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。
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。
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。
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》 |
|