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燃料电池质子交换膜市场及企业概述|一览众车

2020-08-27  一点进步   |  转藏
   

一、燃料电池的构成

燃料电池(Fuel Cell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。本文讨论的质子交换膜燃料电池(PEMFC)堆的基本结构主要由质子交换膜、催化剂层、扩散层、双极板组成。聚合物电解质膜被碳基催化剂所覆盖,催化剂直接与扩散层和电解质两者接触以求达到最大的相互作用面。催化剂构成电极,在其之上直接为扩散层。电解质、催化剂层和气体扩散层的组合被称为膜片-电极组件。

从成本构成来看,双极板和电催化剂在燃料电池堆中的成本占比分别为23%和36%,膜电极的成本占比为16%,技术壁垒最高的组件质子交换膜的成本占比为12%。

图表1 氢燃料电池堆成本构成

资料来源:一览众咨询《2019-2025年氢燃料电池产业链市场调研及投资前景报告》

二、质子交换膜基本特性

质子交换膜(PEM)是质子交换膜燃料电池的核心部件,是一种厚度仅为50~180um的薄膜片,其微观结构非常复杂。它为质子传递提供通道,同时作为隔膜将阳极的燃料与阴极的氧化剂隔开,其性能好坏直接影响电池的性能和寿命。它与一般化学电源中使用的隔膜有很大不同,它不只是一种隔离阴阳极反应气体的隔膜材料,还是电解质和电极活性物质(电催化剂)的基底,即兼有隔膜和电解质的作用;另外,PEM还是一种选择透过性膜,在一定的温度和湿度条件下具有可选择的透过性,在质子交换膜的高分子结构中,含有多种离子基团,它只容许氢离子(氢质子)透过,而不容许氢分子及其他离子透过。

质子交换膜燃料电池对于质子交换膜的要求非常高,质子交换膜必须具有良好的质子电导率、良好的热和化学稳定性、较低的气体渗透率,还要有适度的含水率,对电池工作过程中的氧化、还原和水解具有稳定性,并同时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的性能。

质子交换膜的物理、化学性质对燃料电池的性能具有极大的影响,对性能造成影响的质子交换膜的物理性质主要有:膜的厚度和单位面积质量、膜的抗拉强度、膜的含水率和膜的溶胀度。质子交换膜的电化学性质主要表现在膜的导电性能(电阻率、面电阻,电导率)和选择通过性能(透过性参数P)上。

  • 膜的厚度和单位面积质量。膜的厚度和单位面积质量越低,膜的电阻越小,电池的工作电压和能量密度越大;但是如果厚度过低,会影响膜的抗控强度,甚至引起氢气的泄漏而导致电池的失效。
  • 膜的抗拉强度。膜的抗拉强度与膜的厚度成正比,也与环境有关,通常在保证膜的抗拉强度的前提下,应尽量减小膜的厚度。
  • 膜的含水率。每克干膜的含水量称为膜的含水率,可用百分数表示。含水率对膜电解质的质子传递能力影响很大,还会影响到氧在膜中的溶解扩散。含水率越高,质子扩散因子和渗透率也越大,膜电阻随之下降,但同时膜的强度也有所下降。
  • 膜的溶胀度。膜的溶胀度是指离子膜在给定的溶液中浸泡后,离子膜的面积或体积变化的百分率,即浸液后的体积(面积)和干膜的体积(面积)的差值与干膜的体积(面积)的百分比。膜的溶胀度表示反应中膜的变形程度。溶胀度高,在水合和脱水时会由于膜的溶胀而造成电极的变形和质子交换膜局部应力的增大,从而造成电池性能的下降。

质子交换膜材料类型

到目前为止,已经开发出了大量的PEM材料。从膜的结构来看,PEM大致可分为三大类:磺化聚合物膜,复合膜,无机酸掺杂膜。目前研究的PEM材料主要是磺化聚合物电解质。质子交换膜燃料电池曾采用酚醛树脂磺酸型膜、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,全氟磺酸型膜最适合作为质子交换膜燃料电池的固体电解质。

全氟磺酸膜的优点是:机械强度高,化学稳定性好和在湿度大的条件下导电率高;低温时电流密度大,质子传导电阻小。但是全氟磺酸质子交换膜也存在一些缺点,如:温度升高会引起质子传导性变差,高温时膜易发生化学降解;单体合成困难,成本高;价格昂贵等。

针对全氟磺酸膜的缺点,科研人员也在寻找高性能低成本的替代膜。

  • 一个选择是使用全氟磺酸材料与聚四氟乙烯(PTFE)的复合膜,其中PTFE是起强化作用的微孔介质,而全氟磺酸材料则在微孔中形成质子传递通道。这种复合膜能够改善膜的机械强度和稳定性,而且膜可以做得很薄,减少了全氟磺酸材料的用量,降低了膜的成本,同时较薄的膜还改善了膜中水的分布,提高了膜的质子传导性能。
  • 另一个选择是寻找新的低氟或非氟膜材料。此外,还可以采用无机酸与树脂的共混膜,不仅可以提高膜的电导率,还可以提高膜的工作温度。

质子交换膜参与企业

质子交换膜不同于一般电池中的隔膜,而是一种特殊的选择性透过性膜,可以起到传导质子、分割氧化剂与还原剂的作用,技术要求非常高,必须达到质子导电率高,水分子电渗透作用小,干湿转换性能好等要求。

最早用于燃料电池的质子交换膜是美国杜邦公司于上世纪60年代末开发的全氟磺酸质子交换膜(Nafion膜),此后,又出现了其它几种类似的全氟磺酸结构质子交换膜,包括美国陶氏(Dow)化学公司的Dow膜、日本AsahiChemical公司的Aciplex膜和AsahiGlass公司的Flemion膜。目前主流供应商依然以美国杜邦为主。

之前核心技术掌握在美国杜邦、日本旭化成等外企手里,当前市场主流的还国是美国DuPont公司生产的Nafion膜片,该种膜片具有质子电导率高和化学稳定性点好的优点。

国内市场方面,当前国内质子交换膜价格高,价格高居不下的原因一方面是技术垄断,另一方面也是工艺成本高所致。为了获得稳定而廉价的燃料电池,质子交换膜是最大的瓶颈和未来必须突破的领域。目前,国内在这一领域的参与主体主要包括大学科研机构及资金技术实力较强的商业公司。

  • 国内研究机构如天津大学、武汉理工大学、大连化学物理所等在质子交换膜领域研究较久。
  • 国内的商业化生产商,主要是大连新源股份、上海神力科技和同济科技旗下的中科同力。
  • 同济科技与中科院上海有机化学研究所、上海神力科技共同组建了中科同力化工材料有限公司,同济科技目前持股36.23%。中科同力主要致力于质子交换膜燃料电池关键材料与部件研发。
  • 东岳集团虽然主盈利在氟硅树脂材料,但依然有布局新材料,生产被原杜邦(现科慕)垄断的材料质子交换膜,并且有出货量。东岳集团2010年将自主研发的离子膜开始推向市场,东岳和AFCC合作,共同开发了DF260燃料电池膜。2013年东岳与奔驰、福特签订正式合作协议,一起联合开发燃料电池膜,表明公司技术已经得到世界顶级厂商的认可。

图表2 质子交换膜主要参与企业及科研机构

资料来源:一览众咨询《2019-2025年燃料电池产业链市场调研及投资前景报告》

总体来看,迄今最常用的质子交换膜(PEM)仍然是美国杜邦公司的Nafion质子交换膜,PEMFC大多采用Nafion等全氟磺酸膜,国内装配PEMFC所用的PEM主要依靠进口。

随着燃料电池批量化生产,质子交换膜生产成本降幅明显。由于在燃料电池中质子交换膜成本所占比例极高,降低质子交换膜的价格成为燃料电池进行成功商业化应用的关键因素之一。一览众咨询预计到2035年,汽车用燃料电池质子交换膜需求规模约24.79亿元。(市场详细分析见一览众咨询撰写的《2019-2025年燃料电池产业链市场调研及投资前景报告》)

《2019-2025年燃料电池产业链市场调研及投资前景报告》

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