碳動新能源主任吳立群：碳紙助力燃料電池兩輪車打開商業(yè)化大門

“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。

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(yè)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(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。

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。

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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(xué)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(dāng)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(xué)反應(yīng)提供豐富的氣液固三相界面，保證電化學(xué)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。

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(dāng)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)模化降本方向明確。

據(jù)不完全統(tǒng)計，當(dāng)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。”吳主任講述當(dāng)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。

接著，吳主任講到碳紙規(guī)模化建設(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)模化產(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?zhǔn)袌鲇型焖俪砷L，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。

圖源仁豐特材官網(wǎng)

資料顯示，國內(nèi)領(lǐng)先的特種紙材料骨干生產(chǎn)企業(yè)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(jīng)過多年創(chuàng)新性研發(fā)，仁豐特材將產(chǎn)品開發(fā)延伸至氫燃料電池氣體擴散層領(lǐng)域。

仁豐特材是國內(nèi)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(jié)全鏈生產(chǎn)，到卷對卷產(chǎn)品規(guī)模化生產(chǎn)的全鏈條的GDL供應(yīng)商。

2019年，山東仁豐特種材料股份有限公司上海研發(fā)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(nèi)首條全生產(chǎn)鏈氣體擴散層產(chǎn)線建設(shè)；

2022年，仁豐特材與上海捷氫科技共同承擔(dān)上海科委重大專項，同時氣體擴散層全生產(chǎn)鏈產(chǎn)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(yōu)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(chǎn)品研發(fā)方面，為了滿足市場各種應(yīng)用場景對氣體擴散層的需求，仁豐特材推出了以下四個應(yīng)用場景的GDL產(chǎn)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(jīng)測試驗證，在工況下的自增濕保水效果優(yōu)于現(xiàn)有產(chǎn)品；

PEM/AEM 用氣體擴散層：碳紙厚度最高可達400μm；

其他傳質(zhì)作用的碳紙：可實現(xiàn)產(chǎn)線批量化、規(guī)模化、卷對卷產(chǎn)品交付。

據(jù)了解，仁豐特材產(chǎn)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(xué)輪廓儀測試）；GDL垂直電阻≤15 mΩ.cm 2 @1MPa，熱導(dǎo)率≥0.35W/(m.K)，平面電阻≤15mΩ.cm。

據(jù)吳主任介紹，當(dāng)前仁豐特材的研發(fā)重點是進一步優(yōu)化工藝、提升良率以及提升設(shè)備的精益制造水平和能力，為產(chǎn)品的一致性、穩(wěn)定性提升做出保障，另外一個重點則是大幅降低生產(chǎn)成本。

在產(chǎn)線建設(shè)方面，2022年，仁豐特材氫燃料電池碳紙?zhí)胤N材料生產(chǎn)線順利投產(chǎn)。

2023年1月，仁豐特材在上海臨港新片區(qū)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(shè)計產(chǎn)能100萬㎡/年，2023年已建規(guī)模化卷對卷產(chǎn)能50萬平米，同時建造50萬平方米的二期預(yù)留車間，是國內(nèi)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(huán)節(jié)的連續(xù)規(guī)模化生產(chǎn)線。

仁豐特材碳紙生產(chǎn)線展現(xiàn)出一系列特點：

卷對卷規(guī)模化生產(chǎn)

生產(chǎn)鏈從短切碳纖維到GDL

重資產(chǎn)特點

公共平臺強力支撐，包括技術(shù)工人、輔助工程和企業(yè)管理

當(dāng)前，仁豐特材碳紙產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)鏈產(chǎn)線已打通，產(chǎn)品已進入驗證階段，碳纖維抄造、碳化石墨化等實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)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(xiàn)工藝優(yōu)化和技術(shù)設(shè)備改進。

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

模擬研究燃料電池運行時產(chǎn)品內(nèi)部多尺度、多維度的動態(tài)效應(yīng)和碳紙內(nèi)部的物理化學(xué)變化作用機理，如流動、傳質(zhì)、傳熱和電化學(xué)反應(yīng)機理；

以目標(biāo)燃料電池的性能為基準(zhǔn)，統(tǒng)計學(xué)比較模擬數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)，建模分析氣體擴散層的技術(shù)性能參數(shù)與電池性能的匹配情況，反饋并解決氣體擴散層產(chǎn)品應(yīng)用端的缺陷，為GDL的迭代和正向研發(fā)做技術(shù)積累。

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(fēng)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(dāng)前共享電單車和外賣車市場需求。

當(dāng)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(xué)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(dāng)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；

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(yè)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(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?zé)崃糠植迹乐箿囟仁Ш猓绊懝πc壽命。

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(dāng)前碳紙研發(fā)如何助力燃料電池兩輪車的商業(yè)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(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(biāo)；

環(huán)保化：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；

復(fù)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(fù)合，形成功能更加豐富的復(fù)合材料。例如，可以將其與金屬、陶瓷等材料復(fù)合，提高其耐高溫、耐腐蝕等性能；

規(guī)模化生產(chǎn)：隨著氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，氫燃料電池碳紙的市場需求將不斷擴大。如何實現(xiàn)規(guī)模化、低成本生產(chǎn)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(yīng)用前景和市場潛力。希望未來通過進一步優(yōu)化其性能，實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，早日解決這個“卡脖子” 問題。