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“加氢排水”的“零排放”特质广泛应用于固定式发电、交通运输、便携式电子、航空航海等领域，被视为能源领域的终极解决方案之一，其中，燃料电池汽车（Fuel Cell Vehicle，FCV）是燃料电池的重点应用方向，也是新能源汽车的发展路径之一，FCV因“充电快、续航长”而被誉为未来汽车技术竞争的制高点。自上世纪90年代以来各大车企纷纷布局燃料电池汽车，在2015年前后丰田、本田、现代等车企陆续量产燃料电池汽车车型，奔驰、宝马和奥迪等车企也均入局燃料电池汽车领域。目前，欧美、日韩以及中国均已发布燃料电池汽车支持政策，提出了不同阶段的燃料电池产量、规划、加氢站建设数量等具体目标。

中国电动汽车和燃料电池汽车的政策规划时间对比

（资料来源:工信部官网、西部证券(002673,股吧)研发中心）

◆全球燃料电池产业发展迅速，日韩领跑

从燃料电池产业链来看，燃料电池产业链主要包括材料和零部件构成的上游、电堆生产为核心的中游、以动力应用为主的下游，其中电堆在燃料电池的成本占比高达62%。催化剂、质子交换膜和气体扩散层共同构成膜电极（MEA）、双极板、端板以及密封圈等材料构成电堆的上游，其中膜电极（MEA）系燃料电池的技术、成本“中枢”，膜电极在燃料电池成本占比超30%。目前全球燃料电池生产企业主要集中在北美、欧洲、日韩等国家和地区，其中，日本在燃料电池产业的技术储备遥遥领先。据能源咨询公司E4tech统计，2019年全球燃料电池的出货量达到了1.1GW，同比增速达到了40%，其中，日本、韩国的出货量分别达到了408MW、245MW。

氢燃料电池产业链

◆我国燃料电池产业国产化程度快速提升，但关键技术---催化剂和气体扩散层尚未形成产业化

随着新能源汽车的发展，我国燃料电池产业国产化程度快速提升，电堆产业链国产化程度达到50%，国产电堆性能已达到国际平均水平，国内如国鸿氢能、新源动力等领先企业已与世界水平相当，但总体上，电堆比功率、效率等方面还存在较大的进步空间，成本还有大幅降价空间。

从电堆材料环节来看，国产膜电极性能与国际水平接近，但在专业特性上尚有一定差距，武汉理工新能源有限公司已实现了商业化生产并出口美国。国内催化剂技术与国外的差距正不断缩小，济平新能源、中科科创、喜玛拉雅、擎动科技等企业已实现小批量出货。山东东岳集团已率先实现质子交换膜量产，但有待进一步加快国内产业化进程。气体扩散层和双极板国内技术条件相对成熟，规模化生产能力有待提升。目前，上海治臻已规模化量产金属双极板，我国在气体扩散层领域的技术探索已经有所建树，中南大学、武汉理工大学、东华大学以及南方科技大学碳纸类材料的实验室技术可对标国际部分先进产品水平。但由于气体扩散层由于碳纸选材及技术具有极高的技术壁垒，以及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，国内能够实现小批量生产的企业仅有上海河森、济平新能源、通用氢能以及碳能科技等公司，在实现大规模商用方面还差距甚远。

◆气体扩散层是目前燃料电池堆各部件中技术条件最成熟、商业化利用潜力最高的产品

气体扩散层（GDL）包括基底层（BL）和覆盖在其上的表面涂层微孔层（MPL），是质子交换膜燃料电池（PEMFC）的重要组成部分，对燃料电池的性能好坏起着至关重要的作用。目前，气体扩散层技术相对成熟，碳纤维纸凭借制造工艺成熟、性能稳定、成本相对较低和适于再加工等优点，成为气体扩散层商业化的首选基底材料，表面涂层微孔层一般由碳粉和憎水剂构成，目前面临的主要挑战为大电流密度下水气通畅传质的技术难点。

气体扩散层的成本主要由制造成本主导，根据美国能源部（DOE）与巴拉德动力系统公司（Ballard）的联合研究项目，当气体扩散层的年产量为1000万m2/年（大约可供应50万套燃料电池系统）时，气体扩散层的生产成本为4.45美元/m2，当气体扩散层的生产规模为10万m2/年时，生产成本则约为56美元/m2，凸显其商业化利用潜力。

气体扩散层规模化生产的成本优势

（资料来源:美国能源部）

◆气体扩散层领域已形成寡头垄断现状

气体扩散层核心工艺主要是碳纸选材及技术，1980年，日本东丽将碳纤维通过石墨化的碳层连接起来，并保证较高的孔隙率和导电性，然后用聚四氟乙烯（PTFE）疏水处理，之后一侧用碳粉处理做成有利于催化剂附着的微孔层，以此形成气体扩散层，开启了碳纸作为气体扩散层基底层的商业化进程。

从碳纸材料角度来看，全球范围内气体扩散层核心材料碳纸市场已形成寡头垄断现状，目前全球的碳纸、碳布材料主要由日本东丽、加拿大巴拉德动力系统及德国SGL三家企业供应，日本东丽和德国SGL的气体扩散层产品价值链始于自己生产的碳纤维碳纸，一直到表面涂层微孔层MPL涂布，两家企业均具备深厚的基础碳材料开发和规模化生产能力。目前，日本东丽占据较多的市场份额，德国SGL的原材料由日本三菱供应，但供给量在逐年减少，而加拿大巴拉德动力系统仅面向汽车行业供应。我国在气体扩散层领域尚未形成产业化。

此外，气体扩散层的石墨化工序需要经过2000℃以上的高温才能制备，在高温石墨化设备方面，目前主要由国外企业垄断。全球气体扩散层量产技术发展整体还不够成熟，生产的一致性和成本问题还有待解决。

◆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；我国气体扩散层技术的相关研发自2009年开始进入技术成长期，呈快速增长趋势

截至2021年2月中旬，气体扩散层技术领域的全球专利公开量共有约2.5万件，中国专利公开量共有约3859件。从公开趋势看，我国气体扩散层技术的相关研发自2009年开始进入技术成长期，专利公开量呈现出逐年快速增长的趋势。

从申请人地域分布来看，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、韩国等国家。其中，日本居首，专利公开11849件，占全球专利公开量的46.6%，代表企业有丰田、松下电器、本田、日产、东芝、住友电气、日立等。美国次之，专利公开4116件，占全球专利公开量的16.2%，代表企业有西屋电气、3M、联合技术公司等；欧洲再次之，专利公开4090件，占全球专利公开量的16.1%，代表企业有西门子、瓦尔塔(VARTA)、博世、奥迪等；中国专利公开量位居全球第四，专利公开2797件，占全球专利公开量的11%，代表企业有新柯力化工科技、新源动力、一汽解放、比亚迪等。

从国内31省市和海外来华专利布局对比情况看，国内专利公开数量高于海外来华专利公开数量，自2014年开始拉大差距，我国气体扩散层技术的研发力度不断加大。

从技术领域看，我国气体扩散层产业专利技术主要涉及膜电极组件（H01M）、催化剂（B01J）及基底材料（C01B）等技术和方法，占总公开量的93.3%，其中，膜电极组件（H01M）占90.6%。

◆气体扩散层技术创新方向主要集中在提高碳纸的机械强度、增强气体传输性能、加强排水、控制渗透深度、平整度，降低粗糙度、增加涂层均匀性以及增强导电性等方面

气体扩散层（GDL）主要用于燃料和氧化剂的传输、生成水的排出、支撑催化剂和质子交换膜，以及电子传导和热传导等，对燃料电池的电化学性能有重要影响。主要技术指标有孔隙率、电导率、热导率、压缩回弹性能、气体渗透性能、亲疏水特性等。完善其孔隙结构、降低传质阻力、增强排水、提高耐久性是当前研发热点，扩散层大规模生产工艺是其重点发展方向。

目前，国际上气体扩散层领域面临的主要挑战有：大电流密度下水气通畅传质的技术难点；当前扩散层大规模生产工艺技术仍不成熟，生产的一致性和成本问题还有待解决。此外，我国气体扩散层领域还存在其他风险：一是碳纸、碳布连续化生产所需的高温石墨化设备主要由国外企业垄断，二是碳纤维石墨化工艺复杂，我国碳纤维产业起步落后于欧美日，熟练掌握核心技术并能规模化生产的企业相对较少。

未来气体扩散层的发展方向是：在基底层，提高碳纸的机械强度避免机械损坏，减少碳纸厚度以提高气体扩散的性能，增强气体传输性能以及加强排水减少流体腐蚀；在表面涂层微孔层，对关键参数如最优厚度、孔隙率与孔尺寸、疏水性和渗透深度加以控制，实现排水性、含水量和气体传导率的平衡，构造疏水层排水梯度、增强疏水层力学性能等。此外，国内还应积极推进高温石墨化设备等的全面本土制造，加快推进气体扩散层的产业化进程。

当前燃料电池汽车产业受政策与技术助推产业化进程加速，国内燃料电池产业发展还缺乏关键材料基础，要打破国外的长期技术垄断，实现关键材料的国产化突围是必然的选项，需要加大对燃料电池关键材料产业化的研发投入，带动新材料、新能源、汽车高端装备制造成长，才能促进燃料电池产业化良好发展。

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