作为燃料电池核心材料之一的气体扩散层又向国产化的方向迈进了一大步。

4月下旬，上海碳际方面对外表示，公司已实现了碳纸与气体扩散层的量产线投产。除上海碳际外，截至目前，国内已有通用氢能、仁丰特材、上海嘉资、金博氢能、武汉绿动等多家公司布局碳纸和气体扩散层产品，试图打通燃料电池核心材料国产化的最后一道关卡。

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中国本土企业发力碳纸的过程中主要面临哪些挑战？除了近期上马量产线的上海碳际以外，国内主要的碳纸及气体扩散层企业又有哪些新进展？本文试图解答这些问题，以供业界参考。

打通碳纤维到碳纸工艺是关键

在燃料电池中，气体扩散层（GDL）位于流场和催化层之间，其作用是支撑催化层、稳定电极结构，并具有质/热/电的传递功能，同时为电极反应提供气体、质子、电子和水等多个通道，通常 GDL 厚度为 100~400μm。因此，GDL 必须具备良好的机械强度、合适的孔结构、良好的导电性、以及较高的稳定性。

从气体扩散层的结构及制造过程来看，GDL 通常由基底层（GDB）和微孔层（MPL）组成，基底层经过疏水处理后（浸渍聚四氟乙烯溶液+高温烧结），在其上涂覆单层或多层微孔层，从而制成气体扩散层。基底层（GDB）通常由碳纤维辅以黏合剂，经抄纸工艺而制得的纸状材料，其直接与双极板接触；微孔层（MPL）由碳基粉末和憎水剂混合而成，采用丝网印刷、喷涂或涂布方式将其涂覆到基底层表面，经过高温固化，得到微孔层，其直接与催化层接触。

“气体扩散层的制造过程中，打通碳纤维到碳纸环节的工艺是关键，也是难点。”国内一家气体扩散层生产商表示，碳纸生产工艺方面，分散、碳化及高温石墨化是核心。其中，短切碳纤维分散效果的好坏直接影响到基底层（GDB）的均匀性，从而影响燃料电池性能，并且碳化好坏影响扩散层的机械强度和传质效果。

碳纸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。

当前气体扩散层技术创新方向主要集中在提高碳纸基底层的机械强度、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。国内还积极推进高温石墨化设备的全面本土制造，加快推进气体扩散层的产业化进程。

“如果单看产品的技术指标，国产的碳纸和气体扩散层跟进口之间的差距已经很小了，差距主要体现在批次的一致性上。”一家头部膜电极企业高层告诉高工氢电，气体扩散层的国产化难度不是特别大，主要难点在工程化上。国内气体扩散层企业发展时间短，还缺乏充分的验证，特别是针对不同工况的应用欠缺经验和数据积累，最关键是要解决供应链管理和质量控制这两大核心问题。

国内企业加紧备战 抢占市场先机

现阶段，主流的燃料电池生产商基本上采用日本东丽、美国Avcarb、德国SGL等厂商的气体扩散层产品，其中日本东丽、美国Avcarb占据较大的市场份额。由于东丽和SGL的产品价值链始于自己生产的碳纤维碳纸，一直延申到微孔层MPL涂布，二者都具备深厚的基础碳材料开发和规模化生产能力。

随着中国成为全球最大的氢燃料电池汽车市场，国内对于气体扩散层及碳纸的需求也在快速增加，国内外企业都在加快产能扩张和产品的验证。

“我们的气体扩散层产品已经通过了国家强检，并形成小批量出货。目前国内多家膜电极和电堆企业正在测试验证。”通用氢能常务副总兼总工尧克光表示，公司已在天津建成了年产100万㎡的气体扩散层生产线，近期产品已经被国内一家头部燃料电池企业在新款产品上采用，预计在今年下半年可正式实现装车验证。

“我们公司的气体扩散层产品（TANJI HP21）目前已达到稳定量产状态，通过了业内权威机构的检验检测，和国内自主技术领先的客户的验证，已实现多批次的成卷交付。”上海碳际创始人姜永燚表示，上海碳际正着力打造五大连续量产线，涵盖高精密浸胶挤胶线、连续热处理线、多级连续均衡模压线、碳化石墨化线和精密无损涂敷线，未来可实现碳纸年产能40万㎡、气体扩散层年产能30万㎡。

国内领先的特种纸材料骨干生产企业仁丰特材也在碳纸方面取得了较大的突破，公司于2021年在山东开始设计和建设150万㎡/年 GDL生产线，目前已经完成一期50万㎡产线建设；公司控股子公司上海碳动还计划今年在上海临港上马一条100万㎡/年 GDL生产线。仁丰特材也是国内为数不多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。

除了初创企业，上市公司也在加紧布局碳纸和气体扩散层产品。

4月25日，金博股份在回答投资者提问时提到，全资子公司金博氢能已完成从碳纸原纸湿法成型到石墨化的全工艺链开发，片状碳纸已经实现量产，已经得到膜电极和电堆头部企业验证，将根据下游客户的需求分别提供碳纸或气体扩散层产品。

“虽然国产气体扩散层还没有实现批量装车应用，但是其国产化进程的加快也让外资品牌感到了压力，价格上体现得最为明显。”国内一家膜电极高层表示，目前进口气体扩散层的价格已经降到500元/㎡左右，示范期内至少还有60%以上的降本空间。

国家政策支持也将加快气体扩散层的国产化替代步伐。按照示范期的补贴政策，投入运营的氢燃料电池汽车中导入国产气体扩散层可以获得0.3分的奖励。随着验证的日渐成熟，2023年有望成为气体扩散层批量装车应用的元年。

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