燃料電池材料“從有到強”進化

材料是一個產(chǎn)業(yè)發(fā)展的根基，對于正處在初級發(fā)展階段的我國燃料電池產(chǎn)業(yè)來說更是如此。在經(jīng)歷了多年的發(fā)展之后，我國燃料電池產(chǎn)業(yè)從材料端逐漸擺脫了卡脖子風險，跨越了“從無到有”，開始向“從有到強”的商用征途邁進。

“新形勢下，我國氫電產(chǎn)業(yè)鏈開始由‘有’向‘強’轉(zhuǎn)變。”在不久前剛剛結(jié)束的“2023（第五屆）高工氫電產(chǎn)業(yè)峰會”上，GGII分析師李瑞連表示，整個產(chǎn)業(yè)鏈在材料端的表現(xiàn)來看，伴隨各細分領(lǐng)域的降本提效，材料環(huán)節(jié)的國產(chǎn)化已經(jīng)進入到一個新的階段。

在該會議上，來自相關(guān)材料企業(yè)的嘉賓也從各自的細分領(lǐng)域出發(fā)，介紹了質(zhì)子交換膜、氣體擴散層、膜電極、雙極板等不同領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，并針對產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中出現(xiàn)的問題，提出了專業(yè)的看法和建議。

國產(chǎn)材料進化動力在于“降本提效”

氫電產(chǎn)業(yè)要進入規(guī)模化商用時代，意味著產(chǎn)品的價格要符合終端用戶的要求，這樣就勢必會倒逼整個產(chǎn)業(yè)鏈加速降本。實際上，在加速降本的過程中，不同材料的進展有所不同，但殊途同歸的是，大家都在快速推動降本提效，為迎接規(guī)模化商用時代的到來做好準備。

“現(xiàn)在市場對石墨雙極板提出來低成本、高壽命、可大批量生產(chǎn)的需求，越來越多的電堆企業(yè)看好模壓石墨雙極板的發(fā)展。” 惠州杜科總經(jīng)理、青島杜科常務副總鄭健保表示，模壓石墨雙極板的市場化正在不斷加快，目前杜科新材已為5家頭部電堆企業(yè)完成開模，今年將形成穩(wěn)定的批量供貨。另一方面，杜科新材的氫電用膠方案已經(jīng)拓展至整個產(chǎn)業(yè)鏈。

與杜科新材采用模壓工藝不同，另一家石墨雙極板代表企業(yè)華熔科技則是以機加工（CNC）為主。華熔科技副總經(jīng)理葉天龍表示，華熔科技開發(fā)的第三代石墨原材料，石墨化的溫度2500℃，按照嚴格的升溫程序進行，以避免石墨板基材收縮和彎曲等變形。石墨原材料實體厚度突破至大于0.3mm，極大地提高相應電堆體積功率密度。

質(zhì)子交換膜方面，國產(chǎn)與進口的差距正在不斷縮小。元雋氫能技術(shù)中心主任李海濱博士表示，當前質(zhì)子交換膜的技術(shù)挑戰(zhàn)主要包括機械耐久性不足、化學耐久性不足。元雋氫能提出的一個解決方案是對ePTFE骨架進行表面改性；另一個方案是在膜體中加入雙層ePTFE增強。目前元雋氫能已經(jīng)建成了中試線和量產(chǎn)線，可以通過連續(xù)涂布、在線干燥、自動卷繞，實現(xiàn)增強型質(zhì)子交換膜的高質(zhì)量生產(chǎn)。

除了元雋氫能，漢丞科技也是一家在質(zhì)子交換膜領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)化探索方面取得較大進展的公司。漢丞科技副總經(jīng)理張德玉在其演講“創(chuàng)新超薄增強膜、強化功能又降本”的演講中，提到了其降本提效的方法。針對目前PEM制氫膜的成本過高和均質(zhì)膜溶脹率過大痛點，漢丞科技首創(chuàng)超薄增強PEM膜卷材，創(chuàng)新解決方案。降低了膜的厚度及成本，提高了膜的電導率、強度及抗熱水溶脹率。其首創(chuàng)的可干法制膜電極及電解槽封裝，保證了PEM在使用時的尺寸穩(wěn)定性及長壽命，有全球?qū)＠Ｗo。

金屬板龍頭企業(yè)治臻股份則展示了其對于“超薄金屬板高質(zhì)量大批量制造前景”的展望。治臻股份總經(jīng)理藍樹槐表示，不管是制氫端還是用氫端，都面臨高性能、長壽命、低成本這三個挑戰(zhàn)。治臻股份致力于氫能核心組件全鏈條解決方案，從多維度構(gòu)型設(shè)計（金屬極板大幅寬、小尺度流場結(jié)構(gòu)）、長壽命涂層、低成本高性能密封、高精密成型等多層面對金屬極板制造降本提效，公司所生產(chǎn)的金屬極板及復合鈦氈等已經(jīng)累計供應多家客戶超30款產(chǎn)品，在全國18個城市實現(xiàn)商業(yè)化運行。

膜電極方面，鴻基創(chuàng)能可謂是降本提效的先鋒企業(yè)。鴻基創(chuàng)能副總經(jīng)理兼董事唐軍柯博士表示，燃料電池處在爆發(fā)前夜，核心材料膜電極面臨著單位千瓦成本降低、批量制造及質(zhì)量能力6Σ提升、可靠性驗證、市場開拓等一系列極限的挑戰(zhàn)，需要業(yè)界共同努力做好。

鴻基創(chuàng)能團隊開發(fā)了國際領(lǐng)先的CCM陰陽極雙面直接涂布技術(shù)、膜電極一體化成型技術(shù)、膜電極自動化快速封裝技術(shù)，結(jié)合精益制造提升產(chǎn)品一致性及良率，實現(xiàn)了卓越性能及極具競爭力的成本。鴻基創(chuàng)能膜電極產(chǎn)品自2020 年投產(chǎn)至今，已完成超過3000臺燃料電池汽車裝車并投入使用，總運行里程超過5000萬公里。

加快驗證 突破技術(shù)和市場掣肘

燃料電池產(chǎn)業(yè)在材料端已經(jīng)解決“從無到有”的問題，要實現(xiàn)“從有到強”就必須進一步擴大市場，走向規(guī)模化商用。這里面既有技術(shù)上需要突破的難點，也有市場規(guī)模偏小導致的動力不足。具體來看，體現(xiàn)在質(zhì)子交換膜、氣體擴散層和催化劑等不同環(huán)節(jié)上既有相同點，也有不同之處。

質(zhì)子交換膜方面，產(chǎn)品的一致性和穩(wěn)定性與進口品牌存在一定的差距，目前最大的瓶頸在于缺乏足夠的匹配驗證數(shù)據(jù)，在追求安全可靠的前提下，下游電堆廠商更傾向采購進口產(chǎn)品。

在當前缺乏足量市場訂單的前提下，國產(chǎn)質(zhì)子交換膜對比進口品牌的價格優(yōu)勢并不明顯，進口品牌仍有較大降本空間，替換進口意味著需要經(jīng)過必要的驗證和測試，這樣勢必會延長交付周期，下游企業(yè)缺乏替換的動力，這需要終端企業(yè)具備戰(zhàn)略耐心，給到國產(chǎn)供應商足夠的驗證時間。

氣體擴散層方面，當前氣體擴散層技術(shù)創(chuàng)新方向主要集中在提高碳紙基底層的機械強度、增強氣體傳輸性能、加強排水、控制滲透深度、平整度，降低粗糙度、增加涂層均勻性以及增強導電性等方面。

事實上，氣體擴散層的國產(chǎn)化難度不是特別大，主要難點在工程化上。國內(nèi)氣體擴散層企業(yè)發(fā)展時間短，還缺乏充分的驗證，特別是針對不同工況的應用欠缺經(jīng)驗和數(shù)據(jù)積累，最關(guān)鍵是要解決供應鏈管理和質(zhì)量控制這兩大核心問題。

催化劑方面，從技術(shù)方向來看，主要聚焦在降低鉑使用量的基礎(chǔ)上提高催化劑性能，目前國內(nèi)企業(yè)研究以鉑碳催化劑為主，同時儲備鉑鈷等合金催化劑技術(shù)。與此同時，有效提升耐久性也是當下催化劑企業(yè)關(guān)注的重點。

低鉑技術(shù)的驗證還需要時間，目前市面上那些宣稱已掌握鉑合金催化技術(shù)的公司，基本處在早期的研發(fā)階段。鉑合金催化劑在性能和成本上優(yōu)勢明顯，但要突破商用仍有較長的一段路要走，這需要整個產(chǎn)業(yè)鏈進行系統(tǒng)性的驗證跟配合。

在雙極板和膜電極環(huán)節(jié)，以治臻股份和鴻基創(chuàng)能等為代表的國內(nèi)先鋒企業(yè)已經(jīng)強大起來，甚至已經(jīng)為將來的規(guī)模化生產(chǎn)預備了足夠的空間。

總體上看，燃料電池核心材料已經(jīng)有了相當大的突破和進步，雖然尚未在規(guī)模化商用上實現(xiàn)國產(chǎn)化替代，但其國產(chǎn)化進程并未止步。在這些國內(nèi)材料企業(yè)的共同努力下，有力地推動了燃料電池電堆的大幅降本，這也為將來燃料電池規(guī)模化商用打下堅實基礎(chǔ)。