質(zhì)子交換膜、催化劑、氣體擴(kuò)散層構(gòu)成了質(zhì)子交換膜燃料電池的核心。結(jié)構(gòu)上，氣體擴(kuò)散層在雙極板與催化層的中間，起到了重要橋梁的作用。作為膜電極的重要組件，氣體擴(kuò)散層在燃料電池工作中不僅起著傳輸反應(yīng)介質(zhì)，排出電化學(xué)產(chǎn)物的作用，而且不斷進(jìn)行著熱和電的傳導(dǎo)。受原料制約，目前我國氣體擴(kuò)散層嚴(yán)重依賴進(jìn)口，難以實(shí)現(xiàn)真正意義的量產(chǎn)。隨著燃料電池汽車需求日漸增加，質(zhì)子交換膜燃料電池正面臨著降本增效的巨大壓力。占領(lǐng)基建領(lǐng)導(dǎo)地位的我國能否開創(chuàng)出微觀世界的市場橋梁？國內(nèi)氣體擴(kuò)散層企業(yè)能否突破原料封鎖，殺出重圍？“橋梁”如何支撐？ 氣體擴(kuò)散層（GDL）原理簡述氣體擴(kuò)散層(GDL)是一類疏水多孔介質(zhì)材料，通常由多孔、非編織性和大孔結(jié)構(gòu)的碳基材組成，位置介于流場板和催化層，擔(dān)當(dāng)水氣輸運(yùn)、熱量傳遞、電子傳導(dǎo)的載體，并在裝配和運(yùn)行過程中提供結(jié)構(gòu)支撐。一般而言，燃料電池氣體擴(kuò)散層材料具有以下關(guān)鍵特性：反應(yīng)氣體擴(kuò)散：氣體擴(kuò)散層要能傳遞反應(yīng)物（氫氣、氧氣），確保足夠的反應(yīng)物可快速且均勻的擴(kuò)散至催化劑層；產(chǎn)物擴(kuò)散與傳輸：氣體擴(kuò)散層需有效的將液態(tài)水自催化劑層移至流道板，以避免讓液態(tài)水阻塞了反應(yīng)物的擴(kuò)散通道；導(dǎo)電特性：氣體擴(kuò)散層材料導(dǎo)電特性越高越好，這有助于減少電子傳導(dǎo)過程的奧姆損失，幫助電子在催化層和集電板之間傳遞；導(dǎo)熱特性：膜電極組MEA反應(yīng)產(chǎn)生的熱/冷，需由氣體擴(kuò)散層傳導(dǎo)至雙極板上，同時(shí)也須保持膜電極組 均勻的溫度分布；機(jī)械支撐性：在膜電極組中，氣體擴(kuò)散層也扮演支撐膜電極組的角色，用來保護(hù)催化劑和質(zhì)子傳導(dǎo)膜。氣體擴(kuò)散層是質(zhì)子交換膜氫燃料電池的重要組件，是支撐催化劑層并提供反應(yīng)氣體和生成水的通道，同時(shí)還要具備比較良好的導(dǎo)電性能及在電化學(xué)反應(yīng)下的抗腐蝕能力。因此氣體擴(kuò)散層材料的性能直接影響著電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行和電池的工作效率。氣體擴(kuò)散層通常由大孔基底層（GDB）和微孔層（MPL）組成。通常，氣體擴(kuò)散層的厚度在100~400μm之間。其中，基底層通常由碳纖維各向異性堆疊組成，直接與流場板接觸；微孔層由碳基粉末和憎水劑混合而成，直接與催化層接觸。目前基底層主要是由多孔的碳纖維紙或碳纖維布構(gòu)成。碳纖維紙和碳纖維布的多孔結(jié)構(gòu)為反應(yīng)物氣體以及產(chǎn)物水提供了傳導(dǎo)的通道。碳纖維紙是以碳纖維主要材料，輔以黏合劑經(jīng)抄紙工藝而制得的紙狀材料。微孔層是由將導(dǎo)電炭黑和疏水劑用溶劑混合均勻后得到的黏稠漿料，采用絲網(wǎng)印刷、噴涂或涂布方式將其涂覆到基底層表面，經(jīng)過高溫固化，得到微孔層。而完成微孔層的涂覆后的基底層進(jìn)一步優(yōu)化了微觀上的傳質(zhì)、傳熱、導(dǎo)水和導(dǎo)電性能。因此，基底層和微孔層共同決定了氣體擴(kuò)散層的產(chǎn)品特性。微觀世界的“性能挑戰(zhàn)” GDB&MPL由于氣體擴(kuò)散層的傳輸結(jié)構(gòu)主要用于反應(yīng)氣體的均勻傳導(dǎo)和水管理，由基底層和微孔層共同承擔(dān)，基底層由基體本身碳纖維交疊產(chǎn)生的孔隙結(jié)構(gòu)搭建，通過疏水劑的添加形成疏水的孔隙結(jié)構(gòu)，更有利于微孔層孔隙分布及水的排出。通常，基底層中80%以上的孔是孔徑超過50~150μm的大孔，孔徑單一，調(diào)節(jié)氣以及水管理能力有限；這些大孔的存在將會減少與催化劑層的有效接觸面積，造成面電阻增大，影響電堆的整體性能發(fā)揮。電堆內(nèi)部最復(fù)雜的問題是界面化學(xué)以及調(diào)控，僅僅基底層的宏觀結(jié)構(gòu)難以完全滿足界面電化學(xué)反應(yīng)最優(yōu)化的要求，因此，需要應(yīng)用微孔層。微孔層的實(shí)施是通過在漿料配方中添加造孔劑及將該漿料涂覆在基底層上，通常采用噴涂、印刷、熱壓等方法粘結(jié)固定到基底層上，生成的密集的狹縫或更小的氣孔結(jié)構(gòu)。這個(gè)薄碳粉層，厚度約為5~100μm，根據(jù)導(dǎo)電碳粉的摻雜量來改良基底層較大的孔隙結(jié)構(gòu)，MPL層的孔大多在10~50μm級別，均勻孔隙，在不影響均勻分散和傳輸導(dǎo)通氣體的前提下，起到水管理的作用。更重要的是，微孔層改善了與膜電極催化劑質(zhì)點(diǎn)的貼合性，降低催化層與氣體擴(kuò)散層之間的接觸電阻，從而改善界面電化學(xué)反應(yīng)。原料制約發(fā)展可能 國際市場VS國內(nèi)市場目前，燃料電池氣體擴(kuò)散層的選擇只有碳布和碳紙兩種，由于碳布的機(jī)械強(qiáng)度不高，大多數(shù)公司更多選用碳紙作為氣體擴(kuò)散層。2020年碳紙類型的產(chǎn)品規(guī)模達(dá)313.96百萬美元。碳纖維可以根據(jù)原材料的不同分為三大類：聚丙烯腈（PAN）基碳纖維、瀝青基碳纖維、黏膠基碳纖維，聚丙烯腈基碳纖維比其他兩種碳纖維具有更高的強(qiáng)度同時(shí)具有更高的導(dǎo)電性能，因此目前多選用聚丙烯腈基碳纖維作為氣體擴(kuò)散層基底層的原料。日本東麗公司生產(chǎn)的碳纖維紙具有高導(dǎo)電性、高透氣率、高強(qiáng)度等多種優(yōu)點(diǎn)，長期以來占據(jù)市場較大份額，但東麗碳紙由于其脆性大而不能連續(xù)生產(chǎn)的特點(diǎn)導(dǎo)致其難以規(guī)?；a(chǎn)。德國西格里公司（SGL）主要生產(chǎn)高導(dǎo)電性和高孔隙率低成本碳纖維紙，2019年，SGL與現(xiàn)代汽車集團(tuán)達(dá)成長期供應(yīng)協(xié)議。美國AvCarb被譽(yù)為“全球GDL領(lǐng)導(dǎo)者”，一直致力于研發(fā)和生產(chǎn)創(chuàng)新型的碳材料產(chǎn)品。負(fù)責(zé)包括碳材料制造、熱處理以及產(chǎn)品涂層在內(nèi)的環(huán)節(jié)，并擁有國際標(biāo)準(zhǔn)組織ISO9001認(rèn)證、TS16949認(rèn)證。我國目前碳纖維發(fā)展情況與國外還有一定距離，由于起步較晚，國內(nèi)自主的用于電堆的碳纖維紙產(chǎn)業(yè)仍幾乎屬于空白，已有的樣品，很難同時(shí)滿足電堆對于氣體擴(kuò)散層低電阻率、高滲透性、超薄、機(jī)械強(qiáng)度大的要求。國內(nèi)燃料電池廠家以及氣體擴(kuò)散層廠家普遍是進(jìn)口碳纖維紙基底層，各自采用疏水處理+并涂覆微孔層的生產(chǎn)工藝，二次加工成為氣體擴(kuò)散層，產(chǎn)品性能與進(jìn)口氣體擴(kuò)散層接近，但價(jià)格及產(chǎn)量受原材料制約較大，性價(jià)比低，有限的產(chǎn)量不足以支撐我國燃料電池產(chǎn)業(yè)需求。我國碳纖維市場正處于嚴(yán)重的供不應(yīng)求狀態(tài)。數(shù)據(jù)顯示，2021年中國碳纖維產(chǎn)量達(dá)2.77萬噸，預(yù)計(jì)2022年我國碳纖維產(chǎn)能及產(chǎn)量可達(dá)2.77萬噸。未來碳纖維需求未來或?qū)⒊掷m(xù)處于高速增長期，預(yù)計(jì)2025年全球碳纖維消費(fèi)量將達(dá)到20.0萬噸，增長驅(qū)動(dòng)力主要來自于風(fēng)電葉片、航空航天等。隨著碳纖維生產(chǎn)企業(yè)不斷在高性能碳纖維領(lǐng)域取得技術(shù)突破，我國碳纖維的進(jìn)口替代步伐有望進(jìn)一步加速?！笆奈濉逼陂g，我國碳纖維及原絲的產(chǎn)能正在快速擴(kuò)張。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國已規(guī)劃及在建的碳纖維產(chǎn)能共計(jì)14.07萬噸/年，數(shù)量十分可觀，我國碳纖維產(chǎn)能正逐步擴(kuò)張，國產(chǎn)替代道路光明。江蘇天鳥高新技術(shù)股份有限公司（以下簡稱江蘇天鳥）成立于1997年，是江蘇省高新技術(shù)企業(yè)、國際航空器材承制方A類供應(yīng)商。江蘇天鳥長期致力于碳纖維、芳綸纖維、石英纖維等特種纖維的應(yīng)用研究及開發(fā)，專業(yè)生產(chǎn)高性能纖維立體預(yù)制體，飛機(jī)碳剎車預(yù)制體，各型高性能纖維織物，纖維預(yù)浸料，是國內(nèi)最大的碳/碳、碳/碳化硅復(fù)合材料用預(yù)制體的研制生產(chǎn)基地。深圳市通用氫能科技有限公司（以下簡稱通用氫能）成立于2018年，公司以氫能為基礎(chǔ)，以燃料電池為核心，圍繞新能源產(chǎn)業(yè)，致力于燃料電池關(guān)鍵材料的研發(fā)與制造，致力于燃料電池成本降低，快速推動(dòng)燃料電池的發(fā)展。氫能觀察了解到，通用氫能已經(jīng)建成國內(nèi)第一條卷對卷連續(xù)化生產(chǎn)GDL產(chǎn)線，年產(chǎn)能10萬平米，產(chǎn)品與國內(nèi)外數(shù)十家企業(yè)達(dá)成合作意向，也為多家頭部企業(yè)提供產(chǎn)品。此外，通用氫能也建成了世界首條連續(xù)化生產(chǎn)DMD與質(zhì)子交換膜生產(chǎn)線，及催化劑和膜電極生產(chǎn)線，主打燃料電池氣體擴(kuò)散層、質(zhì)子交換膜、催化劑和膜電極產(chǎn)品等，并進(jìn)行相關(guān)產(chǎn)品的多元化，滿足各類燃料電池車、無人機(jī)、軌道交通、電站等要求。上海濟(jì)平新能源科技有限公司（以下簡稱濟(jì)平新能源）成立于2018年8月，是國內(nèi)第一家實(shí)現(xiàn)催化劑公斤級量產(chǎn)的科技型企業(yè)。氣體擴(kuò)散層方面，上海濟(jì)平氣體擴(kuò)散層技術(shù)是基于具特點(diǎn)的漿液配制法及形成均勻微孔層的步驟。性能優(yōu)異的GDL除能讓氣體均勻擴(kuò)散進(jìn)催化劑層進(jìn)行3相反應(yīng)外，還須構(gòu)造有利于排水；漿液中粒子分散良好，且在GDL形成時(shí)不會團(tuán)聚；漿液流動(dòng)性質(zhì)佳且穩(wěn)定，適合涂抹；孔隙分布控制良好，使MEA能在很廣的濕度范圍能保持好的性能。2019年8月，濟(jì)平新能源舉辦投產(chǎn)儀式，成為國內(nèi)第一家量產(chǎn)催化劑和氣體擴(kuò)散層的企業(yè)。臺灣碳能科技股份有限公司（以下簡稱臺灣碳能）成立于2006年9月，主要研發(fā)與生產(chǎn)銷售氣體擴(kuò)散層、碳纖維紙與碳纖維布，以及VRB電極材料?，并于2012年10月正式推出高導(dǎo)熱人工石墨片，作為高階智慧型手機(jī)用的導(dǎo)熱、散熱元件，已正式供貨給多家國際級智慧型手機(jī)大廠。臺灣碳能第二代全新的碳纖維基材已經(jīng)研發(fā)完成，新一代的碳紙?zhí)疾坚槍θ剂想姵氐倪\(yùn)作特性進(jìn)行客制化設(shè)計(jì)，可適用于干式或加濕設(shè)計(jì)，使燃料電池性能得以優(yōu)化。國內(nèi)市場很早就嗅到了氣體擴(kuò)散層的“商機(jī)”，面對GDL嚴(yán)重依賴進(jìn)口的艱難窘境，國內(nèi)燃料電池產(chǎn)品、碳纖維產(chǎn)品企業(yè)正在挑戰(zhàn)中逐浪前行?！皹蛄骸钡募軜?gòu)固然艱難非常，但隨著我國碳纖維市場產(chǎn)能逐步擴(kuò)張、各項(xiàng)技術(shù)的穩(wěn)步提升，國內(nèi)企業(yè)的快速追趕，相信在不久的將來會收到氣體擴(kuò)散層實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化突圍的好消息。1.曹婷婷,崔新然,馬千里,王茁,韓聰,米新艷,于力娜,張克金. 質(zhì)子交換膜燃料電池氣體擴(kuò)散層研究進(jìn)展[J]. 汽車文摘,2021(03):8-14.2.高子騰. 質(zhì)子交換膜氫燃料電池氣體擴(kuò)散層的研究[J]. 電子技術(shù),2021,50(12):236-237.
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2022-07-25
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