國內(nèi)最大質(zhì)子交換膜生產(chǎn)線正式投產(chǎn)

2021年12月5日，在武漢經(jīng)開區(qū)國家電投華中氫能產(chǎn)業(yè)基地，國內(nèi)目前最大的氫燃料電池質(zhì)子交換膜生產(chǎn)線正式投產(chǎn)。

據(jù)悉，該質(zhì)子交換膜生產(chǎn)線年產(chǎn)能達(dá)30萬平，是國內(nèi)首條全自動可控質(zhì)子交換膜生產(chǎn)線，打破了國內(nèi)質(zhì)子交換膜市場被國外廠家長期壟斷的局面，也是國家電投氫能公司在氫燃料電池材料級自主化道路上的重大突破。

質(zhì)子交換膜概念與原理

質(zhì)子交換膜（PEM，Proton Exchange Membrane or Polymer Electrolyte Membrane），又稱為聚合物電解質(zhì)薄膜。質(zhì)子交換膜是一種固態(tài)電解質(zhì)膜，其不僅在電解水技術(shù)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，同時也是質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）核心組成之一。質(zhì)子交換膜主要用來隔離兩極，傳遞質(zhì)子(H+)，其基本原理是氫離子與質(zhì)子交換膜上的磺酸基結(jié)合，然后從一個磺酸基到另一個磺酸基，最終傳遞到膜的另一端，電子以及陰離子則無法通過。


圖片來源于網(wǎng)絡(luò)

作為燃料電池和電解槽關(guān)鍵組件，質(zhì)子交換膜需要具備良好的質(zhì)子傳導(dǎo)率、較低的現(xiàn)階段主流的質(zhì)子交換膜方案是全氟磺酸質(zhì)子交換膜，其由碳氟主鏈和和帶有磺酸基團(tuán)的醚支鏈構(gòu)成。全氟磺酸質(zhì)子膜優(yōu)點(diǎn)在于機(jī)械強(qiáng)度高，化學(xué)穩(wěn)定性好，導(dǎo)電率較高，低溫時電流密度大，質(zhì)子傳導(dǎo)電阻小；但缺點(diǎn)是溫度升高使質(zhì)子傳導(dǎo)性能變差，易發(fā)生化學(xué)降解，成本也較高。

全氟磺酸型PEM由碳氟主鏈和帶有磺酸基團(tuán)的醚支鏈構(gòu)成，具有極高的化學(xué)穩(wěn)定性，目前應(yīng)用最廣泛。



圖片來源于網(wǎng)絡(luò)


全氟磺酸膜的優(yōu)點(diǎn)是：機(jī)械強(qiáng)度高，化學(xué)穩(wěn)定性好和在濕度大的條件下導(dǎo)電率高；低溫時電流密度大，質(zhì)子傳導(dǎo)電阻小。但是全氟磺酸質(zhì)子交換膜也存在一些缺點(diǎn)，如：溫度升高會引起質(zhì)子傳導(dǎo)性變差，高溫時膜易發(fā)生化學(xué)降解；單體合成困難，成本高；價格昂貴；用于甲醇燃料電池時易發(fā)生甲醇滲透等。


質(zhì)子交換膜下游應(yīng)用廣泛，氯堿工業(yè)、燃料電池、電解水制氫以及全釩液流電池中關(guān)鍵膜材料均為質(zhì)子交換膜。氯堿工業(yè)是重要的基礎(chǔ)化工部分，目前所用到的生產(chǎn)工藝幾乎都是離子膜法，質(zhì)子交換膜是關(guān)鍵部件。

國內(nèi)外質(zhì)子交換膜技術(shù)情況

質(zhì)子交換膜由于制備工藝復(fù)雜，長期被杜邦、戈爾、旭硝子等美國和日本少數(shù)廠家壟斷。杜邦是全球最早開發(fā)并銷售質(zhì)子交換膜的企業(yè)，早在1962年就開發(fā)出性能優(yōu)良的全氟磺酸型質(zhì)子交換膜，即Nafion系列產(chǎn)品，截至目前Nafion膜也是全球使用最廣泛的。美國戈爾具有超過25年的增強(qiáng)型質(zhì)子膜的開發(fā)和制造經(jīng)驗，公司更專注于燃料電池膜的研發(fā)，其開發(fā)的SELECT系列增強(qiáng)型質(zhì)子膜憑借超薄、耐用、高功率密度的特性，占據(jù)全球主要燃料電池市場。

為解決全氟磺酸質(zhì)子交換膜存在的問題，進(jìn)一步提升膜的性能并降低成本，部分氟化質(zhì)子交換膜、無氟質(zhì)子交換膜和復(fù)合質(zhì)子交換膜成為新的研究方向。

全氟磺酸型質(zhì)子交換膜常用的加工方法有熱熔融擠出成膜法和溶液流延成膜法兩種方法。熔融擠出法適合于連續(xù)化生產(chǎn)，成膜過程不使用溶劑，不會對環(huán)境造成危害。但是這種方法成膜后還需要將膜水解轉(zhuǎn)型，而且只適于離子交換容量較低的離子聚合物;溶液成膜法則可用于離子交換容量較寬的離子聚合物成膜，該方法可以直接得到離子型的制品，制備時需要先將樹脂轉(zhuǎn)型后溶解于適當(dāng)?shù)娜軇┲校缓筮M(jìn)行濃縮處理再涂膜去除溶劑，整個工藝過程較為繁瑣。成膜時根據(jù)設(shè)備的不同可以間歇式或者連續(xù)化生產(chǎn)，需要對溶劑進(jìn)行回收處理。


由于DuPont公司的Nafion市場占有率最高，所以此處稍加詳細(xì)說明其生產(chǎn)技術(shù)。先是Nafion分子的合成，利用四氟乙烯依次與三氧化硫、碳酸鈉縮合，制備出磺酰氟烯醚單體，再與四氟乙烯共聚。所得產(chǎn)物經(jīng)過水解和氫質(zhì)子的置換，得到Nafion分子。該公司于上世紀(jì)九十年代推出的第一代產(chǎn)品屬于熔融擠出膜;第二代則是溶液澆鑄膜，澆鑄工藝使第二代膜比第一代膜具有更高的導(dǎo)電性能和更低的制造成本;第三代膜在制備過程中采用了改善膜化學(xué)穩(wěn)定性的技術(shù)和機(jī)械增強(qiáng)技術(shù)，是新一代長壽命復(fù)合增強(qiáng)膜。日本AsahiKasei公司的Acplex膜和Asahiglass公司Flemion膜具有和Dupont公司Nafion膜類似的生產(chǎn)工藝。


Solvay公司推出的Aquivion膜都是以短側(cè)鏈全氟磺酸樹脂為成膜物質(zhì)生產(chǎn)制備的熔融擠出膜，擠出成膜溫度約比樹脂熔融溫度高30℃。


我國山東東岳集團(tuán)通過與上海交通大學(xué)合作，采用溶液流延制備技術(shù)制備全氟磺酸質(zhì)子交換膜并形成了一定產(chǎn)能。除了上述公司外，還有美國Gore公司將Dupont長鏈全氟磺酸樹脂和膨體聚四氟乙烯通過浸漬－干燥工藝復(fù)合，形成了增強(qiáng)型全氟磺酸Gore－Select膜;美國3M公司通過澆鑄工藝制備的全氟磺酸型質(zhì)子交換膜具有比Nafion膜更高的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度，且有更高的穩(wěn)定性。


國內(nèi)質(zhì)子交換膜生產(chǎn)龍頭企業(yè)

東岳集團(tuán)——全球唯一一家可以提供質(zhì)子膜全部種類數(shù)值的公司

東岳集團(tuán)是亞洲規(guī)模最大的氟硅材料生產(chǎn)基地，中國氟硅行業(yè)龍頭企業(yè)、中國第一個氟硅材料產(chǎn)業(yè)園區(qū)，主要業(yè)務(wù)包括高分子材料、有機(jī)硅、制冷劑、二氯甲烷、PVC及燒堿、以及開發(fā)物業(yè)業(yè)務(wù)，是三菱、海爾、海信等眾多國內(nèi)外著名企業(yè)的優(yōu)秀供應(yīng)商。東岳集團(tuán)抓住氫能發(fā)展機(jī)遇，積極布局質(zhì)子交換膜相關(guān)企業(yè)，目前是國內(nèi)最為領(lǐng)先的質(zhì)子交換膜生產(chǎn)廠商，由于東岳集團(tuán)自身具有比較完備的氟化產(chǎn)業(yè)鏈，在質(zhì)子膜研發(fā)和制造上具有優(yōu)勢。

2020年11月，東岳集團(tuán)150萬平米質(zhì)子交換膜生產(chǎn)線一期工程投產(chǎn)，其中主要產(chǎn)能包括50萬平米/年燃料電池交換膜，這標(biāo)志著我國氫能核心材料質(zhì)子交換膜的技術(shù)水平和生產(chǎn)規(guī)模均邁入全球領(lǐng)先行列。

氫能觀察獲悉，山東東岳未來氫能材料有限公司作為東岳集團(tuán)專門從事研究氫能材料的子公司，將會在未來2-3年的燃料電池質(zhì)子交換膜市場產(chǎn)生極大效益。具備從中間體-單體-樹脂-質(zhì)子交換膜完整的產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢，下半年預(yù)計業(yè)績將有非常強(qiáng)勢的增長。此外，氫能觀察了解到，2021年東岳質(zhì)子交換膜訂單激增，2021年一季度與下游企業(yè)簽訂的訂單比過去三年的總和還多。

國家電投氫能公司

國電投氫能公司相關(guān)人士此前接受媒體采訪時曾表示，國電投氫能公司30萬平方米質(zhì)子交換膜生產(chǎn)線年產(chǎn)量可裝備2萬輛氫燃料電池汽車，產(chǎn)線可生產(chǎn)厚度從8微米到20微米的質(zhì)子交換膜，生產(chǎn)出的質(zhì)子交換膜與國內(nèi)外同類競品相比，其在質(zhì)子電導(dǎo)率、氣體滲透率（H2）、機(jī)械強(qiáng)度等方面均相當(dāng)或優(yōu)于國外同類競品，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)在大功率燃料電池電堆應(yīng)用，已接獲多家公司采購訂單。


國家電投計劃到2024年前華中氫能產(chǎn)業(yè)基地形成年產(chǎn)10萬平方米質(zhì)子交換膜、1萬套燃料電池電堆和5000套電池動力系統(tǒng)的產(chǎn)能。


蘇州科潤


國內(nèi)質(zhì)子交換膜材料頭部企業(yè)—蘇州科潤新材料股份有限公司，與聯(lián)泓集團(tuán)有限公司達(dá)成B輪億元的戰(zhàn)略投資協(xié)議，順利完成了B輪戰(zhàn)略融資。公司經(jīng)過十多年科研攻關(guān)，解決了我國釩液流儲能電池和氫燃料電池領(lǐng)域“卡脖子”的核心膜材料難題，實(shí)現(xiàn)了全氟磺酸質(zhì)子膜的國產(chǎn)自主化，成為國內(nèi)目前唯一一家能夠大批量生產(chǎn)供應(yīng)釩液流電池用全氟質(zhì)子交換膜的企業(yè)，也是國內(nèi)目前僅有的兩家（另一家為山東東岳）可以批量生產(chǎn)供應(yīng)氫燃料電池用質(zhì)子交換膜的企業(yè)之一。作為國內(nèi)液流儲能和氫能產(chǎn)業(yè)鏈上的核心材料-質(zhì)子膜生產(chǎn)企業(yè)，未來五年內(nèi)公司預(yù)計將形成500萬平米質(zhì)子交換膜產(chǎn)能。


2021年10月，蘇州科潤新材料股份與聯(lián)泓集團(tuán)有限公司達(dá)成B輪億元的戰(zhàn)略投資協(xié)議，順利完成B輪戰(zhàn)略融資。


武漢理工新能源


武漢理工新能源有限公司成立于2006年5月22日，由武漢理工大學(xué)和湖北省市政府共同投資。公司依托武漢理工大學(xué)在質(zhì)子交換膜燃料電池關(guān)鍵材料、核心組件、燃料電池發(fā)動機(jī)及燃料電池汽車等方面的優(yōu)勢，開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的燃料電池核心組件膜電極（CCM/MEA）制備技術(shù)等。公司擁有多項專利技術(shù)，擁有一流水平的高素質(zhì)研發(fā)團(tuán)隊、國際先進(jìn)水平的研發(fā)條件及儀器，具有極強(qiáng)的科技創(chuàng)新能力。


公司主要致力于質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極及燃料電池模塊的開發(fā)、生產(chǎn)與銷售，目前建成了一條質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極生產(chǎn)線，并通過了ISO9001質(zhì)量認(rèn)證，其產(chǎn)品已向北美及國內(nèi)市場銷售。公司的戰(zhàn)略目標(biāo)是成為中國最大的、具有國際競爭力的專業(yè)燃料電池膜電極供應(yīng)商。


泛亞微透


江蘇泛亞微透科技股份有限公司1月5日發(fā)布公告稱，泛亞微透擬與常創(chuàng)(常州)創(chuàng)業(yè)投資合伙企業(yè)(有限合伙)、常創(chuàng)天使(常州)創(chuàng)業(yè)投資中心(有限合伙)、江蘇拓邦投資有限公司等累計21家機(jī)構(gòu)及個人共同發(fā)起設(shè)立合資公司“江蘇源氫新能源科技股份有限公司”(擬用名，“合資公司”)，投資建設(shè)ePTFE功能膜和氫燃料電池工程技術(shù)研究院以及150萬平方米氫質(zhì)子交換膜產(chǎn)業(yè)化項目。


泛亞微透創(chuàng)建于1995年，自主創(chuàng)新研發(fā)的微透高分子透氣新材料及器件，應(yīng)用于汽車工業(yè)、包裝工業(yè)及其他保護(hù)性透氣領(lǐng)域；掌握e-PTFE膜核心技術(shù)，具備微透膜及膜組件全產(chǎn)業(yè)鏈能力；向汽車及其他領(lǐng)域提供微透材料的解決方案；是通用、大眾、一汽、上汽等眾多知名企業(yè)的一級供應(yīng)商。

國內(nèi)市場調(diào)研情況

從氫能產(chǎn)業(yè)鏈的價值分布看，質(zhì)子交換膜的地位也較為突出。燃料電池系統(tǒng)作為氫能車的心臟，占到氫能車成本超過 60%比例，而電堆成本在電池系統(tǒng)中占比同樣超過 60%。研究進(jìn)一步表明，在電堆組成成本方面，質(zhì)子交換膜成本占比16%，氣體擴(kuò)散層成本占比12%，雙極板成本占比23%，催化劑成本占比36%。

根據(jù)對國內(nèi)燃料電池質(zhì)子交換膜市場的調(diào)研情況，目前我國質(zhì)子交換膜價格普遍在2000元/平米。2021年，質(zhì)子交換膜產(chǎn)能尚處于初期階段，各企業(yè)相繼布局生產(chǎn)線，但還基本未有正式投產(chǎn)，且國內(nèi)需求并不高。業(yè)內(nèi)透露，2021年下半年，質(zhì)子交換膜市場開始活躍，訂單量激增，未來將會有小范圍的產(chǎn)能熱潮。

資料發(fā)現(xiàn)，根據(jù)目前質(zhì)子交換膜市場情況預(yù)測，我國燃料電池車用質(zhì)子交換膜市場空間將在未來5年激增，同時質(zhì)子交換膜市場也將迎來發(fā)展活躍期，質(zhì)子交換膜成本將大幅下降。


圖片來源于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)

燃料電池質(zhì)子交換膜市場由燃料電池市場所決定。目前質(zhì)子交換膜燃料電池在國外處于商業(yè)化示范應(yīng)用階段，已涉及車輛、移動電源、潛艇、筆記本電源等廣泛領(lǐng)域，規(guī)模化需求市場正在逐步形成，因此燃料電池質(zhì)子交換膜蘊(yùn)藏著巨大的增長潛力。


截至目前，我國氫燃料電池正處于商業(yè)導(dǎo)入期。我國《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》預(yù)計，2020、2025以及2030年燃料電池汽車發(fā)展目標(biāo)為1萬輛、10萬輛以及100萬輛。研究報告指出，隨著氫燃料電池汽車推廣加速，預(yù)計質(zhì)子交換膜需求量約2640萬平，市場空間可達(dá)132億元。質(zhì)子交換膜電解槽裝機(jī)量快速啟停，與可再生能源發(fā)電適配性優(yōu)越，預(yù)計于2030年質(zhì)子交換膜電解槽裝機(jī)量約為20~25GW，所需質(zhì)子交換膜用量約為95~170萬m2，市場空間可達(dá)4.8~8.5億元。


從國內(nèi)來看，我國燃料電池也已在車輛、小游船、移動電源等領(lǐng)域有示范應(yīng)用。雖然距離商業(yè)化應(yīng)用尚有距離，但燃料電池的高轉(zhuǎn)化率與廣泛的用途決定了燃料電池市場定得到健康發(fā)展，燃料電池用質(zhì)子交換膜的市場前景可期。