碳动新能源主任吴立群：碳纸助力燃料电池两轮车打开商业化大门

“氢燃料电池两轮车这个商业化路途应该是可以走快速大路了。”上海碳动新能源科技有限公司主任/教授级高工吴立群表示。

上海碳动新能源科技有限公司主任/教授级高工吴立群分享《碳纸助力燃料电池两轮车打开商业化大门》

12月14日，在浙江杭州隆重召开的一场峰会上，上海碳动新能源科技有限公司（以下简称“碳动新能源”）主任/教授级高工吴立群带来了《碳纸助力燃料电池两轮车打开商业化大门》的主题演讲。吴主任通过山东仁丰在碳纸产业化建设过程中总结出来碳纸产业化发展的意义和特点，进一步推动了碳纸国产化的进程，同时与大家一起探讨了碳纸研发如何助力氢燃料电池两轮车的商业化之路。

碳纸的国产化发展之路

碳纸，又称为碳纤维纸，是燃料电池气体扩散层的关键基底材料，主要作用是传导电流，引导反应气体从石墨板导流到触媒层，并把反应水排除在触媒层之外，是燃料电池膜电极（MEA）中不可或缺的材料。

图源网络公开信息

碳纸是一种碳元素含量高达90%的复合材料，主要由碳纤维构成，碳纤维具有良好的导电性，碳纸中碳纤维以无序的形式排列，所以碳纸孔隙率大小适宜、透气性良好。

在电化学系统中，带气体扩散层（GDL）的碳纸主要起到支撑架构、催化剂载体、收集电流、散热通道、传导气体和排除反应物水的重要作用。

支撑架构： 足够的强度支撑MEA当其因为吸水过多而变形时；

催化剂载体：为催化剂提供了附着和固定的基体；

收集电流：集流双极板和催化剂层之间的电子导体；

散热通道：在燃料电池反应时具有散热功能；

传导气体：引导气体从双极板的导流沟槽到触煤层，为电化学反应提供丰富的气液固三相界面，保证电化学系统的正常运行；

排除反应物水：把反应式产生物-水排除于触媒层之外，避免淹水问题，保证催化剂利用率。

在制备带气体扩散层的碳纸时，通常采用湿法或干法等工艺方法。不同的制备工艺可以得到不同性能的带气体扩散层的碳纸。

湿法是将碳纤维和树脂等原料混合后，经过浸润、预氧化、碳化、石墨化等步骤得到碳纸；

干法是在热压或热解等条件下，将碳纤维和其他原料直接压缩或热解成碳纸。

由于碳纤维、碳纤维原纸、炭化、石墨化和后处理等复杂工艺及装备的限制，碳纸技术长期被国外公司垄断，碳纸的国产化被称为氢燃料电池核心材料的“最后一个壁垒”。

可以总结出，当前碳纸国产化替代的困境在于：

GDL是国产化率最低的膜电极材料；

GDL在膜电极材料中成本占比较高；

GDL规模化降本方向明确。

据不完全统计，当前气体扩散层的国产化率占比为2.36%，相较其他几种关键材料国产化率是最低的；另外在成本方面，在膜电极系统里，气体扩散层的成本占比为24%，成本占比较高。

“降低碳纸成本这个方向是已经明确了。我认为，碳纸应该是膜电极供应里最应该首先降低价格的。”吴主任讲述当前碳纸国产化的困境。

另外，受多种因素的困扰，碳纸产业化发展缓慢：

制浆造纸、涂布热压、碳化、石墨化等多行业领域交叉；

生产链长、生产环节复杂、研发周期长、资金投入大；

依托工程技术平台和公用工程平台强力支撑。

其中吴主任提到很重要的一点，碳纸发展缓慢并不一定是技术难度很大的原因。碳纸的制造工艺涉及到造纸，那么就涉及到一个环保的问题，同时需要解决废水、废气处理，这个时候需要环保工程来支持。

接着，吴主任讲到碳纸规模化建设的意义和价值，有以下几点：

降低成本：碳纸产品实现国产替代、产业化突破，填补国内空白，降低国产燃料电池膜电极生产成本；

国产化替代：满足国内燃料电池行业未来发展增量需求和迭代速度，真正具备自主化优势；

稳定质量：碳纸产品的规模化产业化生产是燃料电池电堆一致性、稳定性的重要保障。

伴随车用燃料电池市场的持续放量，燃料电池产业链市场有望快速成长，公开数据显示，到2025年我国氢燃料市场规模将近350亿元，2021-2025 年CAGR达51%。

我们假设面向电堆的碳纸售价为500+元/每平米，一般重卡一个电堆的碳纸需求为25平米，即重卡碳纸单车价值为1.75万元，若2030年我国氢能源燃料电池重卡保有量100万辆，则我们预计到2030年重卡碳纸存量市场空间为175亿元。

随着关键技术的突破，我国氢燃料电池碳纸关键材料国产化量产进程正加速推进。

图源仁丰特材官网

资料显示，国内领先的特种纸材料骨干生产企业山东仁丰特种材料股份有限公司（简称“仁丰特材”）成立于2006年3月，依托强大的综合实力，经过多年创新性研发，仁丰特材将产品开发延伸至氢燃料电池气体扩散层领域。

仁丰特材是国内首家从短切碳纤维原料起，布局包括制浆、抄造、涂胶、热压、碳化、石墨化、疏水层涂布、微孔层涂布、烧结全链生产，到卷对卷产品规模化生产的全链条的GDL供应商。

2019年，山东仁丰特种材料股份有限公司上海研发中心成立；

2020年，仁丰特材正式启动气体扩散层项目；

2021年，仁丰特材完成国内首条全生产链气体扩散层产线建设；

2022年，仁丰特材与上海捷氢科技共同承担上海科委重大专项，同时气体扩散层全生产链产线带料试车工艺打通；

2023年，仁丰特材气体扩散层进入广泛验证优化阶段，气体扩散层仿真理论研究启动，上海碳动新能源科技有限公司成立。

在产品研发方面，为了满足市场各种应用场景对气体扩散层的需求，仁丰特材推出了以下四个应用场景的GDL产品：

水冷堆用气体扩散层：碳纸厚度 150-180μm、200-220μm、220-250μm，将进入卷材装堆测试阶段；

空冷堆用气体扩散层：碳纸厚度190-320μm，经测试验证，在工况下的自增湿保水效果优于现有产品；

PEM/AEM 用气体扩散层：碳纸厚度最高可达400μm；

其他传质作用的碳纸：可实现产线批量化、规模化、卷对卷产品交付。

据了解，仁丰特材产品微孔层（MPL）表面平整度高，可以达到粗糙度＜2微米（表面粗糙度和光学轮廓仪测试）；GDL垂直电阻≤15 mΩ.cm 2 @1MPa，热导率≥0.35W/(m.K)，平面电阻≤15mΩ.cm。

据吴主任介绍，当前仁丰特材的研发重点是进一步优化工艺、提升良率以及提升设备的精益制造水平和能力，为产品的一致性、稳定性提升做出保障，另外一个重点则是大幅降低生产成本。

在产线建设方面，2022年，仁丰特材氢燃料电池碳纸特种材料生产线顺利投产。

2023年1月，仁丰特材在上海临港新片区成立上海碳动新能源科技有限公司，其中氢燃料电池气体扩散层用碳纸设计产能100万㎡/年，2023年已建规模化卷对卷产能50万平米，同时建造50万平方米的二期预留车间，是国内首条涵盖从碳纤维原纸抄造到树脂涂布、碳化、石墨化、微孔层及疏水层涂布全环节的连续规模化生产线。

仁丰特材碳纸生产线展现出一系列特点：

卷对卷规模化生产

生产链从短切碳纤维到GDL

重资产特点

公共平台强力支撑，包括技术工人、辅助工程和企业管理

当前，仁丰特材碳纸产业化生产链产线已打通，产品已进入验证阶段，碳纤维抄造、碳化石墨化等实现关键技术突破，碳纸原纸制备、碳纸高速涂胶和在线定量检测均已实现工艺优化和技术设备改进。

此外，仁丰特材还可以结合仿真技术开展水热管理研究和气体扩散层-燃料电池性能相关性的理论建模反馈机制研究：

模拟研究燃料电池运行时产品内部多尺度、多维度的动态效应和碳纸内部的物理化学变化作用机理，如流动、传质、传热和电化学反应机理；

以目标燃料电池的性能为基准，统计学比较模拟数据与试验数据，建模分析气体扩散层的技术性能参数与电池性能的匹配情况，反馈并解决气体扩散层产品应用端的缺陷，为GDL的迭代和正向研发做技术积累。

碳纸助力氢两轮车商业化进程

随着氢能应用场景的不断扩大，氢两轮车作为燃料电池终端应用的一大代表，与氢燃料电池汽车有以下不同之处：

动力模式，氢燃料电池汽车本质上属于增程式氢能源车辆，而氢两轮车一般选用风冷电堆/液冷电堆作为主要动力源；

储氢方式，氢两轮车大多采用固态储氢瓶存储氢气 ，可采取定点更换模式进行氢气瓶的补充与更换；

商业模式，氢两轮车具有续航长、补能快、综合用能成本低等优势，十分契合当前共享电单车和外卖车市场需求。

当前，氢两轮车用燃料电池有液冷氢燃料电池和空冷氢燃料电池两种，均具有高功率密度、低噪音运行、轻量化设计和自增湿设计。

其中，自增湿设计提升了燃料电池堆系统的紧凑性，降低了辅助系统成本，被认为是燃料电池发动机未来的发展方向之一。

燃料电池自增湿技术是通过材料选型、设计优化和操作条件的控制，优化电堆的水管理能力，高效利用燃料电池电化学反应生成的水，实现膜电极不同位置水含量分布的均匀性。从而有效降低燃料电池阴极侧对于增湿器的依赖，降低系统成本并提高功率密度。

当前，燃料电池自增湿技术有以下进展：

采用高透水类型的质子交换膜促进阴极水反扩散到阳极；

提升阳极的循环计量比，促进回流，增加了阳极低功率运行阶段的湿度；

提高阳极气体扩散层保水能力，防止阳极过干；

上海碳动新能源科技有限公司主任/教授级高工吴立群分享《碳纸助力燃料电池两轮车打开商业化大门》

碳纸作为氢燃料电池的核心部件，用于在燃料电池中作为电极和催化剂的支持基质。

吴主任介绍道，氢两轮车用燃料电池碳纸需具备以下技术性能特点：

高电子传导能力，减少燃料电池内阻，提升燃料电池堆注重输出功率密度；

低表面粗糙度，减少微孔层面与CCM直接的接触损耗，降低接触电阻；

良好机械强度，抵抗由于温度波动、压力变化和机械振动导致的结构损伤；

良好水管理能力，保障膜电极湿润并防止水淹，调节燃料电池传质分布；

良好热管理能力，调控燃料电池热量分布，防止温度失衡，影响功效与寿命。

同时提到，液冷燃料电池电堆阴极侧GDL更倾向排水性水管理，空冷燃料电池电堆阳极侧GDL更倾向保水性水管理。

另外，当前碳纸研发如何助力燃料电池两轮车的商业化之路呢，

两轮车燃料电池需要大幅降低制造成本；

将两轮车燃料电池碳纸作为突破点；

采用先进的碳纸水管理模型研究技术，研究开发两轮车燃料电池碳纸生产技术；

依托仁丰特材的生产平台定制化、批量化生产制造，深度合作。

随着关键技术的不断突破，氢燃料电池碳纸也在不断发展。未来，氢燃料电池碳纸的发展方向主要包括以下几个方面：

高性能化：通过优化碳纤维和树脂的配方和制备工艺，进一步提高氢燃料电池碳纸的性能，提高其电导性、机械强度和稳定性等指标；

环保化：随着环保意识的不断提高，氢燃料电池碳纸的环保性能也将受到越来越多的关注。如何实现生产过程的绿色化和降低产品的环境影响是未来研究的重要方向；

复合化：为了满足不同场景下的需求，氢燃料电池碳纸可以与其他材料进行复合，形成功能更加丰富的复合材料。例如，可以将其与金属、陶瓷等材料复合，提高其耐高温、耐腐蚀等性能；

规模化生产：随着氢能产业的发展，氢燃料电池碳纸的市场需求将不断扩大。如何实现规模化、低成本生产是未来研究的重要课题。

总而言之，氢燃料电池碳纸作为一种重要的能源材料，具有广泛的应用前景和市场潜力。希望未来通过进一步优化其性能，实现规模化生产，早日解决这个“卡脖子” 问题。