揭秘高温质子交换膜

前不久，百利坤艾氢能膜材有限公司（以下简称“百利坤艾”）与全球最大的化工公司之一的德国巴斯夫正式签署《膜电极开发与全球授权合作协议》引发业内的广泛关注。

业界关注的焦点在于二者合作的内容聚焦“高温质子交换膜技术”。

根据合作协议，百利坤艾和巴斯夫此番合作将共同致力于“高温质子交换膜技术——在线制氢”等相关领域的研发和生产，促进氢燃料电池高温质子交换膜电极技术在亚太地区的推广和应用。

事实上，采用“高温质子交换膜”路线的氢燃料电池跟常规的氢燃料电池相比，有很大的差异性，在制造工艺和使用场景上都有很大的不同。采用高温质子交换膜的在线制氢路线一直以来都处在边缘化的位置，商业化探索仍然长路漫漫。

高温质子交换膜优点在于“胃口”够好

如果根据采用的质子交换膜来对当前的氢燃料电池路线进行分类，可以把燃料电池分成常温和高温两种不同的技术路线，其一是“常温质子交换膜”路线，采用的是全氟磺酸膜，大多数采取高压储氢的方式；其二是“高温质子交换膜”路线，采用高温质子交换膜，大多数采取在线制氢的模式。

从当前的市场应用情况来看，采用全氟磺酸膜的“高压储氢—常温质子交换膜”路线更为普遍，氢燃料电池汽车最具代表性的丰田Mirai就是采用这种质子交换膜，相比而言，很少看到有采用“在线制氢—高温质子交换膜”路线的车辆。

那么，为何在全氟磺酸膜的“高压储氢—常温质子交换膜”路线已经成为主流的背景下，依然有像百利坤艾和巴斯夫这样的公司在押注高温质子交换膜路线呢？

高温质子交换膜路线最大的优点在于对电池的燃料更容易获取，从而得以绕过复杂的制氢、储氢和运氢等高成本运营环节。

由于高温质子交换膜的“胃口”更好，对氢气的纯度要求不高，既可以使用高压储氢，也可以使用甲醇重整制氢，采用该路线的企业更多的是采用甲醇重整制氢。这就意味氢气可以随产随用，使氢气的获取更为容易，便于规模化推广。

“相比于电堆的成本来说，加氢站的建设也是很大一笔费用，动辄上千万的建站投入（不算地价租金）让人却步。”北京海德利兹新技术有限公司总经理郭志斌认为，采用高温质子交换膜可以直接利用现有的加油站体系完成甲醇的存储、运输和加注，从而避开了氢气储氢、加氢等基础设施不足的难题。

另一方面，若高温质子交换膜路线得以实现规模化推广还能降低催化剂的使用量，从而降低成本。

“理论上来说，高温质子交换膜需要的催化剂用量更低，更有利于降低电堆的成本。”国内一家质子交换膜企业的技术总监告诉高工氢电，现阶段，全氟磺酸膜路线商业化上走得更远，催化剂的配套也更为成熟，而高温质子交换膜路线要达到理想状态还需要时间。

高温质子交换膜商业化仍需突破重重难关

虽然“高温质子交换膜”路线运营和推广环节更具有经济性，但从实际运营的氢燃料电池汽车数量上来看，该路线并未得到广泛认可，特别是高温质子交换膜的一些明显的缺陷需要继续改善。

“以代表膜产品PBI（中聚苯并咪唑）为例，纯PBI在常温下是绝缘体，电导率极低。”国内一家质子交换膜的企业负责人认为，需要对PBI进行改性处理，掺杂导电离子，才能提高PBI的电导率。

目前，业内的主流的解决方案为将PBI膜浸泡到磷酸当中，从而得到磷酸掺杂的PBI膜，以此提高其电导率。然而这种工艺又会导致磷酸掺杂的PBI容易溶胀，降低机械强度。并且，在高温的条件下，磷酸容易随着温度过高而流失，导致质子电导率的降低。

“高温质子交换膜的下一步是寻找不依赖水和磷酸的质子导体。”上述专业人士认为，无机固体酸由于在中高温下具有比较高的电导率并且运输方便，或成为下一步的主要研发方向，但产业化仍需多方推动。

然而解决高温质子交换膜的产业化难题只是第一步，在实际使用过程中，还需要考虑整车在轻量化方面的实际要求。如何提高“在线制氢”效率和压缩在线制氢设备的体积需要突破的难点。

“采用在线制氢模式意味着整车上要多预留一部分空间用于承载制氢设备，这无疑会增加整车的重量和体积。”国内一家氢燃料电池企业生产企业高层认为，燃料来源广泛这个优势在转化环节也面临着重重挑战。

由此可见，目前的高温质子交换膜离成熟化应用尚远，在实现搭配大批量生产之前，谈经济性也缺乏实际意义。

“从长远来看，转化效率更高，废气零排放的‘常温质子交换膜路线’更适合乘用车市场，但这需要建立在制氢、储氢和运氢这些环节打通的条件下。”国内一家不愿具名的电堆制造企业高层认为，现阶段“高温质子交换膜”路线还处于商业化推广的前期，若能解决相关工艺上的难题，会是高压储氢常规路线的补充，特别是对于不具备制氢储氢条件的地区来说。