全氟磺酸質(zhì)子交換膜行業(yè)研究

瑞鵬資產(chǎn) 蔣欣娣

全氟磺酸質(zhì)子交換膜屬于均相陽離子交換膜，最早由美國杜邦公司研制成功。它是目前應(yīng)用最為廣泛的質(zhì)子膜，具有化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好、電導(dǎo)率高、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，是燃料電池、液流電池、水電解制氫最關(guān)鍵的組件。

本文通過研究質(zhì)子交換膜的關(guān)鍵基體材料“全氟磺酸樹脂”的制備、加工與應(yīng)用情況，分析全氟磺酸質(zhì)子交換膜未來可能的降本路徑。

一、全氟磺酸質(zhì)子交換膜的原材料——全氟磺酸樹脂

全氟磺酸樹脂是全氟磺酸質(zhì)子交換膜的主要基體材料，具有耐熱性好、化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)、機(jī)械強(qiáng)度高、熱熔融加工性好等優(yōu)點(diǎn)，它可以在200℃左右的溫度下長(zhǎng)時(shí)期保持穩(wěn)定。20世紀(jì)70年代，全氟磺酸樹脂被美國杜邦研發(fā)問世。圖1-1為全氟磺酸樹脂的產(chǎn)業(yè)鏈。

圖1-1 全氟磺酸樹脂的產(chǎn)業(yè)鏈

1、上游——制備方法與難點(diǎn)

（1）全氟磺酸樹脂的制備

全氟磺酸樹脂是一種有序的三相微觀結(jié)構(gòu)，四氟乙烯（TFE）與含有磺?；鶊F(tuán)的全氟烷基乙烯基醚（PSVE）進(jìn)行自由基引發(fā)的共聚反應(yīng)制得全氟磺酰氟樹脂，再通過水解反應(yīng)得到全氟磺酰樹脂。

制成的全氟磺酸樹脂主要由3部分構(gòu)成（圖1-2所示）：

1）主鏈。聚四氟乙烯為高聚物提供中性半結(jié)晶聚合物骨架，形成憎水的主體，具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度。

2）側(cè)鏈。聚磺酰氟化物乙烯基醚連接主鏈和磺酸基團(tuán)，這部分結(jié)構(gòu)的差異是各大廠商產(chǎn)品的主要區(qū)別，不同的側(cè)鏈結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)全氟磺酸的質(zhì)子傳導(dǎo)率、穩(wěn)定性等有顯著影響。

3）磺酸基團(tuán)?；撬峄鶊F(tuán)具有親水性，容易聚集在一起形成富離子區(qū)域，再彼此相連構(gòu)成傳導(dǎo)質(zhì)子的連續(xù)通道，使離子和水分子通過該通道進(jìn)行傳遞，保證保證質(zhì)子交換膜的離子傳導(dǎo)特性。

圖1-2 全氟磺酸樹脂結(jié)構(gòu)圖

（2）全氟磺酸樹脂的制備難點(diǎn)

能夠用于生產(chǎn)質(zhì)子交換膜的全氟磺酸樹脂技術(shù)壁壘高、原材料要求高，只有具備實(shí)力的大型氟化工企業(yè)才能做到量產(chǎn)，國內(nèi)市場(chǎng)對(duì)全氟磺酸樹脂進(jìn)口依賴度高達(dá)95%以上。具體來說，全氟磺酸樹脂制備過程主要有以下幾個(gè)難點(diǎn)：

1）原材料TFE屬于高?；瘜W(xué)品，其聚合速率高，易發(fā)生爆炸，若儲(chǔ)存和運(yùn)輸不當(dāng)，也會(huì)發(fā)生爆炸，因此生產(chǎn)全氟磺酸樹脂的企業(yè)，一般需要需具備四氟乙烯的自供能力，或者具有鄰近且穩(wěn)定的四氟乙烯供應(yīng)商。

2）原材料PSVE單體的制備反應(yīng)條件十分嚴(yán)苛，需要在嚴(yán)格無水、惰性氣體保護(hù)、非質(zhì)子溶劑、堿金屬氟化物作用下發(fā)生反應(yīng)。此外，為規(guī)避技術(shù)糾紛，各廠家對(duì)開發(fā)出的不同結(jié)構(gòu)的PSVE單體紛紛申請(qǐng)專利，專利保護(hù)性較強(qiáng)。

3）聚合樹脂時(shí)需要考慮基醚單體的合適度、全氟提純工藝的精細(xì)度，合成階段需要精確控制聚合物分子量及其分布情況。

2、中游——質(zhì)子交換膜的加工制備

全氟物質(zhì)的合成與磺化、后續(xù)的成膜環(huán)節(jié)都有著極高的技術(shù)要求與繁瑣的工藝流程。目前工業(yè)中主要用全氟磺酸樹脂通過熔融擠出法和溶液流延法制成全氟磺酸質(zhì)子交換膜。制備流程和制備工藝優(yōu)缺點(diǎn)如下所示：

圖1-3 全氟磺酸膜的制備流程

表1-1 全氟磺酸膜制備工藝說明

資料來源：瑞鵬資產(chǎn)整理

最早制備全氟磺酸膜采用的是熔融擠出法，該方法工藝成熟、生產(chǎn)效率高、環(huán)境友好，但生產(chǎn)的膜較厚，且擠出成型的膜需要經(jīng)過水解轉(zhuǎn)型才能得到最終產(chǎn)品，而水解工藝幾乎被美國和日本企業(yè)所壟斷。相較而言，溶液流延法生產(chǎn)的膜更薄，例如杜邦的Nafion系列中，N115、N117采用熔融擠出法，厚度分別為125μm和183μm，而采用溶液流延法生產(chǎn)的N211和N212，其厚度僅為25.4μm和50.8μm。

3、下游——全氟磺酸樹脂的應(yīng)用

現(xiàn)階段，全氟磺酸樹脂主要用于制備電解質(zhì)隔膜，廣泛應(yīng)用于氯堿工業(yè)、燃料電池、電解水質(zhì)子膜、全釩液流電池等領(lǐng)域；此外，全氟磺酸樹脂的非交聯(lián)結(jié)構(gòu)和良好的穩(wěn)定性賦予了其良好的回收性能，在甲醇制二甲醚、玉米芯水解等化學(xué)反應(yīng)中充當(dāng)催化劑。

（1）全氟磺酸質(zhì)子交換膜

全氟磺酸樹脂最大的應(yīng)用領(lǐng)域是作為燃料電池的質(zhì)子交換膜，目前實(shí)際投入使用的車用燃料電池交換膜均是以全氟磺酸樹脂為基礎(chǔ)制備而來；其次，全氟磺酸膜也被應(yīng)用于質(zhì)子交換膜電解水制氫技術(shù)中，目前尚處于商業(yè)化初期，未來有極大的發(fā)展前景。

在全氟磺酸質(zhì)子交換膜中，PSVE單體的分子結(jié)構(gòu)、TFE與PSVE的比例決定了全氟磺酸樹脂的聚合度，與磺酸基團(tuán)的數(shù)量多少共同影響質(zhì)子交換膜的機(jī)械性能和離子交換能力。目前市場(chǎng)成熟的全氟磺酸質(zhì)子交換膜產(chǎn)品的生產(chǎn)廠家及其膜產(chǎn)品的性能指標(biāo)如表1-2所示。

表1-2 全氟磺酸質(zhì)子交換膜的基本參數(shù)

質(zhì)子交換膜的厚度對(duì)其降本和性能有重要影響。降低質(zhì)子交換膜的厚度能夠減少制膜樹脂的用量，降低生產(chǎn)成本，且根據(jù)Fick定律，氫氣滲透量與質(zhì)子交換膜厚度成反比，過厚會(huì)導(dǎo)致氫氣和氧氣的擴(kuò)散過程受阻。美國杜邦公司先后推出了不同厚度的Nafion膜，將膜的厚度從175μm降低到25μm，有效降低了電池內(nèi)阻，提高了氧還原反應(yīng)的交換電流密度（見表1-3），電流密度為1mA/cm2時(shí)電池電壓(U0)也隨著質(zhì)子交換膜厚度的降低有所呈下降趨勢(shì)，在PEM水電解制氫系統(tǒng)中，產(chǎn)氫速率會(huì)隨著電流密度的增加而提高。

表1-3 不同厚度質(zhì)子交換膜的性能比較

雖然膜厚度的減小能夠提高其性能，但是也并不是意味著越薄越好，過薄則可能導(dǎo)致質(zhì)子交換速率過快，引起電化學(xué)反應(yīng)不平衡，也會(huì)破壞膜的機(jī)械穩(wěn)定性，減小膜的壽命，長(zhǎng)期而言會(huì)對(duì)電池整體性能產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，開發(fā)膜制備技術(shù)需要在減小膜厚度的情況下，注重質(zhì)子傳導(dǎo)率、氫氧氣體交叉滲透以及高壓差下的機(jī)械穩(wěn)定性三者之間的平衡，這是目前膜技術(shù)開發(fā)所面臨的瓶頸問題。

目前，實(shí)現(xiàn)膜的低厚度與強(qiáng)穩(wěn)定性雙性能，并成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)用的是戈?duì)柟驹?994年推出的膨體聚四氟乙烯(ePTFE)增強(qiáng)型GORE-SELECT?質(zhì)子交換膜。戈?duì)柟驹诙虐頝afion膜生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，將全氟磺酸樹脂通過浸漬-干燥的方法與具有耐熱耐腐蝕的膨體聚四氟乙烯聚合物相復(fù)合，使得膜的厚度減薄，卻依然保持著低質(zhì)子電阻、高電流密度與強(qiáng)機(jī)械耐久性（圖1-4）。戈?duì)柟靖鶕?jù)不同應(yīng)用領(lǐng)域所要求的性能，制備GORE-SELECT?質(zhì)子交換膜核心產(chǎn)品：M735.18、M740.18、M775.15、M788.12與M765.08，成功超越Nafion膜占據(jù)全球燃料電池領(lǐng)域85%左右的市場(chǎng)。

圖1-4 GORE-SELECT?質(zhì)子交換膜性能測(cè)試結(jié)果

圖(a) 高密度輸出

圖(b) 增強(qiáng)的機(jī)械耐久性-戈?duì)栂鄬?duì)濕度循環(huán)測(cè)試

圖(c) 高性能和機(jī)械耐久性

圖(d) 強(qiáng)化學(xué)耐久性-70%相對(duì)濕度的開路電壓老化測(cè)試

圖片來源：GORE公司官網(wǎng)

（2）全氟磺酸樹脂催化劑

全氟磺酸樹脂因強(qiáng)酸性、易分離、無污染等特性，還能夠充當(dāng)某些化學(xué)反應(yīng)的催化劑，該領(lǐng)域?qū)θ撬針渲男枨罅坎桓?/strong>，且在不追求最優(yōu)催化效果時(shí)也可使用其他催化劑進(jìn)行替代。表1-4是全氟磺酸樹脂充當(dāng)催化劑的催化效果。

表1-4 全氟磺酸樹脂催化劑應(yīng)用領(lǐng)域和催化效果

二、全氟磺酸膜的降本可能性分析

綠色、低碳、可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為全球共識(shí)，氫能憑借潔凈、可儲(chǔ)存、安全性、可控性等諸多優(yōu)勢(shì)成為各國能源體系的重要組成部分，在未來新型能源體系中占據(jù)無可替代的地位。

燃料電池技術(shù)和電解槽制氫技術(shù)是氫能應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在全球范圍內(nèi)氫能戰(zhàn)略地位日漸突出的背景下，質(zhì)子交換膜的需求高速增長(zhǎng)。那么，質(zhì)子交換膜可以通過哪些途徑突破現(xiàn)有性能、實(shí)現(xiàn)降本增效呢？

1、成本角度：尋找全氟磺酸膜的替代產(chǎn)品

為降低膜成本、提高膜性能、緩解氟化過程中的環(huán)境污染問題，近年來國內(nèi)外重點(diǎn)攻關(guān)對(duì)全氟磺酸質(zhì)子交換膜的改性與優(yōu)化，以期尋找傳統(tǒng)全氟磺酸膜的替代品。長(zhǎng)期以來，研究人員通過降低質(zhì)子交換膜中的含氟量，探索非全氟磺酸質(zhì)子交換膜和無氟質(zhì)子交換膜的應(yīng)用可能性。

表2-1 含氟量不同的質(zhì)子交換膜對(duì)比

目前，全氟磺酸仍然是目前唯一商業(yè)化的、應(yīng)用最廣的質(zhì)子交換膜材料。國外對(duì)非全氟和無氟磺酸質(zhì)子交換膜的研究已經(jīng)有幾十年的歷史，但截止目前仍未能對(duì)全氟磺酸質(zhì)子交換膜實(shí)現(xiàn)替代。原因在于，氟原子半徑大、碳氟鍵的鍵能較大，具有很高的穩(wěn)定性。因此，非全氟和無氟磺酸質(zhì)子交換膜急需解決的最大技術(shù)問題是降低氟含量的同時(shí)，滿足質(zhì)子交換膜要求的機(jī)械穩(wěn)定性，未來，質(zhì)子交換膜可能會(huì)從“全氟—非全氟—非氟”三個(gè)階段進(jìn)行全氟磺酸膜的替代品探索。

2、效率角度：優(yōu)化全氟磺酸膜，提高導(dǎo)電效率

在成本固定的同時(shí)提高全氟磺酸質(zhì)子交換膜的導(dǎo)電效率也是重點(diǎn)研究方向。一方面，通過降低膜厚度來提高電流密度，從而提高產(chǎn)氫速率，并嘗試解決膜厚度減薄所帶來的機(jī)械強(qiáng)度問題；另一方面，由改性材料與全氟磺酸樹脂構(gòu)成復(fù)合質(zhì)子交換膜，從而對(duì)全氟磺酸膜進(jìn)行改性，提高膜的電導(dǎo)率。

（1）優(yōu)化膜厚度

從表1-3可知，膜的厚度與其導(dǎo)電性能呈反比關(guān)系。如今，商業(yè)化質(zhì)子交換膜呈現(xiàn)出不斷減薄的趨勢(shì)，從開始的Nafion117的200μm降低到戈?duì)柕?μm，超薄質(zhì)子交換膜能夠縮短質(zhì)子傳輸距離，降低質(zhì)子傳遞阻抗。當(dāng)前，人們采用三明治式復(fù)合膜解決了質(zhì)子膜減薄后所帶來的機(jī)械強(qiáng)度減弱問題，即以聚四氟乙烯薄膜為支撐，在其兩側(cè)涂覆質(zhì)子交換膜溶液，成膜得到“全氟磺酸樹脂∣聚四氟乙烯∣全氟磺酸樹脂”三明治結(jié)構(gòu)的復(fù)合膜。

那么，質(zhì)子交換膜厚度的極限在哪里？可以預(yù)估一下：厚度的極限受制于膜的孔徑大小，膜的孔徑大小受制于磺酸團(tuán)簇的尺寸，磺酸團(tuán)簇的尺寸在5nm左右，加上周邊的全氟主鏈至少有10nm，如果考慮到團(tuán)簇的連續(xù)性，再放大5倍，那么孔徑的極限約為50nm，這樣，質(zhì)子交換膜的厚度極限大約在0.5-1μm。這種厚度的高分子膜并不太難制備，比如采用靜電噴涂法，但是如何保持機(jī)械強(qiáng)度和生產(chǎn)批量化將是巨大的挑戰(zhàn)。

（2）探索復(fù)合質(zhì)子交換膜

目前廣泛商用的全氟磺酸質(zhì)子交換膜的導(dǎo)電率為0.1S/cm左右（Dow膜為0.114S/cm；Aciplex-S膜為0.108S/cm；Nafion115膜為0.059S/cm；Nafion117膜為0.107S/cm），研究人員發(fā)現(xiàn)，可以將改性材料添加至全氟磺酸樹脂中，構(gòu)成復(fù)合質(zhì)子交換膜，從而提高膜的電導(dǎo)率、阻燃性、力學(xué)性能等，但其制備技術(shù)要求較高，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程較慢。因此，突破復(fù)合膜的制備技術(shù)、探尋更優(yōu)性能的復(fù)合膜將成為降低全氟磺酸膜使用量的可能途徑之一。

表2-2 復(fù)合膜研究歷程和質(zhì)子導(dǎo)電率

3、國產(chǎn)化角度：國產(chǎn)化進(jìn)程加快將降低我國全氟磺酸膜的成本

（1）國內(nèi)已實(shí)現(xiàn)質(zhì)子交換膜產(chǎn)業(yè)化

質(zhì)子交換膜由于制備工藝復(fù)雜，長(zhǎng)期被杜邦、戈?duì)?、旭硝子等美國和日本少?shù)廠家壟斷，國內(nèi)全氟磺酸質(zhì)子交換膜行業(yè)起步較晚（始于2020年），東岳化工作為首家企業(yè)，于2020年投產(chǎn)年產(chǎn)50萬平方米的全氟磺酸質(zhì)子膜、全氟磺酸樹脂的生產(chǎn)線。

近年來，隨著我國東岳未來、科潤(rùn)新材料等國內(nèi)頭部質(zhì)子交換膜生產(chǎn)商的產(chǎn)能擴(kuò)張進(jìn)度加快，我國質(zhì)子交換膜的進(jìn)口依賴度有所下降，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2023年中旬，中國的全氟磺酸質(zhì)子交換膜總產(chǎn)能已達(dá)到約240萬平方米，已躍居全球最大的生產(chǎn)國家。

表2-3 國產(chǎn)全氟磺酸質(zhì)子交換膜產(chǎn)能

目前國產(chǎn)質(zhì)子交換膜主要通過主動(dòng)壓低價(jià)格來獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，如果實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化替代，預(yù)計(jì)將降低質(zhì)子交換膜的價(jià)格30%-40%。根據(jù)IEA的預(yù)測(cè)，未來質(zhì)子交換膜價(jià)格有望進(jìn)一步下降至500元/平方米，隨著技術(shù)突破，國產(chǎn)質(zhì)子交換膜的壽命逐年遞增，單位時(shí)間的質(zhì)子交換膜的成本也隨之下降。

圖2-1 質(zhì)子交換膜成本下降曲線預(yù)測(cè)（美元/kW）

資料來源：IEA，華寶證券研究創(chuàng)新部

（2）國產(chǎn)質(zhì)子交換膜替代過程仍面臨痛點(diǎn)

雖然國產(chǎn)質(zhì)子交換膜進(jìn)步明顯且已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，但是與成熟應(yīng)用多年的進(jìn)口品牌相比仍存在一定的差距，真正實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)替代還存在很多難點(diǎn)。

1）全氟磺酸樹脂的國產(chǎn)制備存在困難

質(zhì)子交換膜處于有機(jī)氟化工產(chǎn)業(yè)鏈末端，全氟磺酸膜的生產(chǎn)受限于原材料全氟磺酸樹脂的供應(yīng)。全氟磺酸樹脂及其原材料對(duì)企業(yè)的技術(shù)實(shí)力、設(shè)備水平、工藝環(huán)境都有嚴(yán)格的高要求，一般只有氟化工一體化龍頭企業(yè)才能夠生產(chǎn)，國內(nèi)大部分化工企業(yè)不具備合成高端聚四氟乙烯的技術(shù)，難以實(shí)現(xiàn)全氟磺酸樹脂的國產(chǎn)化供應(yīng)，目前僅有東岳集團(tuán)具備批量供應(yīng)能力。因此，國外對(duì)全氟磺酸樹脂的壟斷（市場(chǎng)價(jià)格接近200萬元/噸）成為限制我國全氟磺酸質(zhì)子交換膜降本的重要原因之一，未來隨著巨化股份、上海三愛富等多家國內(nèi)企業(yè)成功量產(chǎn)全氟磺酸樹脂，全氟磺酸膜將實(shí)現(xiàn)上游供應(yīng)端的國產(chǎn)替代。

2）質(zhì)子交換膜國外壟斷性高，國產(chǎn)質(zhì)子交換膜市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)度不足

根據(jù)高工氫電統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)生產(chǎn)的燃料電池膜電極多數(shù)使用戈?duì)柕馁|(zhì)子交換膜，市占率在90%以上，市場(chǎng)集中度高，但國內(nèi)目前暫無以質(zhì)子交換膜為主營(yíng)業(yè)務(wù)的上市公司，僅東岳氫能正在接受IPO輔導(dǎo)中，市場(chǎng)規(guī)模遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。而杜邦公司在2015年就將其高性能化學(xué)品事業(yè)部獨(dú)立上市，成立科慕公司，以適應(yīng)燃料電池業(yè)務(wù)發(fā)展的需求。

3）國產(chǎn)質(zhì)子交換膜的性能依然存在不足

國外質(zhì)子交換膜生產(chǎn)廠商依靠長(zhǎng)期研究所形成的技術(shù)壁壘，對(duì)全球質(zhì)子交換膜形成成本優(yōu)勢(shì)，雖然國產(chǎn)全氟磺酸質(zhì)子交換膜的研究進(jìn)步飛速，但與國外相比，性能依然存在不足：

①膜厚度方面。戈?duì)柟旧a(chǎn)的增強(qiáng)型全氟磺酸Gore-Select復(fù)合膜已實(shí)現(xiàn)8μm厚度量產(chǎn)與商業(yè)化使用，成功降低了全氟磺酸樹脂的用量，實(shí)現(xiàn)了降本，此外戈?duì)柟疽淹瓿?μm膜厚度的實(shí)驗(yàn)，一旦投入市場(chǎng)，將嚴(yán)重阻礙我國質(zhì)子交換膜的國產(chǎn)化替代進(jìn)程。

②機(jī)械強(qiáng)度方面。一般來說，膜材料的拉伸強(qiáng)度越高，表明膜材的耐久性和穩(wěn)定性越好，在使用過程中的變形、破裂等現(xiàn)象就會(huì)相對(duì)減少。東岳氫能所生產(chǎn)的質(zhì)子交換膜在拉伸強(qiáng)度方面遠(yuǎn)不及科慕和戈?duì)枺ū?-4），相對(duì)而言，在電解水制氫領(lǐng)域，戈?duì)柕哪C(jī)械強(qiáng)度更好且價(jià)格更低。

③水含量和吸水性方面。一般來說，質(zhì)子交換膜中所含的水分越多，其導(dǎo)電性能就越好，這是因?yàn)樵谫|(zhì)子交換膜中，水分子可以與氫離子形成復(fù)合物，并通過跳躍式傳輸機(jī)制傳遞氫離子。從表2-5中可知，東岳氫能所生產(chǎn)的質(zhì)子交換膜水含率和水吸收率都低于科慕Nafion膜。

表2-4 科慕/戈?duì)?東岳質(zhì)子交換膜的性能與價(jià)格對(duì)比

表2-5 科慕與東岳質(zhì)子交換膜的水含量和吸水性方面對(duì)比

4）材料適配的長(zhǎng)周期驗(yàn)證困難

現(xiàn)階段，質(zhì)子交換膜國產(chǎn)替代最大的難點(diǎn)在于材料體系的適配和長(zhǎng)周期驗(yàn)證。批量導(dǎo)入國產(chǎn)質(zhì)子交換膜意味著原來的催化劑和氣體擴(kuò)散層等材料都需要重新調(diào)整，這需要產(chǎn)業(yè)鏈多家公司配合測(cè)試驗(yàn)證，且需要下游客戶愿意提供訂單和運(yùn)營(yíng)測(cè)試的場(chǎng)景。同時(shí)，質(zhì)子交換膜在電堆層面的缺陷和不足需要長(zhǎng)時(shí)間驗(yàn)證才能體現(xiàn)出來，在追求安全可靠的前提下，下游企業(yè)依然更傾向采購進(jìn)口產(chǎn)品，在國產(chǎn)質(zhì)子交換膜裝車示范應(yīng)用的項(xiàng)目上慎之又慎。

從國內(nèi)外質(zhì)子交換膜工業(yè)化發(fā)展歷程來看（圖2-2、圖2-3），美國杜邦公司早在1962年就開發(fā)出性能優(yōu)良的全氟磺酸型質(zhì)子交換膜，而東岳集團(tuán)于2003年才開始與上海交通大學(xué)聯(lián)合研發(fā)質(zhì)子交換膜，2009年實(shí)現(xiàn)國內(nèi)氯堿質(zhì)子膜的產(chǎn)業(yè)化，2010年6月完成燃料電池膜的國產(chǎn)化研究，2020年11月18日150萬平米質(zhì)子交換膜生產(chǎn)線一期工程投產(chǎn)，2022年7月8日與舜泰汽車有限公司合作完成50輛氫燃料電池冷藏車的交付運(yùn)營(yíng)。

因此，國產(chǎn)質(zhì)子交換膜在與下游應(yīng)用端的配合測(cè)驗(yàn)時(shí)間并不是很長(zhǎng)，還需要5年，甚至10年、15年來驗(yàn)證國產(chǎn)質(zhì)子交換膜與其他材料的適配性，以及車輛使用過程中的耐久性和安全性。

圖2-2 國外質(zhì)子交換膜工業(yè)化發(fā)展歷程

資料來源：根據(jù)各公司官網(wǎng)整理

圖2-3 東岳集團(tuán)質(zhì)子交換膜的發(fā)展歷程

資料來源：根據(jù)東岳集團(tuán)公司官網(wǎng)整理

除東岳氫能完成小范圍的試車外，浙江巨圣氟化學(xué)有限公司于2023年12月22日投資3.27億元建設(shè)500噸/年全氟磺酸樹脂項(xiàng)目，預(yù)計(jì)2024年3季度前完成項(xiàng)目施工，2025年1季度前完成安裝施工，2025年6月完成項(xiàng)目試車。如果成功，浙江巨圣氟化學(xué)有限公司將成為我國第二個(gè)實(shí)現(xiàn)“全氟磺酸樹脂-全氟磺酸膜-試車-裝車”的一體化公司。

三、結(jié)論

總的來看，本文認(rèn)為全氟磺酸質(zhì)子交換膜可能可以通過尋找替代品、優(yōu)化膜厚度、探索復(fù)合膜、產(chǎn)品國產(chǎn)化的途徑實(shí)現(xiàn)降本增效。

短期來看，全氟磺酸膜的國產(chǎn)化發(fā)展空間巨大，可以通過降低價(jià)格來搶占市場(chǎng)份額，緩解國外壟斷所帶來的高價(jià)問題，但是，如果想進(jìn)一步擴(kuò)大產(chǎn)能，解決原材料全氟磺酸樹脂的國產(chǎn)化制備才是關(guān)鍵。

中長(zhǎng)期來看，國產(chǎn)化質(zhì)子交換膜完成與下游應(yīng)用端的驗(yàn)證將加速質(zhì)子交換膜的國產(chǎn)化替代。

長(zhǎng)期來看，技術(shù)才是降本增效的關(guān)鍵，目前對(duì)全氟磺酸質(zhì)子交換膜的創(chuàng)新研發(fā)，要么性能不及預(yù)期，要么難以量產(chǎn)商業(yè)化，未來技術(shù)能否突破將成為全氟磺酸質(zhì)子交換膜價(jià)格降低的關(guān)鍵因素，而我國能否抓住此機(jī)遇實(shí)現(xiàn)彎道超車也將決定著國產(chǎn)質(zhì)子交換膜的成本與市場(chǎng)份額。

附表 東岳氫能質(zhì)子交換膜性能指標(biāo)

數(shù)據(jù)來源：根據(jù)東岳氫能公司官網(wǎng)整理