质子交换膜燃料电池市场逐步扩大 技术不断创新

摘要：新能源汽车产业作为我国战略性新兴产业之一，不仅有利于资源的循环利用，环境的友好型发展，还有助于我国成为汽车工业强国。近年来我国已成为新能源汽车销量的第一大国，然而面对市场的高速发展，也相应地暴露出新能源汽车行业的一些痛点问题，如锂资源面临枯竭、能量密度提升遭遇瓶颈、电池安全问题频发等。而燃料电池因其能量转化率高、燃料来源广泛、零污染等特点逐渐走进人们的视野，经过多年的发展，燃料电池技术日渐成熟，市场逐渐打开，有关质子交换膜燃料电池的研究已成为了全球性的热点。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种可直接将燃料的化学能转化为电能的发电装置，燃料电池技术被认为是本世纪的新型绿色能源技术，具有能量转化效率高、零污染、低温下快速启动等优势，在便携式移动电源和新能源汽车中具有十分广泛的应用前景。

质子交换膜作为燃料电池的核心部件要求性能极高

燃料电池是把燃料中的化学能通过电化学反应直接转换为电能的高效发电装置。常用的燃料电池按其电解质不同，可以分为质子交换膜燃料电池（PEMFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、碱性燃料电池（AFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）和熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）等。其中质子交换膜燃料电池工艺相对简单、制造成本较低、应用范围广、启动速度快，是一种高效与环保兼备的发电装置，目前燃料电池汽车也主要使用质子交换膜燃料电池。

质子交换膜燃料电池是低温型燃料电池，主要组成部分包括催化剂、质子交换膜、电极、双极板。电解质是全氟磺酸型固体聚合物，催化剂一般使用金属铂和铂碳颗粒，双极板一般使用石墨。质子交换膜燃料电池发电时，质子交换膜作为传递氢离子的介质，只允许氢离子通过，工作时相当于一个直流电源，阳极即电源负极，阴极即电源正极，燃料可以是氢气、甲醇、乙醇、甲烷等，其中氢气和甲醇使用较多。

我国质子交换膜燃料电池起步较晚但后劲十足

我国对质子交换膜燃料电池的研究还处于前期阶段，而国外燃料电池行业因为布局较早，现在取得了不俗的成果。如丰田、梅赛德斯奔驰、本田、通用、现代都已经实现了质子交换膜燃料电池的批量化生产，并制定了各自商用化时间表，日本丰田汽车于2014年12月商业化燃料电池汽车Mirai；韩国现代汽车已于2013量产了燃料电池汽车ix35；日本本田汽车于2015年11月首次推出了旗下首款氢氧燃料汽车Clarity，除此之外，国外其他大型汽车厂家也在积极布局燃料电池汽车。

图2 2017年企业燃料电池出货量

我国燃料电池研究的起步较晚但后劲十足，2016年我国燃料电池销量不足30辆，到了2017年我国燃料电池汽车的销售量已经突破千辆大关。在物流车方面，东风汽车和金华青年汽车公司分别销售531、401辆燃料电池货车，占据全年市场销量的接近85％；客车方面，销量过百主要厂商为上汽大通、金华青年、福田汽车、宇通客车等；乘用车方面，仅有上汽集团一款荣威950车型对外销售。燃料电池的销量增加也带动了我国燃料电池的出货量，2017年燃料电池出货量接近34 MW，主要供应厂商为新源动力、上海重塑、南通百应和北京亿华通等公司。

除了市场资金的涌入，政策也为燃料电池行业带来了春风，我国从 2001 年就确立了“863 计划电动汽车重大专项”项目，确定三纵三横战略，以纯电动、混合电动和燃料电池汽车为三纵，以多能源动力总成控制、驱动电机和动力蓄电池为三横。2015 年《中国制造 2025》规划纲要出台，其中包括未来国家将继续支持燃料电池汽车的发展。并提出2025年要实现燃料电池汽车的运行规模进一步扩大，达到 1000 辆的运行规模，制氢、加氢等配套基础设施基本完善，燃料电池汽车实现区域小规模运行。相对于燃料电池汽车发展较早的国家，我国相应的政策制度还不健全，但国家层面已经关注到这个行业，并为产业提供多方向的扶持计划，相信未来随着更多政策的出台，燃料电池行业将拥有更广阔的前景。

质子交换膜以全氟磺酸膜为主 技术不断改进性能逐渐加强

质子交换膜主要有全氟磺酸膜、部分氟化聚合物膜、新型非氟化聚合物膜及复合膜。目前在市场上应用最多的是全氟磺酸膜，其性能较为优异，厚度仅为 50-180μm，在一定的温度和湿度条件下，具有选择透过性，同时具有适度的含水率，对氧化、还原和水解反应具有稳定性，还具有足够高的机械强度和结构强度，以及膜表面适合与催化剂结合等性能。

表1 企业生产全氟磺酸树脂膜结构及基本参数

（资料来源《膜科学与技术》、国金证券研究所）

尽管全氟磺酸质子交换膜的质子传导率较高，耐酸碱、耐热的稳定性较好，但是其燃料渗透，尤其是直接甲醇燃料电池中的甲醇渗透严重，严重影响其电池性能；此外，全氟磺酸质子交换膜的成本较高是阻碍燃料电池量产的关键问题。目前，为了得到综合性能更佳的质子交换膜主要有两个新型改良途径，一是对现有的全氟磺酸质子交换膜进行改善，国外学者在原有的质子交换膜上利用含氟的聚苯并咪唑进行共混交联，制备了4种新型的质子交换膜，(PFSA-PBICF3-Im, PFSA-PBICF3, PFSA-Im and PFSA)。其中PFSA-Im膜的最大功率密度可达124兆瓦/平方厘米，改进后的全氟磺酸质子交换膜质子传导率也有所提升，通过低剂量电子束对膜表面结构进行修饰，其质子传导率、甲醇渗透等性能均得到了改善。二是研发新型聚合物材料用以质子交换膜，非氟碳氢主链的聚合物因其原料易得，成本低廉，成为时下质子交换膜的研究热点。

在我国的科研团队中，电子科大教授何伟东及其团队在实验室中研发出的质子交换膜能够与杜邦公司的产品抗衡（质子传导率是 Nafion-117 的1.78 倍），且成本仅仅是后者的十分之一（约达到 6 美元/kw）。中南大学的桑商斌教授也通过改良技术制备复合型质子交换膜，比原质子交换膜质子渗透选择性提高约一个数量级，能显著提高燃料电池的能效。

结语

随着我国新能源汽车行业的不断发展，市场规模逐渐扩大，政策的推动和资金的涌入也为行业带来无限的春风，作为新能源汽车重要发展方向的燃料电池也将屹立在产业的风口，未来前景十分广阔。同时作为电池的关键部件的质子交换膜随着企业和高校研究的不断深入，也将逐渐打破行业的技术壁垒，达到高科技、高水平、高规模的产业化发展，有望打破国外企业对关键技术的垄断，实现全产业链国产化。燃料电池市场的高速发展也将带动更多高新技术企业的崛起，行业“独角兽”企业的市场份额将会被分解，市场集中度也会随之降低。市场格局的变换也给质子交换膜燃料电池企业带来了新机遇，企业应抓紧技术的研发，实现核心部件的国产化，加强产品竞争力，同时应布局质子交换膜燃料电池全产业链，迅速抢占国内乃至国外市场。未来在行业的多方利好中，燃料电池市场需求将会快速扩大，高品质的质子交换膜具有广阔的利润空间和发展前景。