燃料電池質子交換膜市場及企業概述|一覽眾車

一、燃料電池的構成

燃料電池(Fuel Cell)是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學能直接轉化為電能的發電裝置。本文討論的質子交換膜燃料電池(PEMFC)堆的基本結構主要由質子交換膜、催化劑層、擴散層、雙極板組成。聚合物電解質膜被碳基催化劑所覆蓋,催化劑直接與擴散層和電解質兩者接觸以求達到最大的相互作用面。催化劑構成電極,在其之上直接為擴散層。電解質、催化劑層和氣體擴散層的組合被稱為膜片-電極組件。

從成本構成來看,雙極板和電催化劑在燃料電池堆中的成本占比分別為23%和36%,膜電極的成本占比為16%,技術壁壘最高的組件質子交換膜的成本占比為12%。

圖表1  氫燃料電池堆成本構成

資料來源:一覽眾咨詢《2019-2025年氫燃料電池產業鏈市場調研及投資前景報告》

 

二、質子交換膜基本特性

 

質子交換膜(PEM)是質子交換膜燃料電池的核心部件,是一種厚度僅為50~180um的薄膜片,其微觀結構非常復雜。它為質子傳遞提供通道,同時作為隔膜將陽極的燃料與陰極的氧化劑隔開,其性能好壞直接影響電池的性能和壽命。它與一般化學電源中使用的隔膜有很大不同,它不只是一種隔離陰陽極反應氣體的隔膜材料,還是電解質和電極活性物質(電催化劑)的基底,即兼有隔膜和電解質的作用;另外,PEM還是一種選擇透過性膜,在一定的溫度和濕度條件下具有可選擇的透過性,在質子交換膜的高分子結構中,含有多種離子基團,它只容許氫離子(氫質子)透過,而不容許氫分子及其他離子透過。

質子交換膜燃料電池對于質子交換膜的要求非常高,質子交換膜必須具有良好的質子電導率、良好的熱和化學穩定性、較低的氣體滲透率,還要有適度的含水率,對電池工作過程中的氧化、還原和水解具有穩定性,并同時具有足夠高的機械強度和結構強度,以及膜表面適合與催化劑結合的性能。

質子交換膜的物理、化學性質對燃料電池的性能具有極大的影響,對性能造成影響的質子交換膜的物理性質主要有:膜的厚度和單位面積質量、膜的抗拉強度、膜的含水率和膜的溶脹度。質子交換膜的電化學性質主要表現在膜的導電性能(電阻率、面電阻,電導率)和選擇通過性能(透過性參數P)上。

  • 膜的厚度和單位面積質量。膜的厚度和單位面積質量越低,膜的電阻越小,電池的工作電壓和能量密度越大;但是如果厚度過低,會影響膜的抗控強度,甚至引起氫氣的泄漏而導致電池的失效。

  • 膜的抗拉強度。膜的抗拉強度與膜的厚度成正比,也與環境有關,通常在保證膜的抗拉強度的前提下,應盡量減小膜的厚度。

  • 膜的含水率。每克干膜的含水量稱為膜的含水率,可用百分數表示。含水率對膜電解質的質子傳遞能力影響很大,還會影響到氧在膜中的溶解擴散。含水率越高,質子擴散因子和滲透率也越大,膜電阻隨之下降,但同時膜的強度也有所下降。

  • 膜的溶脹度。膜的溶脹度是指離子膜在給定的溶液中浸泡后,離子膜的面積或體積變化的百分率,即浸液后的體積(面積)和干膜的體積(面積)的差值與干膜的體積(面積)的百分比。膜的溶脹度表示反應中膜的變形程度。溶脹度高,在水合和脫水時會由于膜的溶脹而造成電極的變形和質子交換膜局部應力的增大,從而造成電池性能的下降。

     

質子交換膜材料類型

到目前為止,已經開發出了大量的PEM材料。從膜的結構來看,PEM大致可分為三大類:磺化聚合物膜,復合膜,無機酸摻雜膜。目前研究的PEM材料主要是磺化聚合物電解質。質子交換膜燃料電池曾采用酚醛樹脂磺酸型膜、聚苯乙烯磺酸型膜、聚三氟苯乙烯磺酸型膜和全氟磺酸型膜。研究表明,全氟磺酸型膜最適合作為質子交換膜燃料電池的固體電解質。

全氟磺酸膜的優點是:機械強度高,化學穩定性好和在濕度大的條件下導電率高;低溫時電流密度大,質子傳導電阻小。但是全氟磺酸質子交換膜也存在一些缺點,如:溫度升高會引起質子傳導性變差,高溫時膜易發生化學降解;單體合成困難,成本高;價格昂貴等。

針對全氟磺酸膜的缺點,科研人員也在尋找高性能低成本的替代膜。

  • 一個選擇是使用全氟磺酸材料與聚四氟乙烯(PTFE)的復合膜,其中PTFE是起強化作用的微孔介質,而全氟磺酸材料則在微孔中形成質子傳遞通道。這種復合膜能夠改善膜的機械強度和穩定性,而且膜可以做得很薄,減少了全氟磺酸材料的用量,降低了膜的成本,同時較薄的膜還改善了膜中水的分布,提高了膜的質子傳導性能。

  • 另一個選擇是尋找新的低氟或非氟膜材料。此外,還可以采用無機酸與樹脂的共混膜,不僅可以提高膜的電導率,還可以提高膜的工作溫度。

質子交換膜參與企業

質子交換膜不同于一般電池中的隔膜,而是一種特殊的選擇性透過性膜,可以起到傳導質子、分割氧化劑與還原劑的作用,技術要求非常高,必須達到質子導電率高,水分子電滲透作用小,干濕轉換性能好等要求。

最早用于燃料電池的質子交換膜是美國杜邦公司于上世紀60年代末開發的全氟磺酸質子交換膜(Nafion膜),此后,又出現了其它幾種類似的全氟磺酸結構質子交換膜,包括美國陶氏(Dow)化學公司的Dow膜、日本AsahiChemical公司的Aciplex膜和AsahiGlass公司的Flemion膜。目前主流供應商依然以美國杜邦為主。

之前核心技術掌握在美國杜邦、日本旭化成等外企手里,當前市場主流的還國是美國DuPont公司生產的Nafion膜片,該種膜片具有質子電導率高和化學穩定性點好的優點。

國內市場方面,當前國內質子交換膜價格高,價格高居不下的原因一方面是技術壟斷,另一方面也是工藝成本高所致。為了獲得穩定而廉價的燃料電池,質子交換膜是最大的瓶頸和未來必須突破的領域。目前,國內在這一領域的參與主體主要包括大學科研機構及資金技術實力較強的商業公司。

  • 國內研究機構如天津大學、武漢理工大學、大連化學物理所等在質子交換膜領域研究較久。

  • 國內的商業化生產商,主要是大連新源股份、上海神力科技和同濟科技旗下的中科同力。

  • 同濟科技與中科院上海有機化學研究所、上海神力科技共同組建了中科同力化工材料有限公司,同濟科技目前持股36.23%。中科同力主要致力于質子交換膜燃料電池關鍵材料與部件研發。

  • 東岳集團雖然主盈利在氟硅樹脂材料,但依然有布局新材料,生產被原杜邦(現科慕)壟斷的材料質子交換膜,并且有出貨量。東岳集團2010年將自主研發的離子膜開始推向市場,東岳和AFCC合作,共同開發了DF260燃料電池膜。2013年東岳與奔馳、福特簽訂正式合作協議,一起聯合開發燃料電池膜,表明公司技術已經得到世界頂級廠商的認可。

圖表2  質子交換膜主要參與企業及科研機構

 

資料來源:一覽眾咨詢《2019-2025年燃料電池產業鏈市場調研及投資前景報告》

總體來看,迄今最常用的質子交換膜(PEM)仍然是美國杜邦公司的Nafion質子交換膜,PEMFC大多采用Nafion等全氟磺酸膜,國內裝配PEMFC所用的PEM主要依靠進口。

隨著燃料電池批量化生產,質子交換膜生產成本降幅明顯。由于在燃料電池中質子交換膜成本所占比例極高,降低質子交換膜的價格成為燃料電池進行成功商業化應用的關鍵因素之一。一覽眾咨詢預計到2035年,汽車用燃料電池質子交換膜需求規模約24.79億元。(市場詳細分析見一覽眾咨詢撰寫的《2019-2025年燃料電池產業鏈市場調研及投資前景報告》)

2019-2025年燃料電池產業鏈市場調研及投資前景報告

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2019年7月30日 15:57
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