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国产质子交换膜迈步崛起

作者:中国储能网新闻中心 来源:高工氢电 发布时间:2022-01-19 浏览:

中国储能网讯:质子交换膜的国产化仍在加速,同时其作为燃料电池核心材料的重要性也在不断凸显。

1月上旬,五部委启动河南、河北新一批燃料电池汽车示范应用工作,山东淄博成为唯一一个横跨五大示范城市群的参与城市,东岳未来氢能材料有限公司(下称“东岳未来氢能”)也成为唯一一家同时进入五大示范城市群的企业,可见质子交换膜在燃料电池国产化过程中的地位。

除了东岳未来氢能,近期国电投氢能、中科院上海有机所、泛亚微透等多家企业都在质子交换膜上发力。其中,国电投氢能子公司30万m²质子交换膜产线投产;泛亚微透联合21家机构及个人设立合资公司投资建设 ePTFE 功能膜项目;中科院上海有机所与氢通新能源达成战略合作,发力高温质子交换膜材料。国产质子交换膜正在加速崛起。

质子交换膜的重要性

膜电极组件是氢燃料电池最为核心的组成部分,而由质子交换膜、催化层和气体扩散层三者构成的膜电极组件则相当于燃料电池的心脏。质子交换膜、催化层和气体扩散层这三大核心材料,决定着氢燃料电池的寿命和性能,在很大程度上,也是支撑着整座“大厦”的地基。

在组成膜电极的三大材料中,质子交换膜的主要功能是传输质子,分隔反应气体以及电子绝缘。它负责“把门”,把质子放过去,把电子、氢分子和水分子拦下来,是不可或缺的关键材料,相当于燃料电池的“芯片”,其性能直接影响燃料电池的稳定性和耐久性。

由于氢燃料电池的这一工作原理,使得质子交换膜必须具备以下几个特性:电导率高(高选择离子导电而非电子导电)、化学稳定好(耐酸碱和抗氧化还原能力)、热稳定性好、良好的机械性能(强度和柔韧性)、透气率低和水的电渗透系数小。

以上这些特性也决定了质子交换膜制造工艺的复杂性。

从膜的结构来看,PEM大致可分为三大类:磺化聚合物膜,复合膜,无机酸掺杂膜。目前研究的PEM材料主要是磺化聚合物电解质,按照聚合物的含氟量可分为全氟磺酸质子交换膜、部分氟化质子交换膜以及非氟质子交换膜等。

现阶段,只有全氟磺酸质子交换膜成熟应用于车用燃料电池领域,而东岳未来氢能背靠东岳集团可以实现质子交换膜核心材料——全氟磺酸树脂的自主化供应,这也是其能在一众国产质子交换膜企业中突围而出,成功跻身5大示范城市群的主要原因之一。

国产品牌崛起

质子交换膜的重要性不言而喻,但是要做好车用燃料电池的质子交换膜并不简单。

“目前车用质子交换膜逐渐趋于薄型化,由最开始的几十微米降低到如今几微米,这样能降低质子传递的欧姆极化,以达到较高的性能。”国内一家膜电极企业的高层认为,质子交换膜薄型化有利于减少燃料电池的体积,提升功率密度和性能。

与此同时,薄型化膜的使用给耐久性带来了挑战,尤其是均质膜在长时间运行会出现机械损伤与化学降解。在车辆工况下,操作压力、干湿度、温度等操作条件的动态变化会加剧这种衰减,膜越轻薄,难度系数也就越高。

此外,质子交换膜的难点还在于工艺周期长、工艺复杂、成膜的成本高。

现阶段世界上最大的质子交换膜供应商戈尔量产的产品能做到8微米及以下,国产品牌距离进口尚存一定的差距。可喜的是,随着更多的国产质子交换膜企业的加入,这种差距正在不断缩小。

在过去的一年里,国内除了东岳未来氢能有较大批量的交付商用,并试图往更薄型化的方向进阶,科润新材料、浙江汉丞等企业也实现了小批量的供货,浙江汉丞已经开发出10-12微米的质子交换膜产品。

另一方面,国产质子交换膜的产能也在不断扩建中,东岳未来氢能150万m²质子交换膜生产基地一期工程在去年就已经投产开建;浙江汉丞已经建成了年产30万m²的质子交换膜生产线,未来还将扩建至100万m²;国电投氢能旗下的武汉绿动年产30万m²的质子交换膜生产线在2021年12月初建成投产。

整体上看,质子交换膜的国产化正在稳步向前推进,价格是最大优势,国产价格比进口产品要低30%-50%。随着稳定性和可靠性提升,在未来氢城示范的时间窗口,国产质子交换膜将会逐渐成为主流。

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