质子交换膜成本大降？华南理工技术离产业化遥远

高昂的成本正成为氢燃料电池汽车加快市场推广的拦路虎，如何从材料的制备工艺上降低电池成本成为国内企业关注的重点。

近日，华南理工大学在质子交换膜的制造工艺上取得了新的突破，该工艺能有效降低成本，有望推动国产质子交换膜加快商业化的进程。

据了解，华南软物质科学与技术高等研究院殷盼超教授课题组在质子导电机理研究工作的基础上，将聚乙二醇与多金属氧酸盐复合，通过氢键构筑了稳定的三维网络结构，实现了质子的有效传递。

华南理工方面宣称，该项研究在保证高电导率、优良力学性能的基础上，将大大降低市场上现有质子交换膜燃料电池的成本，实现了800美元/㎡成本到20元人民币/g的巨大蜕变。

然而，从相关质子交换膜企业反馈的情况来看，华南理工对外宣称所取得的突破并非业界主流路线，并且实验性的成果要走向产业化还需跨越诸多难题。

“该工艺不是已经商业化的全氟磺酸膜的工艺路线，不能将二者混淆。”国内一位资深质子交换膜专业人士告诉高工氢电，高校的实验室从不同材料体系做出尝试是好事，但业界不能过度解读，还要考虑批量生产和运营状态的复杂性。

质子交换膜降本价值巨大

为什么质子交换膜在燃料电池的核心材料中，备受关注？主要原因在于质子交换膜的成本在整个燃料电池电堆的成本占比中居高不下。

数据来源：高工产研氢电研究所

在整个电堆的成本构成中，PEM占电堆总成本的比例达30%，是成本占比最高的部分。

数据来源：高工产研氢电研究所

从质子交换膜成本结构可以看出，材料成本相对很低，重点在技术工艺成本，占比超过80%，未来降本的空间巨大。这也决定了业内为何会聚焦从质子交换膜技术工艺上来寻求降本的突破口。

由此可见，如果将来氢燃料电池汽车能实现规模化推广，通过质子交换膜的大规模的生产来进行降本是可以实现的。

据调研数据显示，为了与内燃机竞争，燃料电池的成本必须降到50美元/kW，而目前PEMFC的成本是1000-2000美元/kW，成本居高不下的一个重要原因在于包括质子交换膜在内的核心材料价格昂贵。为了加快燃料电池推广应用，质子交换膜成本下降迫在眉睫。

全氟磺酸膜工艺复杂，如何降本？

质子交换膜作为燃料电池的关键部件之一，具有传递质子和分离阴阳两极气体的双重功能，其性能直接影响燃料电池的稳定性和耐久性。

因此，在稳定性和耐久性上有着更好表现的全氟磺酸型膜（Nafion）自然也就成为质子交换膜的首选材料。

据了解，全氟磺酸型膜(Nafion)，是一种过氟磺酸聚合物，具有氯化共聚物骨架，磺酸集团与其化学连结，固定位置，质子则联结自由，可起导电作用，在腐蚀环境中使用寿命可以长达50000小时以上。

然而，复杂的制备工艺也决定了其较高的制造成本。

“如果改用不完全氟化的膜材料，虽然可满足汽车应用的要求，工作时间达4500小时以上，但脱水后容易变脆的特点限制了其商业化应用。”一家质子交换膜企业的研发总监告诉高工氢电，全氟磺酸膜的制作工艺较为复杂，是燃料电池攻关的难点。

目前，全氟磺酸质子交换膜的成型工艺主要有：挤出成型、溶液成型和复合成型。

挤出成型工艺可分为熔融挤出成型和凝胶挤出成型，熔融挤出成型又分为熔融挤出流延成型和熔融挤出压延成型。

“质子交换膜的难点主要在于工艺周期长、工艺复杂、成膜的成本高。”上述负责人表示，全氟物质的合成和磺化都非常困难，而且在成膜过程中的水解、磺化容易使聚合物变性、降解，使得成膜困难，导致成本较高。

资料显示，美国科慕Nafion质子交换膜价格约为120美元/kW，例如一台燃料电池车电池堆栈为100KW，那么仅质子交换膜成本就高达1.2万美元。这单价甚至比80美元/KWh三元锂电池的原材料成本更高一些。

质子交换膜的木桶理论

一只木桶能装多少水不是取决于最长的那块木板，而是最短的那块木板，在质子交换膜这个木桶的诸多木板中，质子传导率、气体渗透性、电化学稳定性、机械强度、寿命、成本都是不可或缺的部分。

“现阶段，以全氟磺酸膜为代表的质子交换膜路线成为主流主要是得益于其整体性能的均衡性，没有特别短的板子。”国内一家电堆企业的技术负责人认为，选择质子交换膜不单是从成本的角度考虑，还需要综合其它因素。

在他看来，上述研究所研究中所制备的聚乙二醇-多酸电解质导体材料虽然从实验室制备的成本上来看，有一定优势，但是其致命的短板在于耐久度上。

“这种膜跟PBI膜类似，聚乙二醇容易流失从而影响其使用寿命。”上述电堆企业技术负责人认为，这种膜的使用寿命一般在500小时左右，难以满足电堆实际工作的需要，离产业化还有较远的距离。

在氢燃料电池发展的初期，需要鼓励多种不同路线的探索，但如果传达不够准确或是相关媒体夸大宣传就有可能对行业形成误导。基于此，高工氢电将通过梳理国内的氢能产业链现状，传达更多行业真实信息和资讯，以供读者参考。

接下来，高工氢电将深入关注国内的质子交换膜行业现状，结合相关企业分布、技术实力、商业化进展、国内外差异等方面进行深入分析，敬请关注！