质子交换膜燃料电池气体扩散层产业技术的现状与展望①

焦道宽,王睿迪,张妍懿,王晓兵,郝 冬

(1.中国汽车技术研究中心有限公司,天津 300300;2.中汽研新能源汽车检验中心(天津)有限公司,天津 300300)

0 引言

质子交换膜燃料电池作为实现氢能转换利用的关键载体,在新一轮能源革命的驱动下,受到了基础研究和产业应用层面的高度关注[1]。全球范围内,燃料电池技术的发展得到了政策层面的大力支持。欧洲燃料电池和氢能联合组织在2019年发布了“欧洲氢能路线图”,预计到2030年,氢能将占最终能源需求的6%,并创造出1 300亿欧元的市场。我国也积极跟进氢能相关发展战略,国家能源局将氢能及燃料电池技术列为“十四五”时期能源技术装备的重点任务。财政部等五个部门联合发布了《关于启动燃料电池汽车示范应用工作的通知》,对促进关键材料和核心部件的技术攻关和转化应用起到了有力的推动作用。

在质子交换膜燃料电池的工作过程中,空气和氢气通过阴阳极的入口进入流道,并通过多孔结构的气体扩散层(gas diffusion layer,GDL)扩散至催化层内进行电化学反应,生成水并释放出反应热。因此,GDL在传热和传质方面起到了传输路径的作用,实现了反应物的有效供给和反应产物的及时排出,从而保证了电池的稳定工作[2-3]。

由于GDL在燃料电池工作中的重要作用,涉及多物理传热传质等复杂机理和多学科融合的制造工艺支撑,GDL的设计及优化引起了产业界及学术界的广泛关注。作为燃料电池关键核心零部件的重要组成部分,GDL的技术自主化和规模产业化能力是制约燃料电池批量应用的关键因素。基于这一背景,本研究对GDL的技术发展现状进行了分析,对上下游产业链关键核心技术自主化的态势进行了介绍。

1 GDL产业技术现状分析

1.1 市场情况分析

从制造材料类型来看,单层型的GDL可分为炭纸、碳布、无纺布以及碳黑纸四种。其中,炭纸由于制造工艺成熟、耐腐蚀、孔隙率均匀、强度高、性能稳定等特点,成为GDL材料的主流选择。双层型的GDL除了具有炭纸型的基底层外,还会涂布由碳颗粒及聚四氟乙烯组成的微孔层,以改善水热管理性能[4-5]。

近年来,随着燃料电池行业的快速发展,炭纸型GDL的市场规模逐年增长。由于加工工艺复杂和制造难度较高等,GDL的生产成本在燃料电池堆中占比较高,甚至在小批量生产时可能占到总成本的20%。然而,规模化生产将会大幅降低成本。根据美国能源部的数据,2017年每生产10万套质子交换膜燃料电池系统,GDL的成本占比可降至目前的9%左右,而每生产50万套,GDL的成本占比可降至6%左右。

现阶段,燃料电池GDL的供应基本被日本东丽、德国SGL和科德宝、美国AvCarb等国际厂商垄断,其中日本东丽、美国AvCarb占据较大的市场份额。日本东丽在炭纸制造、微孔层涂布等方面具备深厚的研发及规模化生产能力,在业内享有良好的声誉。相比之下,我国尚未实现高性能GDL的大规模产业化,国内开发燃料电池所用的气体扩散层材料大多来源于日本东丽、德国科德宝等国际厂商生产的炭纸。长期以来,由于碳纤维复合材料被各国列为战略资源,技术封锁较为严格,不仅出售价格高而且购买困难,这在一定程度上制约了技术的发展。

1.2 GDL上游产业链现状

目前全球碳纤维行业的上市公司主要包括日本东丽公司、三菱丽阳、美国赫氏HXL、西格里集团、台湾台塑、光威复材、江苏恒神等。随着国内碳纤维新产能的释放,及叠加“双碳政策”下光伏、储氢气瓶等行业的迅速发展,国内碳纤维厂商在高、中、低档都迎来了市场机遇。

当前GDL用碳纤维仅需T300原丝,T300材料的抗拉强度为3 500 MPa,相比之下,T700的抗拉强度为4 900 MPa,T800达到5 800 MPa,而国内已具备T1200的研发和生产能力。因此,炭纸用碳纤维的上游供应在国内已不存在技术瓶颈和规模化供应问题。

1.3 GDL国产化现状

综上可以发现,当前虽然碳纤维供应不存在难题,但国内利用碳纤维进行短切加工制造炭纸及GDL的从业厂商极少,且竞争力低下。这是由两方面原因造成的。

(1)行业需求。总体来看,国内炭纸及炭纸型GDL市场占比跟国外比还存在较大差距。当前国内从事造纸行业的企业并不在少数,但从事特种造纸行业的企业数量大大减少。当前,燃料电池市场规模小,考量新增产线投入及市场回报率,难以吸引众多传统造纸行业及特种造纸行业的厂商进入。此外,生产电堆和膜电极的厂商更倾向于使用国外成熟的GDL产品。因此,国内炭纸市场发展面临较大阻力,内部研发动力不足。

(2)技术难点。炭纸型GDL的制备技术路线可概括为以下几个步骤:先将干燥的碳纤维材料与聚合物黏结剂、水混合形成悬浮液,并制备成厚度均匀的碳纤维纸;然后将制备好的炭纸进行树脂浸渍和干燥,以提升其导电及导热能力;再将石墨化后的炭纸进行憎水处理;最后在憎水处理后的炭纸上涂布微孔层,并进行烧结。每个步骤的工艺调控都会影响GDL的性能指标。当前技术瓶颈主要集中在碳纤维的分散,以实现对炭纸的孔隙率和孔径分布的有效控制[6-7]。

随着近两年国内燃料电池行业的快速发展,炭纸及气体扩散层厂商也逐渐增多,国内已经涌现出一些具有竞争力的产品。过去,厂商及高校常采用进口炭纸,并通过微孔层(micro-porous layer,MPL)涂布进行二次加工制造GDL产品。目前,通用氢能、上海嘉资、上海碳际等公司具备生产和研发GDL的能力。此外,上海嘉资、金博氢能、仁丰特材、上海碳际等公司还具备自主生产炭纸原纸的能力。随着燃料电池整体市场的逐渐扩大,以及国产炭纸产业化和规模化的持续推进,未来国产炭纸在产量及价格方面有望形成显著的优势。

1.4 文献研究热点分析

从国内外的研究现状来看,主要集中在对GDL制备过程及工作过程中性能变化的探究,尤其是产品性能研究方面,而在产业化技术研究方面相对较少[8]。研究的主要内容大致可以总结为如下几个方面。

(1)对GDL制备过程的影响分析,包括GDL的材料类型、制浆过程、石墨化处理过程、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylen,PTFE)的处理等对GDL性能的影响。研究人员通过调整炭纸材料的制备工艺、石墨化过程、PTFE载量、烧结温度、GDL厚度、孔隙率大小等参数,不断优化和改进GDL产品[9-15]。

(2)对GDL成品的性能参数的分析,包括孔隙率性质、压缩特性、透气/排水性能、面内和法向的电/热导率、接触电/热阻等对燃料电池性能的影响[16-19]。

(3)对GDL成品制造工艺和原材料的探究,例如研究采用黄麻纤维、剑麻纤维、棉等替代聚丙烯腈纤维以降低成本[20-21]。

为了解决现有气、水、热、电、力传输过程中的相关问题以及满足未来高电流密度下对GDL新的要求,目前主要的研究热点包括以下几个方面。

(1)梯级孔隙率分布的GDL可以强化毛细作用,促进气体传输,通过调控孔隙率分布实现GDL的优化设计[22]。

(2)通过对GDL进行激光打孔、加工沟槽以及润湿性分布的非均匀性处理实现排水能力的提升[23]。

(3)改变炭纸型GDL的复杂多孔结构,采用有序结构的GDL设计来改善电池性能;新型的GDL/流场一体化的膜电极设计兼具了反应物的均匀分配及液态水的有效排出功能,膜电极的厚度得到大大的降低,电池的性能得到提升[24]。

2 总结与展望

国内具备自主能力的厂商虽然数量仍较少,但已经具备产品批量化生产能力。整体来看,我国气体扩散层技术层面已经可以对标国际先进产品,国内产品有望逐渐进入产业化阶段,但目前普遍处于送样测试验证阶段,预计未来2年内有望实现气体扩散层产业链国产化供应。为了促进以气体扩散层为代表的关键核心材料的国产化发展,还需要做到以下几点。

(1)加强关键核心材料自主化政策引导。得益于国家相关政策支持,燃料电池关键材料均已实现规模化自主生产,为未来大规模商业化生产储备了技术基础条件,但当前应用规模还不高,需要进一步接受市场的检验。当前,在燃料电池汽车示范应用政策的引导下,关键核心材料部件迎来了重大发展机遇。加强关键核心材料部件全面自主化替代政策性引导是行业所需,同时要在应用场景领域进行细化,明确并落实关键材料的市场化前景,以保持行业信心。

(2)加大关键核心材料的政策扶持力度。当前在“双碳”背景下,燃料电池行业面临重要发展机遇,但也面临着锂电池等其他新能源动力装置对燃料电池应用场景不断压缩的问题。燃料电池装车量仍较少,行业整体面临较大困难。因此,推进燃料电池汽车发展需进一步在源头加强关键核心材料的政策指导,加大资金扶持力度,使燃料电池关键核心材料企业在充分面临市场导向竞争之前,保持资金活力,实现产品力的不断迭代。

(3)加强顶层设计,进一步明确燃料电池的发展定位。我国燃料电池汽车技术起步晚,存在产业链不完备和供应链关键技术创新不足等问题。因此,燃料电池汽车发展应完善顶层设计,明确氢能发展定位;围绕燃料电池汽车产业链,开展氢气“制、运、储、加”环节的瓶颈问题基础研究,形成加氢站与燃料电池汽车推广协同发展的局面,以此带动整个产业链的发展,提振行业信心,这对于保障和促进市场资金不断注入关键核心材料研发具有重要意义。

(4)推进产学研用深度融合。高校在燃料电池炭纸等关键材料领域已经进行了大量的探索,形成了丰富的成果。应进一步推进高校研究成果的转化,如专利布局[25],加强企业与高校间的互通交流,发挥各自优势,共同推进行业进步。