質子交換膜成本大降？華南理工技術離產業化遙遠

高昂的成本正成為氫燃料電池汽車加快市場推廣的攔路虎，如何從材料的制備工藝上降低電池成本成為國內企業關注的重點。

近日，華南理工大學在質子交換膜的制造工藝上取得了新的突破，該工藝能有效降低成本，有望推動國產質子交換膜加快商業化的進程。

據了解，華南軟物質科學與技術高等研究院殷盼超教授課題組在質子導電機理研究工作的基礎上，將聚乙二醇與多金屬氧酸鹽復合，通過氫鍵構筑了穩定的三維網絡結構，實現了質子的有效傳遞。

華南理工方面宣稱，該項研究在保證高電導率、優良力學性能的基礎上，將大大降低市場上現有質子交換膜燃料電池的成本，實現了800美元/㎡成本到20元人民幣/g的巨大蛻變。

然而，從相關質子交換膜企業反饋的情況來看，華南理工對外宣稱所取得的突破并非業界主流路線，并且實驗性的成果要走向產業化還需跨越諸多難題。

“該工藝不是已經商業化的全氟磺酸膜的工藝路線，不能將二者混淆。”國內一位資深質子交換膜專業人士告訴高工氫電，高校的實驗室從不同材料體系做出嘗試是好事，但業界不能過度解讀，還要考慮批量生產和運營狀態的復雜性。

質子交換膜降本價值巨大

為什么質子交換膜在燃料電池的核心材料中，備受關注？主要原因在于質子交換膜的成本在整個燃料電池電堆的成本占比中居高不下。

數據來源：高工產研氫電研究所

在整個電堆的成本構成中，PEM占電堆總成本的比例達30%，是成本占比最高的部分。

數據來源：高工產研氫電研究所

從質子交換膜成本結構可以看出，材料成本相對很低，重點在技術工藝成本，占比超過80%，未來降本的空間巨大。這也決定了業內為何會聚焦從質子交換膜技術工藝上來尋求降本的突破口。

由此可見，如果將來氫燃料電池汽車能實現規模化推廣，通過質子交換膜的大規模的生產來進行降本是可以實現的。

據調研數據顯示，為了與內燃機競爭，燃料電池的成本必須降到50美元/kW，而目前PEMFC的成本是1000-2000美元/kW，成本居高不下的一個重要原因在于包括質子交換膜在內的核心材料價格昂貴。為了加快燃料電池推廣應用，質子交換膜成本下降迫在眉睫。

全氟磺酸膜工藝復雜，如何降本？

質子交換膜作為燃料電池的關鍵部件之一，具有傳遞質子和分離陰陽兩極氣體的雙重功能，其性能直接影響燃料電池的穩定性和耐久性。

因此，在穩定性和耐久性上有著更好表現的全氟磺酸型膜（Nafion）自然也就成為質子交換膜的首選材料。

據了解，全氟磺酸型膜(Nafion)，是一種過氟磺酸聚合物，具有氯化共聚物骨架，磺酸集團與其化學連結，固定位置，質子則聯結自由，可起導電作用，在腐蝕環境中使用壽命可以長達50000小時以上。

然而，復雜的制備工藝也決定了其較高的制造成本。

“如果改用不完全氟化的膜材料，雖然可滿足汽車應用的要求，工作時間達4500小時以上，但脫水后容易變脆的特點限制了其商業化應用。”一家質子交換膜企業的研發總監告訴高工氫電，全氟磺酸膜的制作工藝較為復雜，是燃料電池攻關的難點。

目前，全氟磺酸質子交換膜的成型工藝主要有：擠出成型、溶液成型和復合成型。

擠出成型工藝可分為熔融擠出成型和凝膠擠出成型，熔融擠出成型又分為熔融擠出流延成型和熔融擠出壓延成型。

“質子交換膜的難點主要在于工藝周期長、工藝復雜、成膜的成本高。”上述負責人表示，全氟物質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，導致成本較高。

資料顯示，美國科慕Nafion質子交換膜價格約為120美元/kW，例如一臺燃料電池車電池堆棧為100KW，那么僅質子交換膜成本就高達1.2萬美元。這單價甚至比80美元/KWh三元鋰電池的原材料成本更高一些。

質子交換膜的木桶理論

一只木桶能裝多少水不是取決于最長的那塊木板，而是最短的那塊木板，在質子交換膜這個木桶的諸多木板中，質子傳導率、氣體滲透性、電化學穩定性、機械強度、壽命、成本都是不可或缺的部分。

“現階段，以全氟磺酸膜為代表的質子交換膜路線成為主流主要是得益于其整體性能的均衡性，沒有特別短的板子。”國內一家電堆企業的技術負責人認為，選擇質子交換膜不單是從成本的角度考慮，還需要綜合其它因素。

在他看來，上述研究所研究中所制備的聚乙二醇-多酸電解質導體材料雖然從實驗室制備的成本上來看，有一定優勢，但是其致命的短板在于耐久度上。

“這種膜跟PBI膜類似，聚乙二醇容易流失從而影響其使用壽命。”上述電堆企業技術負責人認為，這種膜的使用壽命一般在500小時左右，難以滿足電堆實際工作的需要，離產業化還有較遠的距離。

在氫燃料電池發展的初期，需要鼓勵多種不同路線的探索，但如果傳達不夠準確或是相關媒體夸大宣傳就有可能對行業形成誤導。基于此，高工氫電將通過梳理國內的氫能產業鏈現狀，傳達更多行業真實信息和資訊，以供讀者參考。

接下來，高工氫電將深入關注國內的質子交換膜行業現狀，結合相關企業分布、技術實力、商業化進展、國內外差異等方面進行深入分析，敬請關注！