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在氫燃料電池的關鍵零部件中，催化劑、質子交換膜、氣體擴散層是業內普遍認同的三大難點材料，催化劑和質子交換膜已陸續實現國產替代、自主可控，而氣體擴散層成為氫燃料電池關鍵材料國產化的“最后一個壁壘”。
氣體擴散層位于流場板和催化層之間，在燃料電池中起到收集電流、傳導氣體、支撐和穩定電極結構、水管理等作用。要做好氣體擴散層，首先需要有一個好的氣體擴散層材料。氣體擴散層由基底層和微孔層構成，其中構成基底層的材料一般為碳紙、碳布等，通常氣體擴散層厚度為 100~400μm。目前國內較難實現大規模量產碳紙，主要是受制于碳纖維石墨化和后處理等復雜工藝及設備問題。
01、國產化難點：打通碳纖維到碳紙工藝
碳纖維紙（簡稱碳紙），是由短切碳纖維為原料，基質為天然紙漿或合成紙漿，輔以黏合劑和填料經抄紙工藝制造而成的紙狀復合材料。
碳紙是氣體擴散層材料的主流選擇，將碳纖維做成碳紙的過程是氣體擴散層生產的核心難點之一，需滿足材料具有輕質、孔隙率均勻、導熱導電性優異、耐腐蝕、憎水性強等特點。此外，碳紙需具備一定的機械強度，以保障質子交換膜燃料電池的安裝和使用，從而穩定電極結構，提高電池的壽命。
在制造工藝方面，環視整個燃料電池產業鏈，碳紙的制造工藝是最復雜的，其生產流程中的每個階段，對擴散層最終產品的性能都起著不同的影響。其中，碳化、物料分散及高溫石墨化是核心步驟。
具體而言，碳化是將有機聚合物經過紡絲和穩定后，在溫度高達1100℃-1350℃的惰性氣體中進行。碳化去除了碳纖維中的揮發性物質，如氫氣、氮氣和氧氣、水等，制成碳質量分數在90%以上的碳纖維制品。其難點在于碳材料本身很容易受到氧化、碳化等化學反應的影響，在高溫高壓的制備過程中，難以控制其他雜質和缺陷對材料性能產生的負面影響。
其次，將碳纖維進行分段剪切并在專門的溶液中進行分散，碳紙成型后，再經過樹脂浸漬和硫化。短切碳纖維分散效果的好壞會直接影響到基底層的均勻性，從而影響燃料電池性能。所以，在分散工藝中，需要格外注意材料的孔徑和孔徑分布是否可控。
另外，碳紙的石墨化階段非常重要，石墨化可全面提升碳紙的導電性、導熱性以及力學性能等。然而，此工序需要在2000℃以上的高溫下制備，設備和工藝成本較高，目前主要由國外企業壟斷，國內還需積極推進高溫石墨化設備的全面本土制造。
當前氣體擴散層技術創新方向主要集中在控制成本、提高碳紙的機械強度、增強氣體傳輸性能、加強排水、控制滲透深度、平整度，增強導電、導熱性，減緩功能衰減等，力爭早日實現大批量生產。
02、2023年碳紙國產化“結碩果”
中國是全球最大的氫燃料電池汽車市場，國內對于氣體擴散層及碳紙的需求也在快速增加，越來越多企業加入氫燃料電池碳紙賽道，為攻克碳紙國產化壁壘與技術難題努力。
2023年11月7日，國氫科技宣布兩款“斯帛”系列碳紙產品正式發布，年產30萬平“斯帛”碳紙產線完成建設并實現投產。該產線是國內首條超高溫、大幅寬碳紙自主技術量產線，產線各環節設備全部國產化，并已完全打通碳纖維分散、抄紙制氈、碳紙成型等主要工藝環節。
2023年11月20日，由中建科技設計、制造、建造的全球首個“光氫直柔”建筑——美錦氫能總部基地項目一期2號樓成功封頂。項目建成后將成為中國首個國產碳紙產業基地，能有效提升碳紙的生產規模和速度。
2023年3月16日，在上海碳際GDL量產線投產貫通儀式暨合格產品下線活動上，上海碳際總經理姜永燚表示，該公司GDL產品已基本達到穩定量產狀態。早在2022年12月8日，該公司自主量產制造的國產化炭紙（TANJI? CPM19）實現成卷交付出貨。今年5月24日，上海碳際傳來好消息，公司完成千萬級A+輪融資，其資金將用于加大產品技術研發投入、加快原紙合資工廠建設等。
2023年11月7日，在安徽宿州市新能源碳材料產業創新發展對接會暨2023年天尚碳紙新產品發布會上，正式發布廈門大學能源學院鄭志鋒教授團隊研發的高性能碳紙新產品。據了解，該團隊已經實現年產10萬m2碳紙（片材）生產線的建設和高性能碳紙產品的生產。
此外，中國紙院、金博股份、上海嘉資、上海河森電氣等企業也紛紛對外披露碳紙產品研發生產的最新進展。其中，4月25日，金博股份表示，全資子公司金博氫能已完成從碳紙原紙濕法成型到石墨化的全工藝鏈開發，片狀碳紙已經實現量產，已經得到膜電極和電堆頭部企業驗證，將根據下游客戶的需求分別提供碳紙或氣體擴散層產品。
03、國產碳紙標準化 這些問題待落實
在碳紙國產化應用發展的過程中，已經實現了從無到有，而現在是一個從有到優的過程，這個過程中標準化的工作要求相當迫切。落實到具體主要有六個問題：碳纖維材料的全國產化、生產設備的自研國產化、設備工藝能耗控制、水氣管理能力、抗老化能力以及產品均一性。
實現碳紙標準化工作，首先需要規范、完善碳紙測試方法，以適應實際工作。針對材料耐久性、親疏水性和透氣性等方面，制定合適且統一的評價標準。同時，探索更加精準的標準化作業體系，保障批量化產品的均一性、穩定性和性能的優異性。
一位業內人士曾表示，“如果單看產品的技術指標，國產的碳紙和氣體擴散層跟進口之間的差距已經很小了，差距主要體現在批次的一致性上。”批量化制造離不開技術標準化和管理標準化，國內氣體擴散層企業發展時間短，還缺乏充分的驗證，特別是針對不同工況的應用欠缺經驗和數據積累，最關鍵是要解決供應鏈管理和質量控制這兩大核心問題。
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2024年3月15-17日
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