作為膜電極核心材料之一的質(zhì)子交換膜正在加速開啟國產(chǎn)化的進(jìn)程。

前不久，山東東岳未來氫能材料有限公司150萬平方米燃料電池膜及配套化學(xué)品產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目正在加緊建設(shè)中，作為國內(nèi)質(zhì)子交換膜領(lǐng)域龍頭，東岳是國內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)質(zhì)子交換膜批量供貨的公司。

然而，從國內(nèi)已經(jīng)裝車運(yùn)行的燃料電池來看，國產(chǎn)質(zhì)子交換膜的用量有限，進(jìn)口產(chǎn)品依然是主導(dǎo)。

“從產(chǎn)品的穩(wěn)定性、一致性和耐久度來看，進(jìn)口的質(zhì)子交換膜更有優(yōu)勢?！眹鴥?nèi)一家膜電極生產(chǎn)企業(yè)創(chuàng)始人告訴高工氫電，目前，國內(nèi)的膜電極企業(yè)還是更青睞進(jìn)口的產(chǎn)品，即使是花更多的采購成本。

盡管東岳在質(zhì)子交換膜生產(chǎn)技術(shù)上取得的重大突破，但是并不能掩蓋中國的氫燃料電池產(chǎn)業(yè)在產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同不夠成熟的現(xiàn)實(shí)，實(shí)現(xiàn)質(zhì)子交換膜量產(chǎn)只是第一步，想要得到下游膜電極和電堆廠商的廣泛認(rèn)同，還有很長一段路要走。

那么，又是什么原因讓國內(nèi)膜電極企業(yè)更青睞進(jìn)口質(zhì)子交換膜材料？國產(chǎn)質(zhì)子交換膜進(jìn)展程度如何？

質(zhì)子交換膜是膜電極的核心材料

膜電極組件是氫燃料電池最為核心的組成部分，而由質(zhì)子交換膜、催化層和氣體擴(kuò)散層三者構(gòu)成的膜電極組件則相當(dāng)于燃料電池的心臟。質(zhì)子交換膜、催化層和氣體擴(kuò)散層這三大核心材料，決定著氫燃料電池的壽命和性能，在很大程度上，也是支撐著整座“大廈”的地基。

在組成膜電極的三大材料中，質(zhì)子交換膜的主要功能是傳輸質(zhì)子，分隔反應(yīng)氣體以及電子絕緣。它負(fù)責(zé)“把門”，把質(zhì)子放過去，把電子、氫分子和水分子攔下來，是不可或缺的關(guān)鍵材料，其性能直接影響燃料電池的穩(wěn)定性和耐久性。

由于氫燃料電池的這一工作原理，使得質(zhì)子交換膜必須具備以下幾個(gè)特性：電導(dǎo)率高（高選擇離子導(dǎo)電而非電子導(dǎo)電）、化學(xué)穩(wěn)定好（耐酸堿和抗氧化還原能力）、熱穩(wěn)定性好、良好的機(jī)械性能（強(qiáng)度和柔韌性）、透氣率低和水的電滲透系數(shù)小。

以上這些特性也決定了質(zhì)子交換膜制造工藝的復(fù)雜性。

從膜的結(jié)構(gòu)來看，PEM大致可分為三大類：磺化聚合物膜，復(fù)合膜，無機(jī)酸摻雜膜。目前研究的PEM材料主要是磺化聚合物電解質(zhì)，按照聚合物的含氟量可分為全氟磺酸質(zhì)子交換膜、部分氟化質(zhì)子交換膜以及非氟質(zhì)子交換膜等。

目前，只有全氟磺酸質(zhì)子交換膜成熟應(yīng)用于車用燃料電池。

7微米的差別國產(chǎn)跟進(jìn)口至少5年的差距

質(zhì)子交換膜的重要性不言而喻，但是要做好車用燃料電池的質(zhì)子交換膜并不簡單。

“目前車用質(zhì)子交換膜逐漸趨于薄型化，由先前的幾十微米降低到幾微米，這樣能降低質(zhì)子傳遞的歐姆極化，以達(dá)到較高的性能。”國內(nèi)一家質(zhì)子交換膜企業(yè)的高層認(rèn)為，質(zhì)子交換膜薄型化有利于減少燃料電池的體積，提升性能。

“但是這種薄型化膜的使用給耐久性帶來了挑戰(zhàn)，尤其是均質(zhì)膜在長時(shí)間運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)機(jī)械損傷與化學(xué)降解。”上述人士認(rèn)為，在車輛工況下，操作壓力、干濕度、溫度等操作條件的動(dòng)態(tài)變化會(huì)加劇這種衰減，膜越輕薄，難度系數(shù)也就越高

此外，全氟物質(zhì)的合成和磺化都非常困難，而且在成膜過程中的水解、磺化容易使聚合物變性、降解，使得成膜困難，導(dǎo)致成本較高。

值得注意的是，質(zhì)子交換膜的難點(diǎn)還在于工藝周期長、工藝復(fù)雜、成膜的成本高。

“目前國內(nèi)的質(zhì)子交換膜做的最成熟的企業(yè)是東岳，但以東岳的工藝現(xiàn)階段只能做到15微米，現(xiàn)階段世界上最大的質(zhì)子交換膜供應(yīng)商戈?duì)柫慨a(chǎn)的產(chǎn)品能做到8微米，差距頗大。”一位不愿具名的膜電極企業(yè)負(fù)責(zé)人告訴高工氫電，豐田在2014年的量產(chǎn)車型上使用的就是12微米的質(zhì)子交換膜，國內(nèi)至今難以達(dá)到豐田5年前的水平。

另一方面，質(zhì)子交換膜燃料電池最核心的技術(shù)材料——全氟磺酸樹脂，幾乎完全依賴進(jìn)口。能夠批量商業(yè)化的全氟磺酸樹脂基本被美國杜邦、德國索爾維（SOLVAY）和日本的旭化成等少數(shù)幾家公司所壟斷，東岳也正是憑借自產(chǎn)全氟磺酸樹脂才能在眾強(qiáng)林立的質(zhì)子交換膜領(lǐng)域殺出一條路。

目前看來，價(jià)格是國產(chǎn)質(zhì)子交換膜最大的優(yōu)勢，據(jù)相關(guān)膜電極公司的采購人員透露，國產(chǎn)的價(jià)格比進(jìn)口的價(jià)格要低30%到40%左右，但是考慮到穩(wěn)定性和可靠性，在當(dāng)前整個(gè)市場用量不高的背景下，進(jìn)口膜依然是主導(dǎo)。

那么，國內(nèi)外做質(zhì)子交換膜的企業(yè)有哪些？這些公司目前的進(jìn)展如何？且看下文繼續(xù)分析。

東岳集團(tuán)：車用質(zhì)子交換膜國產(chǎn)化先鋒

目前，國內(nèi)山東東岳集團(tuán)的質(zhì)子交換膜技術(shù)最成熟，東岳同時(shí)也是唯一一家通過AFCC技術(shù)鑒定的企業(yè)，且是繼戈?duì)?、科慕兩家外國企業(yè)之后國內(nèi)市場占比最大的企業(yè)，并對國內(nèi)實(shí)現(xiàn)批量供貨。

2004年，東岳集團(tuán)聯(lián)合上海交通大學(xué)研發(fā)出質(zhì)子交換膜，經(jīng)日本豐田公司和德國Fuma.Tch公司分別檢測，東岳公司生產(chǎn)的質(zhì)子交換膜性能出色不遜于同類產(chǎn)品。

2014年，東岳集團(tuán)的質(zhì)子交換膜僅800小時(shí)壽命；2015年，壽命達(dá)到2000小時(shí)；2016年，成功突破6000小時(shí)。

2016年，東岳膜DF260就已經(jīng)應(yīng)用于奔馳、福特公司第一批量產(chǎn)燃料電池汽車，之后更是成功開發(fā)了三種新樣品并且已經(jīng)進(jìn)入批量化試產(chǎn)階段。

目前，東岳DF260膜技術(shù)已經(jīng)成熟并已定型量產(chǎn)，東岳DF260膜厚度做到15um，在OCV情況下，耐久性大于600小時(shí)；膜運(yùn)行時(shí)間超過6000小時(shí)；在干濕循環(huán)和機(jī)械穩(wěn)定性方面，循環(huán)次數(shù)都超過2萬次。

近期，山東東岳未來氫能材料有限公司150萬平方米燃料電池膜及配套化學(xué)品產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目正在加緊建設(shè)中，且東岳集團(tuán)已建成年產(chǎn)50噸燃料電池離子膜所需要的全氟磺酸樹脂生產(chǎn)裝置，可滿足2.5萬輛電動(dòng)汽車的離子膜所需。

江蘇科潤：鋼帶流延法批量供貨

江蘇科潤膜材料有限公司是繼東岳之后又一家能實(shí)現(xiàn)小批量供貨的質(zhì)子交換膜制造商。據(jù)其官網(wǎng)介紹，目前公司擁有16項(xiàng)全氟離子膜方面的技術(shù)專利（其中一項(xiàng)PCT國際專利），科潤采用鋼帶流延法批量生產(chǎn)全氟離子膜。

據(jù)了解，科潤目前擁有萬級無塵恒溫恒濕車間、兩條全氟離子膜生產(chǎn)線，全氟離子膜產(chǎn)能達(dá)30萬平米，主要用于釩電池、燃料電池、電解水制氫等領(lǐng)域，其全氟磺酸質(zhì)子交換膜已經(jīng)應(yīng)用在叉車等商用車上。

國外主要企業(yè)：

戈?duì)柺擒囉觅|(zhì)子交換膜行業(yè)的領(lǐng)頭羊

即便東岳在國內(nèi)企業(yè)中一枝獨(dú)秀，但是和國外先進(jìn)企業(yè)相比還有一定的差距。

根據(jù)美國能源部（DOE）的數(shù)據(jù)，目前市場上最優(yōu)的質(zhì)子交換膜性能在某些方面已經(jīng)達(dá)到或超過DOE2020年的目標(biāo)，機(jī)械耐久性達(dá)到了23000次，化學(xué)耐久性達(dá)到742小時(shí)，戈?duì)柺瞧渲凶顑?yōu)秀的代表。

在車用燃料電池質(zhì)子交換膜領(lǐng)域，戈?duì)杽?chuàng)造性地發(fā)明ePTFE(膨體聚四氟乙烯)的專有增強(qiáng)膜技術(shù)，所以核心產(chǎn)品GORE-SELECT®PEM具有超薄、耐用、高功率密度的特性，與全球領(lǐng)先的新能源汽車制造商和燃料電池公司有著廣泛而深入的合作。豐田MIRAI、現(xiàn)代NEXO和本田CLARITY等都采用戈?duì)柈a(chǎn)品，被認(rèn)為是滿足汽車應(yīng)用挑戰(zhàn)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

從產(chǎn)品來看，戈?duì)栐鰪?qiáng)型質(zhì)子交換膜每年出貨量達(dá)幾十萬平米，且逐年遞增中。目前公司出貨量較多的是18μm、15μm的質(zhì)子交換膜。在超薄膜應(yīng)用提速的形勢下，戈?duì)?μm超薄膜也得到客戶的好評。雖然超薄膜技術(shù)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于同行，但戈?duì)枌?shí)驗(yàn)室里已經(jīng)儲(chǔ)備了5μm乃至更薄膜的技術(shù)能力，正等待合適的產(chǎn)業(yè)化時(shí)機(jī)。

客戶方面，國內(nèi)新源動(dòng)力和東方電氣等近來推出的燃料電池電堆都采用了戈?duì)柟镜腉ORE-SELECT質(zhì)子交換膜。

從下游應(yīng)用來看，20多年來，戈?duì)柕谋∧ぴ陬I(lǐng)先的整車廠以及全球數(shù)以萬計(jì)的車輛(包括乘用車、商用車、叉車等)、無人機(jī)、便攜式和固定式發(fā)電、儲(chǔ)能等應(yīng)用中已經(jīng)得到廣泛驗(yàn)證。

科慕化學(xué)：源于杜邦Nafion系列膜開拓者

事實(shí)上，杜邦是全球最早開發(fā)并銷售質(zhì)子交換膜的企業(yè)，其Nafion膜也是全球使用最廣泛的，但它并未推出新產(chǎn)品在車載燃料電池中使用，戈?duì)柪闷湓鰪?qiáng)型質(zhì)子膜的優(yōu)異性能很快占領(lǐng)并席卷全球85%左右的市場。

但是杜邦也并未眼睜睜看著車載質(zhì)子膜的市場從自己手中溜走，2015年7月，杜邦進(jìn)行拆分，拆分出來的科慕化學(xué)成為一家獨(dú)立運(yùn)營的上市公司。

科慕在鈦白科技、氟產(chǎn)品和特殊化學(xué)品等三個(gè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域是全球領(lǐng)導(dǎo)者，并最早的Nafion膜開發(fā)企業(yè)，目前致力于車載質(zhì)子膜的開發(fā)，新品NC700已經(jīng)發(fā)布。

據(jù)資料顯示，美國科慕Nafion質(zhì)子交換膜價(jià)格為120美元/kW，相比戈?duì)?，在價(jià)格上有一定優(yōu)勢，但是根據(jù)行業(yè)人士透露，科慕的Nafion系列膜，產(chǎn)品市場競爭力較弱，其厚度并不適合動(dòng)力領(lǐng)域。

國外的質(zhì)子交換膜公司除了美國的戈?duì)柡涂颇交瘜W(xué)以外，還有日本的旭化成、比利時(shí)的Solvay、加拿大的巴拉德、德國的巴斯夫等，但是這些企業(yè)的在車用燃料電池領(lǐng)域的出貨量都不大。

總體來看，在車用燃料電池的質(zhì)子交換膜領(lǐng)域，戈?duì)柟疽患要?dú)大，國內(nèi)東岳、科潤等公司開始崛起，東岳憑借十幾年的研發(fā)和經(jīng)驗(yàn)積累，成為最有希望挑戰(zhàn)進(jìn)口膜的民族企業(yè)，但是要打消國內(nèi)膜電極和電堆廠商的疑慮，還需要在薄型化和產(chǎn)品的一致性、耐久度上下功夫。