隨著燃料電池汽車銷量的增長，作為電堆膜電極關鍵材料的氣體擴散層（GDL）也迎來了新的發(fā)展機遇，日本東麗、德國西格里等知名外企開始加快在全球GDL市場攻城略地。
然而，由于這種材料具有極高的技術壁壘，國內企業(yè)受制于市場需求量低、技術不夠成熟等多方面原因，能夠量產的企業(yè)寥寥無幾，并且尚在送樣階段，距離商業(yè)化應用還有一段距離。
“目前市場上還沒有看到能真正裝堆使用的國產氣體擴散層產品?！眹鴥纫患夷る姌O企業(yè)技術總監(jiān)告訴高工氫電，盡管有少數(shù)企業(yè)已經在送樣測試了，但是國內的膜電極和電堆企業(yè)還是更青睞進口的氣體擴散層。
他還進一步解釋，在市場整體需求量不大的情況下，選擇進口的產品雖然價格會更高，但是品質和耐久性上更有保障，一般企業(yè)不會冒風險用國產的材料裝堆上車。
顯然，氣體擴散層的國產化突圍將是一個艱難的過程。
氣體擴散層的制備難題
氣體擴散層在燃料電池中起到支撐催化層、收集電流、傳導氣體和排出反應產物水的重要作用。
由于氣體擴散層以上的特征，也就要求其具備良好的傳質、傳熱、和導電的性能，再加上需要它具備一定的機械強度來支撐膜電極，良好的機械強度自然必不可少。因此，要做好氣體擴散層并非易事。
“首先需要有一個好的氣體擴散層材料?！鄙钲谑型ㄓ脷淠芸萍加邢薰荆ㄏ路Q“通用氫能”）總經理堯克光博士在接受高工氫電采訪時表示，氣體擴散層的材料選擇有較高的要求。
GDL從材料來源來看，大體分為四種，碳纖維紙、碳纖維編織布、無紡布以及碳黑紙。由于原材料和制備工藝的不同，得到的擴散層材料的性能也不同。
在長期的實驗和應用過程中發(fā)現(xiàn)，由于碳紙質量輕、表面平整、耐腐蝕、孔隙率均勻且強度高，厚度可根據(jù)使用要求調整，更適合耐久性燃料電池使用。碳紙也因其制造工藝成熟、性能穩(wěn)定，成為氣體擴散層材料的主流選擇。
“碳紙的基材來源于碳纖維，把碳纖維做成碳紙才是核心的難點所在?！蔽錆h喜瑪拉雅光電技術總監(jiān)雷一杰告訴高工氫電，日本東麗正是憑借深厚的技術積累，自產碳纖維、碳紙從而成為氣體擴散層領域的龍頭企業(yè)。
除了碳纖維基材，掌握材料的結構和水熱管理也相當關鍵，現(xiàn)階段國產氣體擴散層跟國外的先進水平相比存在較大的差距。
“從氣體擴散層的技術指標來看，國外先進水平電流密度達到2.5-3.0A/cm3，國內水平能做到1.5A/cm3，壽命僅國外的三分之一。”國內一家不愿具名的膜電極企業(yè)技術負責人認為，國產氣體擴散層要追上進口還有很長一段距離。
氣體擴散層的國產化突圍
事實上，氣體擴散層的成本在燃料電池中占比較高，要降低燃料電池的成本，實現(xiàn)關鍵材料的國產化突圍是必然的選項。
美國能源部（DOE）數(shù)據(jù)顯示，GDL規(guī)模化生產將會帶來大幅的成本降低。每生產10萬套質子交換膜燃料電池系統(tǒng)，其中GDL占比9%，每生產50萬套質子交換膜燃料電池系統(tǒng)，GDL占比6%。
現(xiàn)階段，燃料電池生產商大多采用美國Avcarb、日本東麗、德國SGL等廠商的氣體擴散層產品，其中Avcarb、日本東麗占據(jù)較大的市場份額。東麗和SGL的產品價值鏈始于自己生產的碳纖維碳紙，一直到微孔層MPL涂布，具備深厚的基礎碳材料開發(fā)和規(guī)模化生產能力。
高工氫電了解到，國內只有江蘇天鳥、通用氫能、上海何森等少數(shù)企業(yè)涉足研發(fā)氣體擴散層，并且大多處在小批樣試產的狀態(tài)，其中通用氫能既做碳紙也做MPL層，可以根據(jù)客戶需求提供碳紙及氣體擴散層成品。
涉及到GDL價格，堯克光表示，如果有批量的需求，國產GDL的價格可以做到進口的三分之一。
“國產的氣體擴散層要取得突破，最關鍵的還是要解決原材料碳紙的批量化制造?！眹鴥纫患夷る姌O企業(yè)負責人認為，做成微孔層MPL涂布不是很難，GDL只有打通碳紙的國產化才具備自主優(yōu)勢。
整體而言，國內氣體擴散層基礎相對較弱，與國外差距還較大。由于燃料電池行業(yè)對氣體擴散層的需求量小，現(xiàn)階段國內企業(yè)研發(fā)動力不足。
“國內材料不是做不起來，如果能腳踏實地做事情，同時企業(yè)人員、設備、資金投入能跟上，與終端應用緊密結合，相信能較快地做出性能指標還不錯的產品?！币幻Y深業(yè)內人士表示，未來3到5年內，國產的膜電極和電堆逐漸上量了，國產的GDL將會打開局面。
以下介紹一下氣體擴散層的主要生產商：
01
日本東麗：
東麗（TORAY）株式會社成立于1926年，總部位于日本東京。是全球燃料電池用碳紙和氫瓶碳纖維最大供應商。東麗除了片料碳紙，也在開發(fā)更適合于大批量規(guī)模生產的卷狀碳紙。目前，東麗的“TGP-H”系列碳紙已經被日本豐田和本田的燃料電池汽車所采用。此外，東麗也在開發(fā)基于疏水性多孔層（MPL）樹脂技術與涂層技術的氣體擴散層（GDL），計劃在2020年左右開始量產。
東麗的GDL產品特點介紹
02
德國西格里（SGL）
西格里集團（SGL）總部位于德國，是全球的碳素石墨材料以及相關產品的制造商之一。SGL產品價值鏈始于自己生產的碳纖維制品，一直到微孔層MPL涂布。公司在產品開發(fā)、規(guī)模化生產和全球市場銷售方面擁有超過20年的經驗。目前，SGL已經向全球200多家客戶提供產品和服務，涵蓋主要的燃料電池應用市場。2017年SGL與現(xiàn)代汽車簽訂了長期供貨合同。
03
通用氫能
深圳市通用氫能科技有限公司成立于2018年，主要技術人員來自于南方科技大學教授王海江團隊。經過2年多時間的發(fā)展，王海江團隊優(yōu)化了燃料電池氣體擴散層的結構，開發(fā)了氣體擴散層的生產工藝，也實現(xiàn)了氣體擴散層小批量生產。目前通用氫能氣體擴散層產能達到10萬㎡/年，能實現(xiàn)從碳紙到氣體擴散層的完整工藝生產，其產品在給南科燃料試用。
通用氫能GDL技術規(guī)格
04
江蘇天鳥
江蘇天鳥高新技術股份有限公司成立于1997年，主要從事碳纖維、芳綸纖維、石英纖維等特種高科技纖維的應用研究及開發(fā)，江蘇天鳥具備優(yōu)秀的碳纖維織物的生產能力，能做碳紙，其碳紙有給國內電堆廠送樣，但由于燃料電池市場太小，尚無明確的GDL量產計劃。
05
科德寶
科德寶是一家全球化技術集團，也是全球最大的無紡布公司。其業(yè)務60%與汽車有關，在1998年開始了燃料電池相關產品的研發(fā)。與其它公司不同，科德寶采用無紡布來制造 GDL。公司已投資建設完全工業(yè)化的GDL生產線，目前GDL還是在歐洲、德國生產，以后有可能很快在中國這邊生產。現(xiàn)階段，科德寶已經與中國25多家FC相關公司建立了良好的聯(lián)系。
