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(yáng)離子交換膜，最早由美國(guó)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(guò)研究質(zhì)子交換膜的關(guān)鍵基體材料“全氟磺酸樹(shù)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(lái)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(shù)脂

全氟磺酸樹(shù)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?xún)?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(shù)脂被美國(guó)杜邦研發(fā)問(wèn)世。圖1-1為全氟磺酸樹(shù)脂的產(chǎn)業(yè)鏈。

圖1-1 全氟磺酸樹(shù)脂的產(chǎn)業(yè)鏈

1、上游——制備方法與難點(diǎn)

（1）全氟磺酸樹(shù)脂的制備

全氟磺酸樹(shù)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(shù)脂，再通過(guò)水解反應(yīng)得到全氟磺酰樹(shù)脂。

制成的全氟磺酸樹(shù)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)。磺酸基團(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(guò)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(shù)脂結(jié)構(gòu)圖

（2）全氟磺酸樹(shù)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(shù)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(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)全氟磺酸樹(shù)脂進(jìn)口依賴(lài)度高達(dá)95%以上。具體來(lái)說(shuō)，全氟磺酸樹(shù)脂制備過(guò)程主要有以下幾個(gè)難點(diǎn)：

1）原材料TFE屬于高危化學(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(shù)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(wú)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(kāi)發(fā)出的不同結(jié)構(gòu)的PSVE單體紛紛申請(qǐng)專(zhuān)利，專(zhuān)利保護(hù)性較強(qiáng)。

3）聚合樹(shù)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(shù)脂通過(guò)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(shuō)明

資料來(lái)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(guò)水解轉(zhuǎn)型才能得到最終產(chǎn)品，而水解工藝幾乎被美國(guó)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(shù)脂的應(yīng)用

現(xiàn)階段，全氟磺酸樹(shù)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(shù)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(shù)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(chē)用燃料電池交換膜均是以全氟磺酸樹(shù)脂為基礎(chǔ)制備而來(lái)；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(lái)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(shù)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(shù)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(guò)厚會(huì)導(dǎo)致氫氣和氧氣的擴(kuò)散過(guò)程受阻。美國(guó)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(jiàn)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(guò)薄則可能導(dǎo)致質(zhì)子交換速率過(guò)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(kāi)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(kāi)發(fā)所面臨的瓶頸問(wèn)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(shù)脂通過(guò)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(kāi)路電壓老化測(cè)試

圖片來(lái)源：GORE公司官網(wǎng)

（2）全氟磺酸樹(shù)脂催化劑

全氟磺酸樹(shù)脂因強(qiáng)酸性、易分離、無(wú)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?shù)脂的需求量不高，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(shù)脂充當(dāng)催化劑的催化效果。

表1-4 全氟磺酸樹(shù)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(guó)能源體系的重要組成部分，在未來(lái)新型能源體系中占據(jù)無(wú)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(guò)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(guò)程中的環(huán)境污染問(wèn)題，近年來(lái)國(guó)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(lái)，研究人員通過(guò)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(wú)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(guó)外對(duì)非全氟和無(wú)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(wú)氟磺酸質(zhì)子交換膜急需解決的最大技術(shù)問(wèn)題是降低氟含量的同時(shí)，滿(mǎn)足質(zhì)子交換膜要求的機(jī)械穩(wěn)定性，未來(lái)，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(guò)降低膜厚度來(lái)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(lái)的機(jī)械強(qiáng)度問(wèn)題；另一方面，由改性材料與全氟磺酸樹(shù)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(kāi)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(lái)的機(jī)械強(qiáng)度減弱問(wèn)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(shù)脂∣聚四氟乙烯∣全氟磺酸樹(shù)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(shù)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(guó)產(chǎn)化角度：國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程加快將降低我國(guó)全氟磺酸膜的成本

（1）國(guó)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?guó)和日本少數(shù)廠家壟斷，國(guó)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(wàn)平方米的全氟磺酸質(zhì)子膜、全氟磺酸樹(shù)脂的生產(chǎn)線。

近年來(lái)，隨著我國(guó)東岳未來(lái)、科潤(rùn)新材料等國(guó)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(guó)質(zhì)子交換膜的進(jìn)口依賴(lài)度有所下降，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2023年中旬，中國(guó)的全氟磺酸質(zhì)子交換膜總產(chǎn)能已達(dá)到約240萬(wàn)平方米，已躍居全球最大的生產(chǎn)國(guó)家。

表2-3 國(guó)產(chǎn)全氟磺酸質(zhì)子交換膜產(chǎn)能

目前國(guó)產(chǎn)質(zhì)子交換膜主要通過(guò)主動(dòng)壓低價(jià)格來(lái)獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，如果實(shí)現(xiàn)國(guó)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(lái)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(guó)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(lái)源：IEA，華寶證券研究創(chuàng)新部

（2）國(guó)產(chǎn)質(zhì)子交換膜替代過(guò)程仍面臨痛點(diǎn)

雖然國(guó)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(guó)產(chǎn)替代還存在很多難點(diǎn)。

1）全氟磺酸樹(shù)脂的國(guó)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(shù)脂的供應(yīng)。全氟磺酸樹(shù)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(guó)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(shù)脂的國(guó)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(guó)外對(duì)全氟磺酸樹(shù)脂的壟斷（市場(chǎng)價(jià)格接近200萬(wàn)元/噸）成為限制我國(guó)全氟磺酸質(zhì)子交換膜降本的重要原因之一，未來(lái)隨著巨化股份、上海三愛(ài)富等多家國(guó)內(nèi)企業(yè)成功量產(chǎn)全氟磺酸樹(shù)脂，全氟磺酸膜將實(shí)現(xiàn)上游供應(yīng)端的國(guó)產(chǎn)替代。

2）質(zhì)子交換膜國(guó)外壟斷性高，國(guó)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(guó)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(guó)內(nèi)目前暫無(wú)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(guó)產(chǎn)質(zhì)子交換膜的性能依然存在不足

國(guó)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(guó)產(chǎn)全氟磺酸質(zhì)子交換膜的研究進(jìn)步飛速，但與國(guó)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(shù)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(guó)質(zhì)子交換膜的國(guó)產(chǎn)化替代進(jìn)程。

②機(jī)械強(qiáng)度方面。一般來(lái)說(shuō)，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(guò)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(lái)說(shuō)，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(guò)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(guó)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(guó)產(chǎn)質(zhì)子交換膜意味著原來(lái)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(hù)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(lái)，在追求安全可靠的前提下，下游企業(yè)依然更傾向采購(gòu)進(jìn)口產(chǎn)品，在國(guó)產(chǎn)質(zhì)子交換膜裝車(chē)示范應(yīng)用的項(xiàng)目上慎之又慎。

從國(guó)內(nèi)外質(zhì)子交換膜工業(yè)化發(fā)展歷程來(lái)看（圖2-2、圖2-3），美國(guó)杜邦公司早在1962年就開(kāi)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(kāi)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(guó)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(guó)產(chǎn)化研究，2020年11月18日150萬(wàn)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(chē)有限公司合作完成50輛氫燃料電池冷藏車(chē)的交付運(yùn)營(yíng)。

因此，國(guó)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(lái)驗(yàn)證國(guó)產(chǎn)質(zhì)子交換膜與其他材料的適配性，以及車(chē)輛使用過(guò)程中的耐久性和安全性。

圖2-2 國(guó)外質(zhì)子交換膜工業(yè)化發(fā)展歷程

資料來(lái)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(lái)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(chē)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(shù)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(chē)。如果成功，浙江巨圣氟化學(xué)有限公司將成為我國(guó)第二個(gè)實(shí)現(xiàn)“全氟磺酸樹(shù)脂-全氟磺酸膜-試車(chē)-裝車(chē)”的一體化公司。

三、結(jié)論

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

短期來(lái)看，全氟磺酸膜的國(guó)產(chǎn)化發(fā)展空間巨大，可以通過(guò)降低價(jià)格來(lái)?yè)屨际袌?chǎng)份額，緩解國(guó)外壟斷所帶來(lái)的高價(jià)問(wèn)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(shù)脂的國(guó)產(chǎn)化制備才是關(guān)鍵。

中長(zhǎng)期來(lái)看，國(guó)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(guó)產(chǎn)化替代。

長(zhǎng)期來(lái)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(lái)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(guó)能否抓住此機(jī)遇實(shí)現(xiàn)彎道超車(chē)也將決定著國(guó)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(lái)源：根據(jù)東岳氫能公司官網(wǎng)整理