燃料电池汽车爆发在即 电池关键材料仍困黎明前夜

随着全球对清洁能源的日益重视，燃料电池因其“加氢排水”的“零排放”特性，被广泛应用于固定发电、交通、便携式电子、航空导航等领域。它们被认为是能源领域的终极解决方案之一。其中，燃料电池汽车是燃料电池的一个关键应用方向，也是新能源汽车的发展路径之一，FCV因其充电快、电池寿命长而被誉为未来汽车技术竞争的巅峰。自20世纪90年代以来，主要汽车制造商一直在部署燃料电池汽车。2015年前后，丰田、本田、现代等汽车制造商相继量产了燃料电池车型。梅赛德斯-奔驰、宝马和奥迪也进入了燃料电池汽车领域。目前，欧洲、美国、日本、韩国和中国都发布了对燃料电池汽车的支持政策，对燃料电池的生产、规划和不同阶段的加氢站建设提出了具体目标。

中国电动汽车和燃料电池汽车政策规划时间比较

全球燃料电池行业发展迅速，日本和韩国处于领先地位

从燃料电池产业链来看，燃料电池产业链条主要包括由材料和组件组成的上游，以堆生产为中心的中游，以及以电力应用为主的下游。其中，电堆占燃料电池成本的62%。催化剂、质子交换膜和气体扩散层共同形成燃料电池堆的上游，包括膜电极、双极板、端板和密封圈。其中，膜电极是燃料电池技术和成本的“中心”，膜电极占燃料电池成本的30%以上。目前，全球燃料电池生产企业主要集中在北美、欧洲、日本、韩国等国家和地区，其中日本在燃料电池行业的技术储备遥遥领先。根据能源咨询公司E4tech的统计，2019年全球燃料电池出货量达到1.1GW，同比增长率为40%。其中，来自日本和韩国的出货量分别达到408MW和245MW。

氢燃料电池产业链

中国燃料电池产业的国产化水平迅速提高，但关键技术——催化剂和气体扩散层——尚未形成工业化

随着新能源汽车的发展，我国燃料电池行业的国产化水平迅速提升，电堆产业链国产化水平达到50%。国内烟囱的性能已达到国际平均水平。国宏氢能、鑫源动力等国内领先企业已达到世界水平，但总体而言，在堆比功率、效率等方面仍有较大提升空间，成本仍有较大降低空间。

从堆叠材料来看，国内膜电极的性能已接近国际水平，但在专业特性上仍有一定差距。武汉理工大学新能源有限公司有限公司已实现商业化生产并出口美国。国内催化剂技术与国外的差距不断缩小，吉平新能源、中科科创、喜马拉雅、清东科技等企业实现了小批量出货。山东东岳集团已率先实现质子交换膜的量产，但还需进一步加快国内工业化进程。国内气体扩散层和双极板技术条件相对成熟，规模化生产能力有待提高。目前，上海智真已经量产了金属双极板，中国在气体扩散层领域的技术探索也取得了成果。中南大学、武汉理工大学、东华大学和南方科技大学的碳纸材料实验室技术可以与一些国际先进产品水平相媲美。然而，由于碳纸材料选择和气体扩散层技术的技术壁垒很高，以及市场需求低和技术不成熟对国内的制约……

在企业中，中国唯一能够实现小规模生产的公司是上海和森、吉平新能源、通用氢能和碳科技。要实现大规模商业化，还有很长的路要走。

气体扩散层是目前燃料电池堆各部件中技术条件最成熟、商业利用潜力最大的产品

气体扩散层，包括基底层和覆盖其的表面涂层微孔层，是质子交换膜燃料电池的重要组成部分，对燃料电池的性能起着至关重要的作用。目前，气体扩散层技术已经比较成熟。碳纤维纸由于其成熟的制造工艺、稳定的性能、相对较低的成本以及适用于后处理，已成为气体扩散层商业化的首选基材。表面涂层微孔层通常由碳粉和疏水剂组成。目前面临的主要挑战是在高电流密度下实现水和气体的平稳传质的技术难题。

气体扩散层的成本主要由制造成本决定。根据美国能源部和巴拉德电力系统公司的联合研究项目，当气体扩散层年产量为1000万平方米/年时，气体扩散层的生产成本为4.45美元/平方米，当气体传播层的生产规模为10万平方米时，生产成本约为56美元/平方公里，突出了其商业利用潜力。

大规模生产气体扩散层的成本优势

◆ 气体扩散层领域已经形成寡头垄断

气体扩散层的核心工艺主要涉及复写纸的材料选择和工艺。1980年，日本东丽公司通过石墨化碳层连接碳纤维，以确保高孔隙率和高导电性。然后，使用聚四氟乙烯进行疏水处理，一面用碳粉处理，形成有利于催化剂附着的微孔层，形成气体扩散层。这启动了碳纸作为气体扩散层基层的商业化过程。

从复写纸材料来看，作为气体扩散层核心材料的全球复写纸市场已经形成寡头垄断。目前，全球碳纸和碳布材料主要由日本东丽公司、加拿大巴拉德电力系统公司和德国SGL公司供应。日本东丽和德国SGL的气体扩散层产品的价值链从自己生产的碳纤维复写纸开始，到表面涂层微孔层MPL涂层，两家公司都有强大的基础碳材料开发和大规模生产能力。目前，日本的东丽占据了很大的市场份额，而德国SGL的原材料由日本的三菱提供。然而，供应量逐年减少，而加拿大的巴拉德电力系统仅供应给汽车行业。中国在气体扩散层领域尚未形成工业化。

此外，气体扩散层的石墨化过程需要2000℃以上的高温才能制备，而在高温石墨化设备方面，目前主要由外国企业垄断。全球气体扩散层量产技术的整体发展还不够成熟，生产一致性和成本问题仍有待解决。

全球气体扩散层领域的专利申请主要分布在日本、美国、欧洲、中国、韩国等国家；

自2009年以来，我国气体扩散层技术研发进入技术增长期，呈现快速增长趋势

截至2021 2月中旬，气体扩散层技术领域约有25000项全球专利披露，约有3859项中国专利披露。从公开趋势来看，自2009年以来，我国气体扩散层技术的研发进入技术增长期，专利公开数量呈现逐年快速增长的趋势。

从申请人的地域分布来看，全球气体扩散层技术的专利申请主要分布在日本、美国、欧洲、中国和韩国等国家。其中，日本以11849项专利披露位居第一，占全球专利披露的46.6%。代表公司包括丰田、松下电气、本田、日产、东芝、住友电气、日立等。美国位居第二，有4116项专利披露，占全球专利披露的16.2%，以西屋电气、3M和联合技术等公司为代表；在欧洲，已经披露了4090项专利，占全球专利披露量的16.1%。代表公司包括西门子、VARTA、博世、奥迪等；中国专利公开量居世界第四，共公开2797项专利，占全球专利公开量的11%。代表性企业包括新科力化工、鑫源动力、一汽解放、比亚迪等。

从国内外31个省市的专利布局对比可以看出，国内专利披露数量高于海外专利披露数量。自2014年以来，差距不断扩大，我国气体扩散层技术的研发力度不断加大。

从技术角度来看，我国气体扩散层行业的专利技术主要涉及膜电极组件、催化剂、衬底材料等技术和方法，占总公开量的93.3%，其中膜电极组件占90.6%。

气体扩散层技术的创新方向主要集中在提高复写纸的机械强度、增强气体传输性能、加强排水、控制渗透深度和平整度、降低粗糙度、增加涂层均匀性、增强导电性

气体扩散层主要用于燃料和氧化剂的运输、生成水的排放、催化剂和质子交换膜的支撑以及电子和热传导，对燃料电池的电化学性能有重大影响。主要技术指标包括孔隙率、电导率、热导率、压缩回弹性能、透气性、亲水性和疏水性等。改善其孔结构、降低传质阻力、增强排水性和提高耐久性是目前的研发热点，扩散层的大规模生产工艺是其主要发展方向。

目前，国际气体扩散层领域面临的主要挑战包括：水和气体在高电流密度下顺利传质的技术难题；目前大规模生产扩散层的技术还不成熟，生产一致性和成本问题仍需解决。此外，我国在气体扩散层领域还存在其他风险：一是连续生产碳纸和碳布所需的高温石墨化设备主要被外国企业垄断；其次，碳纤维的石墨化过程复杂，中国碳纤维产业起步落后于欧美和日本，掌握核心技术并有能力大规模生产的企业相对较少。

气体扩散层未来的发展方向是提高基材层中复写纸的机械强度以避免机械损伤，减小复写纸的厚度以提高气体扩散性能，增强气体传输性能，并加强排水以减少流体腐蚀；

在表面涂层微孔层中，控制最佳厚度、孔隙率和孔径、疏水性和渗透深度等关键参数，以实现排水、含水量和气体电导率之间的平衡，构建疏水层的排水梯度，并提高疏水层的机械财产。此外，中国应积极推动高温石墨化设备的综合本土制造，加快气体扩散层的工业化进程。

目前燃料电池汽车产业的工业化进程在政策和技术的推动下加快，国内燃料电池产业的发展仍然缺乏关键材料的基础。打破国外长期技术垄断，实现关键材料国产化突破是必然选择，要加大对燃料电池关键材料产业化研发的投入，带动新材料、新能源和高端汽车装备制造业的发展，只有这样，我们才能促进燃料电池产业化的良好发展。

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