國內最大質子交換膜生產線正式投產

2021年12月5日，在武漢經開區國家電投華中氫能產業基地，國內目前最大的氫燃料電池質子交換膜生產線正式投產。

據悉，該質子交換膜生產線年產能達30萬平，是國內首條全自動可控質子交換膜生產線，打破了國內質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。

質子交換膜概念與原理

質子交換膜（PEM，Proton Exchange Membrane or Polymer Electrolyte Membrane），又稱為聚合物電解質薄膜。質子交換膜是一種固態電解質膜，其不僅在電解水技術中發揮關鍵作用，同時也是質子交換膜燃料電池（PEMFC）核心組成之一。質子交換膜主要用來隔離兩極，傳遞質子(H+)，其基本原理是氫離子與質子交換膜上的磺酸基結合，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。


圖片來源于網絡

作為燃料電池和電解槽關鍵組件，質子交換膜需要具備良好的質子傳導率、較低的現階段主流的質子交換膜方案是全氟磺酸質子交換膜，其由碳氟主鏈和和帶有磺酸基團的醚支鏈構成。全氟磺酸質子膜優點在于機械強度高，化學穩定性好，導電率較高，低溫時電流密度大，質子傳導電阻小；但缺點是溫度升高使質子傳導性能變差，易發生化學降解，成本也較高。

全氟磺酸型PEM由碳氟主鏈和帶有磺酸基團的醚支鏈構成，具有極高的化學穩定性，目前應用最廣泛。



圖片來源于網絡


全氟磺酸膜的優點是：機械強度高，化學穩定性好和在濕度大的條件下導電率高；低溫時電流密度大，質子傳導電阻小。但是全氟磺酸質子交換膜也存在一些缺點，如：溫度升高會引起質子傳導性變差，高溫時膜易發生化學降解；單體合成困難，成本高；價格昂貴；用于甲醇燃料電池時易發生甲醇滲透等。


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

國內外質子交換膜技術情況

質子交換膜由于制備工藝復雜，長期被杜邦、戈爾、旭硝子等美國和日本少數廠家壟斷。杜邦是全球最早開發并銷售質子交換膜的企業，早在1962年就開發出性能優良的全氟磺酸型質子交換膜，即Nafion系列產品，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年的增強型質子膜的開發和制造經驗，公司更專注于燃料電池膜的研發，其開發的SELECT系列增強型質子膜憑借超薄、耐用、高功率密度的特性，占據全球主要燃料電池市場。

為解決全氟磺酸質子交換膜存在的問題，進一步提升膜的性能并降低成本，部分氟化質子交換膜、無氟質子交換膜和復合質子交換膜成為新的研究方向。

全氟磺酸型質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化生產，成膜過程不使用溶劑，不會對環境造成危害。但是這種方法成膜后還需要將膜水解轉型，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型后溶解于適當的溶劑中，然后進行濃縮處理再涂膜去除溶劑，整個工藝過程較為繁瑣。成膜時根據設備的不同可以間歇式或者連續化生產，需要對溶劑進行回收處理。


由于DuPont公司的Nafion市場占有率最高，所以此處稍加詳細說明其生產技術。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。所得產物經過水解和氫質子的置換，得到Nafion分子。該公司于上世紀九十年代推出的第一代產品屬于熔融擠出膜;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穩定性的技術和機械增強技術，是新一代長壽命復合增強膜。日本AsahiKasei公司的Acplex膜和Asahiglass公司Flemion膜具有和Dupont公司Nafion膜類似的生產工藝。


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


我國山東東岳集團通過與上海交通大學合作，采用溶液流延制備技術制備全氟磺酸質子交換膜并形成了一定產能。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－干燥工藝復合，形成了增強型全氟磺酸Gore－Select膜;美國3M公司通過澆鑄工藝制備的全氟磺酸型質子交換膜具有比Nafion膜更高的玻璃態轉化溫度，且有更高的穩定性。


國內質子交換膜生產龍頭企業

東岳集團——全球唯一一家可以提供質子膜全部種類數值的公司

東岳集團是亞洲規模最大的氟硅材料生產基地，中國氟硅行業龍頭企業、中國第一個氟硅材料產業園區，主要業務包括高分子材料、有機硅、制冷劑、二氯甲烷、PVC及燒堿、以及開發物業業務，是三菱、海爾、海信等眾多國內外著名企業的優秀供應商。東岳集團抓住氫能發展機遇，積極布局質子交換膜相關企業，目前是國內最為領先的質子交換膜生產廠商，由于東岳集團自身具有比較完備的氟化產業鏈，在質子膜研發和制造上具有優勢。

2020年11月，東岳集團150萬平米質子交換膜生產線一期工程投產，其中主要產能包括50萬平米/年燃料電池交換膜，這標志著我國氫能核心材料質子交換膜的技術水平和生產規模均邁入全球領先行列。

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年的燃料電池質子交換膜市場產生極大效益。具備從中間體-單體-樹脂-質子交換膜完整的產業鏈優勢，下半年預計業績將有非常強勢的增長。此外，氫能觀察了解到，2021年東岳質子交換膜訂單激增，2021年一季度與下游企業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30萬平方米質子交換膜生產線年產量可裝備2萬輛氫燃料電池汽車，產線可生產厚度從8微米到20微米的質子交換膜，生產出的質子交換膜與國內外同類競品相比，其在質子電導率、氣體滲透率（H2）、機械強度等方面均相當或優于國外同類競品，現已實現在大功率燃料電池電堆應用，已接獲多家公司采購訂單。


國家電投計劃到2024年前華中氫能產業基地形成年產10萬平方米質子交換膜、1萬套燃料電池電堆和5000套電池動力系統的產能。


蘇州科潤


國內質子交換膜材料頭部企業—蘇州科潤新材料股份有限公司，與聯泓集團有限公司達成B輪億元的戰略投資協議，順利完成了B輪戰略融資。公司經過十多年科研攻關，解決了我國釩液流儲能電池和氫燃料電池領域“卡脖子”的核心膜材料難題，實現了全氟磺酸質子膜的國產自主化，成為國內目前唯一一家能夠大批量生產供應釩液流電池用全氟質子交換膜的企業，也是國內目前僅有的兩家（另一家為山東東岳）可以批量生產供應氫燃料電池用質子交換膜的企業之一。作為國內液流儲能和氫能產業鏈上的核心材料-質子膜生產企業，未來五年內公司預計將形成500萬平米質子交換膜產能。


2021年10月，蘇州科潤新材料股份與聯泓集團有限公司達成B輪億元的戰略投資協議，順利完成B輪戰略融資。


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，由武漢理工大學和湖北省市政府共同投資。公司依托武漢理工大學在質子交換膜燃料電池關鍵材料、核心組件、燃料電池發動機及燃料電池汽車等方面的優勢，開發了具有自主知識產權的燃料電池核心組件膜電極（CCM/MEA）制備技術等。公司擁有多項專利技術，擁有一流水平的高素質研發團隊、國際先進水平的研發條件及儀器，具有極強的科技創新能力。


公司主要致力于質子交換膜燃料電池膜電極及燃料電池模塊的開發、生產與銷售，目前建成了一條質子交換膜燃料電池膜電極生產線，并通過了ISO9001質量認證，其產品已向北美及國內市場銷售。公司的戰略目標是成為中國最大的、具有國際競爭力的專業燃料電池膜電極供應商。


泛亞微透


江蘇泛亞微透科技股份有限公司1月5日發布公告稱，泛亞微透擬與常創(常州)創業投資合伙企業(有限合伙)、常創天使(常州)創業投資中心(有限合伙)、江蘇拓邦投資有限公司等累計21家機構及個人共同發起設立合資公司“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ePTFE功能膜和氫燃料電池工程技術研究院以及150萬平方米氫質子交換膜產業化項目。


泛亞微透創建于1995年，自主創新研發的微透高分子透氣新材料及器件，應用于汽車工業、包裝工業及其他保護性透氣領域；掌握e-PTFE膜核心技術，具備微透膜及膜組件全產業鏈能力；向汽車及其他領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的一級供應商。

國內市場調研情況

從氫能產業鏈的價值分布看，質子交換膜的地位也較為突出。燃料電池系統作為氫能車的心臟，占到氫能車成本超過 60%比例，而電堆成本在電池系統中占比同樣超過 60%。研究進一步表明，在電堆組成成本方面，質子交換膜成本占比16%，氣體擴散層成本占比12%，雙極板成本占比23%，催化劑成本占比36%。

根據對國內燃料電池質子交換膜市場的調研情況，目前我國質子交換膜價格普遍在2000元/平米。2021年，質子交換膜產能尚處于初期階段，各企業相繼布局生產線，但還基本未有正式投產，且國內需求并不高。業內透露，2021年下半年，質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能熱潮。

資料發現，根據目前質子交換膜市場情況預測，我國燃料電池車用質子交換膜市場空間將在未來5年激增，同時質子交換膜市場也將迎來發展活躍期，質子交換膜成本將大幅下降。


圖片來源于網絡數據

燃料電池質子交換膜市場由燃料電池市場所決定。目前質子交換膜燃料電池在國外處于商業化示范應用階段，已涉及車輛、移動電源、潛艇、筆記本電源等廣泛領域，規模化需求市場正在逐步形成，因此燃料電池質子交換膜蘊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導入期。我國《節能與新能源汽車技術路線圖》預計，2020、2025以及2030年燃料電池汽車發展目標為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，預計質子交換膜需求量約2640萬平，市場空間可達132億元。質子交換膜電解槽裝機量快速啟停，與可再生能源發電適配性優越，預計于2030年質子交換膜電解槽裝機量約為20~25GW，所需質子交換膜用量約為95~170萬m2，市場空間可達4.8~8.5億元。


從國內來看，我國燃料電池也已在車輛、小游船、移動電源等領域有示范應用。雖然距離商業化應用尚有距離，但燃料電池的高轉化率與廣泛的用途決定了燃料電池市場定得到健康發展，燃料電池用質子交換膜的市場前景可期。