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气体扩散层国产化破局

作者:中国储能网新闻中心 来源:高工氢燃料电池 发布时间:2020-03-04 浏览:
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随着燃料电池汽车销量的增长,作为电堆膜电极关键材料的气体扩散层(GDL)也迎来了新的发展机遇,日本东丽、德国西格里等知名外企开始加快在全球GDL市场攻城略地。

然而,由于这种材料具有极高的技术壁垒,国内企业受制于市场需求量低、技术不够成熟等多方面原因,能够量产的企业寥寥无几,并且尚在送样阶段,距离商业化应用还有一段距离。

“目前市场上还没有看到能真正装堆使用的国产气体扩散层产品。”国内一家膜电极企业技术总监告诉高工氢电,尽管有少数企业已经在送样测试了,但是国内的膜电极和电堆企业还是更青睐进口的气体扩散层。

他还进一步解释,在市场整体需求量不大的情况下,选择进口的产品虽然价格会更高,但是品质和耐久性上更有保障,一般企业不会冒风险用国产的材料装堆上车。

显然,气体扩散层的国产化突围将是一个艰难的过程。

气体扩散层的制备难题

气体扩散层在燃料电池中起到支撑催化层、收集电流、传导气体和排出反应产物水的重要作用。

由于气体扩散层以上的特征,也就要求其具备良好的传质、传热、和导电的性能,再加上需要它具备一定的机械强度来支撑膜电极,良好的机械强度自然必不可少。因此,要做好气体扩散层并非易事。

“首先需要有一个好的气体扩散层材料。”深圳市通用氢能科技有限公司(下称“通用氢能”)总经理尧克光博士在接受高工氢电采访时表示,气体扩散层的材料选择有较高的要求。

GDL从材料来源来看,大体分为四种,碳纤维纸、碳纤维编织布、无纺布以及碳黑纸。由于原材料和制备工艺的不同,得到的扩散层材料的性能也不同。

在长期的实验和应用过程中发现,由于碳纸质量轻、表面平整、耐腐蚀、孔隙率均匀且强度高,厚度可根据使用要求调整,更适合耐久性燃料电池使用。碳纸也因其制造工艺成熟、性能稳定,成为气体扩散层材料的主流选择。

“碳纸的基材来源于碳纤维,把碳纤维做成碳纸才是核心的难点所在。”武汉喜玛拉雅光电技术总监雷一杰告诉高工氢电,日本东丽正是凭借深厚的技术积累,自产碳纤维、碳纸从而成为气体扩散层领域的龙头企业。

除了碳纤维基材,掌握材料的结构和水热管理也相当关键,现阶段国产气体扩散层跟国外的先进水平相比存在较大的差距。

“从气体扩散层的技术指标来看,国外先进水平电流密度达到2.5-3.0A/cm³,国内水平能做到1.5A/cm³,寿命仅国外的三分之一。”国内一家不愿具名的膜电极企业技术负责人认为,国产气体扩散层要追上进口还有很长一段距离。

气体扩散层的国产化突围

事实上,气体扩散层的成本在燃料电池中占比较高,要降低燃料电池的成本,实现关键材料的国产化突围是必然的选项。

美国能源部(DOE)数据显示,GDL规模化生产将会带来大幅的成本降低。每生产10万套质子交换膜燃料电池系统,其中GDL占比9%,每生产50万套质子交换膜燃料电池系统,GDL占比6%。

现阶段,燃料电池生产商大多采用美国Avcarb、日本东丽、德国SGL等厂商的气体扩散层产品,其中Avcarb、日本东丽占据较大的市场份额。东丽和SGL的产品价值链始于自己生产的碳纤维碳纸,一直到微孔层MPL涂布,具备深厚的基础碳材料开发和规模化生产能力。

高工氢电了解到,国内只有江苏天鸟、通用氢能、上海何森等少数企业涉足研发气体扩散层,并且大多处在小批样试产的状态,其中通用氢能既做碳纸也做MPL层,可以根据客户需求提供碳纸及气体扩散层成品。

涉及到GDL价格,尧克光表示,如果有批量的需求,国产GDL的价格可以做到进口的三分之一。

“国产的气体扩散层要取得突破,最关键的还是要解决原材料碳纸的批量化制造。”国内一家膜电极企业负责人认为,做成微孔层MPL涂布不是很难,GDL只有打通碳纸的国产化才具备自主优势。

整体而言,国内气体扩散层基础相对较弱,与国外差距还较大。由于燃料电池行业对气体扩散层的需求量小,现阶段国内企业研发动力不足。

“国内材料不是做不起来,如果能脚踏实地做事情,同时企业人员、设备、资金投入能跟上,与终端应用紧密结合,相信能较快地做出性能指标还不错的产品。”一名资深业内人士表示,未来3到5年内,国产的膜电极和电堆逐渐上量了,国产的GDL将会打开局面。

以下介绍一下气体扩散层的主要生产商:

01

日本东丽:

东丽(TORAY)株式会社成立于1926年,总部位于日本东京。是全球燃料电池用碳纸和氢瓶碳纤维最大供应商。东丽除了片料碳纸,也在开发更适合于大批量规模生产的卷状碳纸。目前,东丽的“TGP-H”系列碳纸已经被日本丰田和本田的燃料电池汽车所采用。此外,东丽也在开发基于疏水性多孔层(MPL)树脂技术与涂层技术的气体扩散层(GDL),计划在2020年左右开始量产。

东丽的GDL产品特点介绍

02

德国西格里(SGL)

西格里集团(SGL)总部位于德国,是全球的碳素石墨材料以及相关产品的制造商之一。SGL产品价值链始于自己生产的碳纤维制品,一直到微孔层MPL涂布。公司在产品开发、规模化生产和全球市场销售方面拥有超过20年的经验。目前,SGL已经向全球200多家客户提供产品和服务,涵盖主要的燃料电池应用市场。2017年SGL与现代汽车签订了长期供货合同。

03

通用氢能

深圳市通用氢能科技有限公司成立于2018年,主要技术人员来自于南方科技大学教授王海江团队。经过2年多时间的发展,王海江团队优化了燃料电池气体扩散层的结构,开发了气体扩散层的生产工艺,也实现了气体扩散层小批量生产。目前通用氢能气体扩散层产能达到10万㎡/年,能实现从碳纸到气体扩散层的完整工艺生产,其产品在给南科燃料试用。

通用氢能GDL技术规格

04

江苏天鸟

江苏天鸟高新技术股份有限公司成立于1997年,主要从事碳纤维、芳纶纤维、石英纤维等特种高科技纤维的应用研究及开发,江苏天鸟具备优秀的碳纤维织物的生产能力,能做碳纸,其碳纸有给国内电堆厂送样,但由于燃料电池市场太小,尚无明确的GDL量产计划。

05

科德宝

科德宝是一家全球化技术集团,也是全球最大的无纺布公司。其业务60%与汽车有关,在1998年开始了燃料电池相关产品的研发。与其它公司不同,科德宝采用无纺布来制造 GDL。公司已投资建设完全工业化的GDL生产线,目前GDL还是在欧洲、德国生产,以后有可能很快在中国这边生产。现阶段,科德宝已经与中国25多家FC相关公司建立了良好的联系。

关键字:氢能

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