燃料电池用高性能碳纤维纸发展现状及市场分析

李志强，王发阳，李广斌

（1.连云港市工业投资集团有限公司，江苏 连云港 222000；2.连云港纤维新材料研究院有限公司，江苏 连云港 222000）

随着世界经济的大发展，各领域对能源的需求量大大增加。虽然煤炭、石油、天然气和水能、核能仍然是全世界的主要能源，而化石能源作为不可生资源[1]，根据已探明储量，世界煤炭资源可开采年限为155年左右，天然气为60年左右，石油为40年左右，并且化石能源使用所产生的氮氧化物、硫化物等对环境的污染非常严重。因此，清洁、高效的新能源是未来能源领域的开发趋势。燃料电池是以氢、甲醇等为原料在电池电极发生氧化还原反应持续供电的装置，因其具有高功率密度、高能量转换率、无污染、启动速度快、体积轻巧等优良特性，主要被用于新能源汽车、水下推进器、移动电源等领域，受到了各国研究工作者的关注[2]。

作为燃料电池组成部分，气体扩散层所具有的作用主要包括传递反应所需要的气体、排出反应产物水、传输电能，另外，气体扩散层还可用于支撑催化剂层[3]。目前用于制备燃料电池气体扩散层的材料主要包括碳纤维布、高性能碳纤维纸及碳纤维毡等[1]，而碳纤维纸因具有优良导电性、孔隙率高、轻量化、耐高温、耐腐蚀等优点[4]，成为组成燃料电池气体扩散层的优选。

1 国内外碳纤维纸的发展现状

国外机构对于碳纤维纸的研究起步较早，工艺较成熟，性能较好。目前，可以批量生产且能满足燃料电池气体扩散层要求的高性能碳纤维纸生产企业主要包括日本东丽公司、德国SGL公司以及加拿大BallardMaterial Products公司等[5]。为解决能源危机，开发新能源，我国对于燃料电池的发展越来越重视。

与国外相比，我国在碳纤维纸领域的研究较为落后，虽然在“八五”期间，我国就有过碳纤维纸的研究，但仅限于实验室阶段，且产品性能无法达到相关要求[6]。目前，我国尚未实现高性能碳纤维纸产业化，国内开发燃料电池所用气体扩散层材料大多来源于日本东丽公司生产的碳纤维纸。由于碳纤维复合材料被各国列为战略性资源，技术封锁较为严格，且价格高昂，如日本东丽高性能碳纤维纸目前市场上的价格约为500美元/m2，且国外对我国的碳纸出口控制非常严格，不仅出售价格高而且购买较困难，进口量根本无法满足我国需求。因此，研究开发具有自主知识产权的高性能碳纤维纸材料对于打破国外垄断具有重要的战略意义和现实意义。

2 高性能碳纤维纸的制备工艺

高性能碳纤维纸的制备工艺主要包括湿法工艺和干法工艺。湿法成型制备高性能碳纤维纸是以水为介质，以碳纤维为主要原料通过斜网成型制备成碳纤维原纸，并经树脂浸渍，高温热压及炭化等工艺制备而成[7]。经湿法成型工艺加工的碳纤维纸具有良好的均匀性和致密的结构，适合加工成燃料电池用气体扩散层材料，是国外燃料电池用高性能碳纤维纸普遍采用的生产方式。干法成型是近年来发展较快的成型工艺，该工艺是以空气为介质，采用气流成网工艺加工成原纸，并经涂胶、干燥、碳化等后道工艺加工制备而成[8]。该工艺制备的碳纤维纸碳纤维含量较高，产品强度较高，由于干法工艺所采用纤维较长，导致产品匀度较差[3]。

3 燃料电池用高性能碳纤维纸的市场前景

3.1 国内外燃料电池汽车发展趋势

据统计，自2013年燃料电池实现商业化至2017年年底，全球共售出6 475辆燃料电池汽车，其中2013—2016年全球共售出氢燃料电池汽车3 000辆，2017年3 475辆。2017年燃料电池商务专车的销售量为1 500辆，仅中国就占了1 272辆，占比达85%，而2016年该产量仅为629辆。另外据统计，2018年1—5月，国内共产出氢燃料电池客车173辆，仅5月就达116辆，2016年同期产量仅为10辆，可见氢燃料电池发展之迅速。目前，国内已经开展氢燃料电池汽车试点运营的项目，几乎都集中在商用车领域，例如上汽大通的轻客FCV80，已经在佛山、上海和大连抚顺展开固定路线载客运营。预计到2018年，燃料汽车产出规模将在3 000～5 000辆。根据《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书（2016）》发展规划，到2020年，我国氢燃料电池汽车产量将达10 000辆，氢能轨道交通车辆达到50列；到2030年，燃料电池车辆保有量达到200万辆；到2050年，燃料电池车辆保有量达到1 000万辆。另外，《中国制造2025》明确提出燃料电池汽车发展规划，将发展氢燃料电池的发展提升到了战略高度。燃料电池汽车在中国具有非常大的发展前景和市场空间。

3.2 国内燃料电池发展趋势

燃料是电池汽车的核心部件之一，燃料电池高昂的成本一直是制约国内外燃料电池汽车发展的重要因素。据估计，一套燃料电池系统的成本约占整车成本的60%，因此，开发燃料电池降低生产成本是新能源领域重点发展方向之一。我国燃料电池发展迅速，2018年5月8日，爱德曼计划投资30亿元开发年产8万台燃料电池项目落户南海，达产后预计产值达200亿元。而佛山（云浮）产业转移工业园正大力引进企业，构建氢能及燃料电池产业体系，截止到2018年4月，已成功引进氢能核心企业16家，投资总额超50亿元。2018年8月29日，潍柴动力宣布将投资1.63亿美元认购全球氢燃料电池领军企业加拿大巴拉德动力系统有限公司19.9%的股份，并成为巴拉德第一大股东，在山东成立合资公司研发制造氢燃料电池动力系统产品。

3.3 我国加氢站发展现状

燃料电池汽车作为发展方向，受到越来越多的重视。除技术、使用寿命、成本等因素外，氢源的供给是影响燃料电池汽车产业化推广的另一重要因素。目前，氢燃料电池汽车采用的是车载纯氢装置，与燃油汽车一样需要氢燃料的供应，一般燃料汽车的里程为（300～500）km，必须有加氢站供氢来定点补充能源，加氢站的建设就成了推广燃料电池汽车的关键之一。截至2017年年底，全球在营加氢站数量为328座，主要分布在日本等国家，而中国共有加氢站9座，运营中6座，严重制约了我国燃料电池汽车的发展。为发展我国新能源市场，国家出台了相关规划及政策，2016年国家工业和信息化部在《节能与新能源汽车路线》中规划，到2020年，将建成加氢站100座；2025年，建成配套350座加氢站；2030年，加氢站规模有望达到1 000座。

3.4 国家对于新能源汽车政策

《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》提出，要系统推进燃料电池汽车研发与产业化，到2020年，实现燃料电池汽车批量生产和规模化示范应用。除此之外，国家对于新能源汽车的补贴力度也非常大，例如上汽大通FC V80型号商务新能源轻客，该车官方指导价格为130万元，其中，政府最高补贴金额可达100万元，实际的购买价格为30万元左右，国家对于燃料电池能源汽车推广的扶持力度可见一斑。

4 结语

我国燃料电池汽车市场前景广阔，市场空间巨大，而高性能碳纤维纸因具有优良的特性成为制备燃料电池气体扩散层材料的首选，因此，未来对于高性能碳纤维纸的需求量非常大，具有非常好的经济效益。由于目前燃料电池所用气体扩散层碳纤维纸几乎全部来自国外，无论是从成本还是数量上都远不能满足需求，严重制约了我国新能源技术的发展，应大力开发具有自主产权的高性能碳纤维纸标准并实现产品产业化，对于降低燃料汽车生产成本、打破国外垄断、提高我国在高新技术领域的市场竞争力具有非常重要的意义。