限公司主任/教授級高工吳立群分享《碳紙助力燃料電池兩輪車打開商業化大門》

12月14日，在浙江杭州隆重召開的一場峰會上，上海碳動新能源科技有限公司（以下簡稱“碳動新能源”）主任/教授級高工吳立群帶來了《碳紙助力燃料電池兩輪車打開商業化大門》的主題演講。吳主任通過山東仁豐在碳紙產業化建設過程中總結出來碳紙產業化發展的意義和特點，進一步推動了碳紙國產化的進程，同時與大家一起探討了碳紙研發如何助力氫燃料電池兩輪車的商業化之路。

碳紙的國產化發展之路

碳紙，又稱為碳纖維紙，是燃料電池氣體擴散層的關鍵基底材料，主要作用是傳導電流，引導反應氣體從石墨板導流到觸媒層，并把反應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。

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碳紙是一種碳元素含量高達90%的復合材料，主要由碳纖維構成，碳纖維具有良好的導電性，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。

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

支撐架構： 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體；

散熱通道：在燃料電池反應時具有散熱功能；

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

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

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，經過浸潤、預氧化、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雜工藝及裝備的限制，碳紙技術長期被國外公司壟斷，碳紙的國產化被稱為氫燃料電池核心材料的“最后一個壁壘”。

可以總結出，當前碳紙國產化替代的困境在于：

GDL是國產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規模化降本方向明確。

據不完全統計，當前氣體擴散層的國產化率占比為2.36%，相較其他幾種關鍵材料國產化率是最低的；另外在成本方面，在膜電極系統里，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明確了。我認為，碳紙應該是膜電極供應里最應該首先降低價格的。”吳主任講述當前碳紙國產化的困境。

另外，受多種因素的困擾，碳紙產業化發展緩慢：

制漿造紙、涂布熱壓、碳化、石墨化等多行業領域交叉；

生產鏈長、生產環節復雜、研發周期長、資金投入大；

依托工程技術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，碳紙發展緩慢并不一定是技術難度很大的原因。碳紙的制造工藝涉及到造紙，那么就涉及到一個環保的問題，同時需要解決廢水、廢氣處理，這個時候需要環保工程來支持。

接著，吳主任講到碳紙規模化建設的意義和價值，有以下幾點：

降低成本：碳紙產品實現國產替代、產業化突破，填補國內空白，降低國產燃料電池膜電極生產成本；

國產化替代：滿足國內燃料電池行業未來發展增量需求和迭代速度，真正具備自主化優勢；

穩定質量：碳紙產品的規模化產業化生產是燃料電池電堆一致性、穩定性的重要保障。

伴隨車用燃料電池市場的持續放量，燃料電池產業鏈市場有望快速成長，公開數據顯示，到2025年我國氫燃料市場規模將近350億元，2021-2025 年CAGR達51%。

我們假設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，則我們預計到2030年重卡碳紙存量市場空間為175億元。

隨著關鍵技術的突破，我國氫燃料電池碳紙關鍵材料國產化量產進程正加速推進。

圖源仁豐特材官網

資料顯示，國內領先的特種紙材料骨干生產企業山東仁豐特種材料股份有限公司（簡稱“仁豐特材”）成立于2006年3月，依托強大的綜合實力，經過多年創新性研發，仁豐特材將產品開發延伸至氫燃料電池氣體擴散層領域。

仁豐特材是國內首家從短切碳纖維原料起，布局包括制漿、抄造、涂膠、熱壓、碳化、石墨化、疏水層涂布、微孔層涂布、燒結全鏈生產，到卷對卷產品規模化生產的全鏈條的GDL供應商。

2019年，山東仁豐特種材料股份有限公司上海研發中心成立；

2020年，仁豐特材正式啟動氣體擴散層項目；

2021年，仁豐特材完成國內首條全生產鏈氣體擴散層產線建設；

2022年，仁豐特材與上海捷氫科技共同承擔上海科委重大專項，同時氣體擴散層全生產鏈產線帶料試車工藝打通；

2023年，仁豐特材氣體擴散層進入廣泛驗證優化階段，氣體擴散層仿真理論研究啟動，上海碳動新能源科技有限公司成立。

在產品研發方面，為了滿足市場各種應用場景對氣體擴散層的需求，仁豐特材推出了以下四個應用場景的GDL產品：

水冷堆用氣體擴散層：碳紙厚度 150-180μm、200-220μm、220-250μm，將進入卷材裝堆測試階段；

空冷堆用氣體擴散層：碳紙厚度190-320μm，經測試驗證，在工況下的自增濕保水效果優于現有產品；

PEM/AEM 用氣體擴散層：碳紙厚度最高可達400μm；

其他傳質作用的碳紙：可實現產線批量化、規模化、卷對卷產品交付。

據了解，仁豐特材產品微孔層（MPL）表面平整度高，可以達到粗糙度＜2微米（表面粗糙度和光學輪廓儀測試）；GDL垂直電阻≤15 mΩ.cm 2 @1MPa，熱導率≥0.35W/(m.K)，平面電阻≤15mΩ.cm。

據吳主任介紹，當前仁豐特材的研發重點是進一步優化工藝、提升良率以及提升設備的精益制造水平和能力，為產品的一致性、穩定性提升做出保障，另外一個重點則是大幅降低生產成本。

在產線建設方面，2022年，仁豐特材氫燃料電池碳紙特種材料生產線順利投產。

2023年1月，仁豐特材在上海臨港新片區成立上海碳動新能源科技有限公司，其中氫燃料電池氣體擴散層用碳紙設計產能100萬㎡/年，2023年已建規模化卷對卷產能50萬平米，同時建造50萬平方米的二期預留車間，是國內首條涵蓋從碳纖維原紙抄造到樹脂涂布、碳化、石墨化、微孔層及疏水層涂布全環節的連續規模化生產線。

仁豐特材碳紙生產線展現出一系列特點：

卷對卷規模化生產

生產鏈從短切碳纖維到GDL

重資產特點

公共平臺強力支撐，包括技術工人、輔助工程和企業管理

當前，仁豐特材碳紙產業化生產鏈產線已打通，產品已進入驗證階段，碳纖維抄造、碳化石墨化等實現關鍵技術突破，碳紙原紙制備、碳紙高速涂膠和在線定量檢測均已實現工藝優化和技術設備改進。

此外，仁豐特材還可以結合仿真技術開展水熱管理研究和氣體擴散層-燃料電池性能相關性的理論建模反饋機制研究：

模擬研究燃料電池運行時產品內部多尺度、多維度的動態效應和碳紙內部的物理化學變化作用機理，如流動、傳質、傳熱和電化學反應機理；

以目標燃料電池的性能為基準，統計學比較模擬數據與試驗數據，建模分析氣體擴散層的技術性能參數與電池性能的匹配情況，反饋并解決氣體擴散層產品應用端的缺陷，為GDL的迭代和正向研發做技術積累。

碳紙助力氫兩輪車商業化進程

隨著氫能應用場景的不斷擴大，氫兩輪車作為燃料電池終端應用的一大代表，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；

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

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、輕量化設計和自增濕設計。

其中，自增濕設計提升了燃料電池堆系統的緊湊性，降低了輔助系統成本，被認為是燃料電池發動機未來的發展方向之一。

燃料電池自增濕技術是通過材料選型、設計優化和操作條件的控制，優化電堆的水管理能力，高效利用燃料電池電化學反應生成的水，實現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對于增濕器的依賴，降低系統成本并提高功率密度。

當前，燃料電池自增濕技術有以下進展：

采用高透水類型的質子交換膜促進陰極水反擴散到陽極；

提升陽極的循環計量比，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；

上海碳動新能源科技有限公司主任/教授級高工吳立群分享《碳紙助力燃料電池兩輪車打開商業化大門》

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。

吳主任介紹道，氫兩輪車用燃料電池碳紙需具備以下技術性能特點：

高電子傳導能力，減少燃料電池內阻，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致的結構損傷；

良好水管理能力，保障膜電極濕潤并防止水淹，調節燃料電池傳質分布；

良好熱管理能力，調控燃料電池熱量分布，防止溫度失衡，影響功效與壽命。

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

另外，當前碳紙研發如何助力燃料電池兩輪車的商業化之路呢，

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，研究開發兩輪車燃料電池碳紙生產技術；

依托仁豐特材的生產平臺定制化、批量化生產制造，深度合作。

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

高性能化：通過優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，提高其電導性、機械強度和穩定性等指標；

環保化：隨著環保意識的不斷提高，氫燃料電池碳紙的環保性能也將受到越來越多的關注。如何實現生產過程的綠色化和降低產品的環境影響是未來研究的重要方向；

復合化：為了滿足不同場景下的需求，氫燃料電池碳紙可以與其他材料進行復合，形成功能更加豐富的復合材料。例如，可以將其與金屬、陶瓷等材料復合，提高其耐高溫、耐腐蝕等性能；

規模化生產：隨著氫能產業的發展，氫燃料電池碳紙的市場需求將不斷擴大。如何實現規模化、低成本生產是未來研究的重要課題。

總而言之，氫燃料電池碳紙作為一種重要的能源材料，具有廣泛的應用前景和市場潛力。希望未來通過進一步優化其性能，實現規模化生產，早日解決這個“卡脖子” 問題。