高昂的成本正成為氫燃料電池汽車加快市場(chǎng)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(guó)內(nèi)企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。

近日，華南理工大學(xué)在質(zhì)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(dòng)國(guó)產(chǎn)質(zhì)子交換膜加快商業(yè)化的進(jìn)程。

據(jù)了解，華南軟物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)高等研究院殷盼超教授課題組在質(zhì)子導(dǎo)電機(jī)理研究工作的基礎(chǔ)上，將聚乙二醇與多金屬氧酸鹽復(fù)合，通過氫鍵構(gòu)筑了穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)子的有效傳遞。

華南理工方面宣稱，該項(xiàng)研究在保證高電導(dǎo)率、優(yōu)良力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，將大大降低市場(chǎng)上現(xiàn)有質(zhì)子交換膜燃料電池的成本，實(shí)現(xiàn)了800美元/㎡成本到20元人民幣/g的巨大蛻變。

然而，從相關(guān)質(zhì)子交換膜企業(yè)反饋的情況來看，華南理工對(duì)外宣稱所取得的突破并非業(yè)界主流路線，并且實(shí)驗(yàn)性的成果要走向產(chǎn)業(yè)化還需跨越諸多難題。

“該工藝不是已經(jīng)商業(yè)化的全氟磺酸膜的工藝路線，不能將二者混淆?！眹?guó)內(nèi)一位資深質(zhì)子交換膜專業(yè)人士告訴高工氫電，高校的實(shí)驗(yàn)室從不同材料體系做出嘗試是好事，但業(yè)界不能過度解讀，還要考慮批量生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的復(fù)雜性。

質(zhì)子交換膜降本價(jià)值巨大

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

數(shù)據(jù)來源：高工產(chǎn)研氫電研究所

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

數(shù)據(jù)來源：高工產(chǎn)研氫電研究所

從質(zhì)子交換膜成本結(jié)構(gòu)可以看出，材料成本相對(duì)很低，重點(diǎn)在技術(shù)工藝成本，占比超過80%，未來降本的空間巨大。這也決定了業(yè)內(nèi)為何會(huì)聚焦從質(zhì)子交換膜技術(shù)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(shí)現(xiàn)規(guī)模化推廣，通過質(zhì)子交換膜的大規(guī)模的生產(chǎn)來進(jìn)行降本是可以實(shí)現(xiàn)的。

據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，為了與內(nèi)燃機(jī)競(jìng)爭(zhēng)，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(gè)重要原因在于包括質(zhì)子交換膜在內(nèi)的核心材料價(jià)格昂貴。為了加快燃料電池推廣應(yīng)用，質(zhì)子交換膜成本下降迫在眉睫。

全氟磺酸膜工藝復(fù)雜，如何降本？

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

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

據(jù)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(tuán)與其化學(xué)連結(jié)，固定位置，質(zhì)子則聯(lián)結(jié)自由，可起導(dǎo)電作用，在腐蝕環(huán)境中使用壽命可以長(zhǎng)達(dá)50000小時(shí)以上。

然而，復(fù)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(yīng)用的要求，工作時(shí)間達(dá)4500小時(shí)以上，但脫水后容易變脆的特點(diǎn)限制了其商業(yè)化應(yīng)用。”一家質(zhì)子交換膜企業(yè)的研發(fā)總監(jiān)告訴高工氫電，全氟磺酸膜的制作工藝較為復(fù)雜，是燃料電池攻關(guān)的難點(diǎn)。

目前，全氟磺酸質(zhì)子交換膜的成型工藝主要有：擠出成型、溶液成型和復(fù)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(zhì)子交換膜的難點(diǎn)主要在于工藝周期長(zhǎng)、工藝復(fù)雜、成膜的成本高。”上述負(fù)責(zé)人表示，全氟物質(zhì)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(dǎo)致成本較高。

資料顯示，美國(guó)科慕Nafion質(zhì)子交換膜價(jià)格約為120美元/kW，例如一臺(tái)燃料電池車電池堆棧為100KW，那么僅質(zhì)子交換膜成本就高達(dá)1.2萬(wàn)美元。這單價(jià)甚至比80美元/KWh三元鋰電池的原材料成本更高一些。

質(zhì)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(zhǎng)的那塊木板，而是最短的那塊木板，在質(zhì)子交換膜這個(gè)木桶的諸多木板中，質(zhì)子傳導(dǎo)率、氣體滲透性、電化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度、壽命、成本都是不可或缺的部分。

“現(xiàn)階段，以全氟磺酸膜為代表的質(zhì)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?！眹?guó)內(nèi)一家電堆企業(yè)的技術(shù)負(fù)責(zé)人認(rèn)為，選擇質(zhì)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(zhì)導(dǎo)體材料雖然從實(shí)驗(yàn)室制備的成本上來看，有一定優(yōu)勢(shì)，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?！鄙鲜鲭姸哑髽I(yè)技術(shù)負(fù)責(zé)人認(rèn)為，這種膜的使用壽命一般在500小時(shí)左右，難以滿足電堆實(shí)際工作的需要，離產(chǎn)業(yè)化還有較遠(yuǎn)的距離。

在氫燃料電池發(fā)展的初期，需要鼓勵(lì)多種不同路線的探索，但如果傳達(dá)不夠準(zhǔn)確或是相關(guān)媒體夸大宣傳就有可能對(duì)行業(yè)形成誤導(dǎo)?；诖耍吖潆妼⑼ㄟ^梳理國(guó)內(nèi)的氫能產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)狀，傳達(dá)更多行業(yè)真實(shí)信息和資訊，以供讀者參考。

接下來，高工氫電將深入關(guān)注國(guó)內(nèi)的質(zhì)子交換膜行業(yè)現(xiàn)狀，結(jié)合相關(guān)企業(yè)分布、技術(shù)實(shí)力、商業(yè)化進(jìn)展、國(guó)內(nèi)外差異等方面進(jìn)行深入分析，敬請(qǐng)關(guān)注！