“以獎代補”政策鼓勵在十四五期間，電堆、膜電極、雙極板、質子交換膜、催化劑、碳紙、空氣壓縮機、氫氣循環系統等領域取得突破并實現產業化。

在關鍵材料中，截至目前，除膜電極外，其他距產業化均還有一段路要走。膜電極作為核心材料，國產產品已經占據市場主流；質子交換膜、催化劑、碳紙的國產化應用占總體應用遠未形成有效比例，其中質子交換膜和碳紙尤為嚴重，遠遠低于其他燃料電池關鍵零部件水平。

燃料電池關鍵材料在國產化方面為什么會有如此大的差異？目前這幾大材料在技術上處于什么水平，還面臨哪些挑戰？在2023高工氫電年會上，相關企業分享了他們的見聞與所思所想。

膜電極：產能飽滿，技術仍有挑戰

膜電極是燃料電池商業化應用的核心技術，對燃料電池的性能與壽命起到關鍵作用，重要性不言而喻。產能供應上，國內膜電極現有產能在滿產狀態下已基本可以滿足年產50000臺燃料電池汽車所需，部分膜電極廠商還已經在進軍海外市場。

技術層面，現階段國產膜電極的功率密度等技術指標直逼全球頂尖水平。比如鴻基創能批量出貨的膜電極壽命2萬小時以上；公司下一代產品功率密度可以達到1.8 W/cm?—2 W/cm?，這款產品預計將在明年開始形成批量供貨。

膜電極占燃料電池成本的60%以上，因此其降本力度仍備受關注。近幾年來，隨著國產膜電極技術和產能的提升，逐漸擠占進口膜電極的份額，膜電極成本明顯降低，且已有企業制訂出2023年實現膜電極價格達到480元/kW、到2025年目標實現300元/kW的降本路線。

雖然現階段國產膜電極的應用在增多且在降本上頗有成效，但整體仍面臨一些挑戰：比如部分核心材料質子交換膜、催化劑載體和離聚物等仍然依賴進口，這類基礎材料的國產程度與國際水平差距還較大，是產品迭代、成本下降的重要影響因素。另外，膜電極在性能、價格、耐久性方面存在“不可能三角”，在助力燃料電池與現有燃油車進行抗衡上還有一段距離要走。

該如何進行突破？業界認為路徑有這幾點：1）開發高性能、高耐久合金催化劑；2）優化催化劑載體和催化劑層微結構；3）開發高透氧離聚物；4）開發高導電，高耐久質子交換膜；5）開發膜電極批量化制備工藝和設備；6）開發低成本、高可靠性膜電極封裝方式。

目前，多家企業在積極從多個維度展開破局。比如鴻基創能開發了國際領先的CCM陰陽極雙面直接涂布技術、膜電極一體化成型技術、膜電極自動化快速封裝技術，結合精益制造提升產品一致性及良率，實現了卓越性能及極具競爭力的成本。擎動科技針對國內市場開發了高性能高耐久Pt/C催化劑及其載體；精準控制漿料中離聚物的形態，優化催化劑層微結構，開發了高性能長耐久膜電極；開發了膜電極自動化封裝產線，提升生產效率開發等。

質子交換膜：國產品牌吹響“突圍哨”

質子交換膜（PEM）也稱為質子膜或氫離子交換膜，被譽為是燃料電池的芯片，其性能的好壞直接決定著燃料電池的性能和使用壽命。目前，質子交換膜仍是燃料電池核心材料中國產化應用較低的一環，并且在國外采購上也是“一家獨大”。

出現這種局面，源于質子交換膜技術仍存在工藝周期長、工藝復雜、成膜的成本高等難點。不過現階段，已經有企業在推進質子交換膜的國產化突圍。

比如清馳科技，其通過制備和組合不同特性的分散液、添加劑和骨架膜，達到PEM的機械、極化和耐久性能全面對標進口競品，實現對原料和成品質量的過程控制，具備成本和供應優勢。

東岳未來氫能基于全產業鏈優勢，通過對樹脂和質子膜的結構調控和界面協調，也開發針對不同應用場景的全氟質子膜。元雋氫能主打的12μm質子交換膜正式完成批量化交付，在產品性能、質量一致性方面得到大幅提升，現在公司8μm質子交換膜也已完成中試，已進行客戶端驗證，預計在2024年全面推向市場，形成新一代低成本、高性能質子交換膜。

另外，漢丞科技增強型全氟磺酸質子交換膜也正在加快推進與國內主流膜電極、電堆企業的測試驗證。科百特推出的質子交換膜，質量與性能也得到市場認可。

整體看，質子交換膜的國產化勢力在快速崛起。國內的質子交換膜企業正在用實際行動縮短與進口品牌的差距。

碳紙：導熱問題是個技術難點

碳紙（炭紙）是燃料電池氣體擴散層的主要基材，將碳纖維做成碳紙的過程也是氣體擴散層生產的核心難點之一，需滿足材料多孔可控、導熱及導電性優良、具備一定的機械強度、憎水性強以及高度防腐蝕等多重性能要求。長期以來，國產碳紙一直處于“卡脖子”階段，也是燃料電池“八大件”中國產化率最低的一個環節。它到底難在哪里？

就制造工藝來說，在整個燃料電池產業鏈中，碳紙的制造工藝其實是最復雜的；而且碳紙是碳化的樹脂結構，它的導熱性是比較差的，并且隨著燃料電池功率往上提，這種問題會更嚴重，加大整體技術難度。

“前一段時間我看到這樣一個數據，所有在跑的出現故障的車輛里面，大概一半的原因是電堆過熱發生故障，這說明導熱的問題不次于導電的問題，而追究原因，碳紙是一個重要因素。”驪能新能源總經理程立明博士表示。

影響碳紙耐久性的因素有三個：其一是，碳紙碳材料在高電位、啟停、大電流等工況下會發生電化學腐蝕；其二是，碳紙碳材料在沖擊載荷、振動和氣壓變化產生的循環應力下，基材受到流道脊剪切應力，導致MPL裂紋、MPL與基材脫離分層，破壞了碳紙主體結構；其三是，多次交變高低溫循環后，由于基材與MPL的體積膨脹率不同，MPL的裂縫寬度和長度明顯增加。表面接觸角從142度降低到125度，疏水性降低。

該如何提升碳紙的耐久性？業界認為一般有三個方面：1）提高碳紙的機械強度；2）孔徑和孔徑分布可控，實現有序化；3）高功率密度高耐久要求下的MPL技術。現在國內已有企業在“解題”耐久性。比如驪能新能源已經開發出滿足高功率密度和長耐久性需求的GDL擴散層產品，產品可應用于2w/c㎡以上高功率密度電堆，產品壽命在原有基礎上提高2.2倍以上。

環視整個燃料電池碳紙賽道，目前已經有越來越多企業加入國產化的“戰局”。比如仁豐特材依托強大的綜合實力，是國內首家從短切碳纖維原料起，布局包括制漿、抄造、涂膠、熱壓、碳化、石墨化、疏水層涂布、微孔層涂布、燒結全鏈生產，到卷對卷產品規模化生產的全鏈條的GDL供應商。目前公司在產品研發、市場開拓、產能建設等方面均取得了顯著成效。上海碳際、中國紙院、金博股份、上海嘉資、上海河森電氣等企業也都在推進碳紙產品的研發生產。

多方企業加速追趕的局勢下，相信碳紙的國產化壁壘與技術難題很快會被攻克。