质子交换膜（IEM）特性、种类分析及市场前景预测【图】

    质子交换膜（IEM）主要由氟磺酸型固体聚合物组成，Pt/C 或 Pt-Ru/C 为电催化剂，氢或 净化重整气为燃料，空气或纯氧气为氧化剂，带有气体流动通道的石墨或表面改 性金属板为双极板。其中，IEM 技术壁垒最高，其次为催化剂、双极板。相比于 普通电源的隔膜，IEM 具有很大的特异性。首先, 作用不同, 它不只是一种隔膜 材料, 更起到电解质和电极活性物质(电催化剂层)基底的作用; 其二, 特点不 同, 通常电池的隔膜属于多孔性膜, 则 IEM 实际是一种选择性透过膜。

膜电极（MEA）结构

    一、质子交换膜要求高

用于 PEMFC 质子交换膜主要要求

    二、质子交换膜种类繁多

    全氟质子交换膜具有优良的热稳定性、化学稳定性，性能优于非氟或者部分氟 化交换膜。质子交换膜根据含氟情况进行分类，主要可分为四类，全氟质子交换 膜、部分氟化聚合物膜、新型非氟聚合物膜、复合膜。由于全氟磺酸树脂(PFSA) 分子的主链具有聚四氟乙烯结构，具有优良的热稳定性、化学稳定性和较高的力 学强度，聚合物膜的使用寿命较长；同时分子支链上的亲水性磺酸基团能够吸附 水分子，具有优良的离子传导特性。由于非氟质子膜在苛刻的电池工作环境中很 快会降解破坏，无法具备全氟磺酸离子膜的优异性能。

各类质子交换膜优缺点

    全氟类质子交换膜率先实现产业化。全氟类质子交换膜又可分为普通全氟化质 子交换膜、增强型全氟化质子交换膜、高温型复合质子交换膜，其中普通全氟 化质子交换膜已经率先实现产业化。普通全氟化质子交换膜主要集中在美、日、 加、中四国，美国杜邦（Dupont）的 Nafion 系列膜、Dow 公司的 Dow 膜、陶氏 Xus-B204 膜、3M 全氟碳酸膜、日本旭化成 Alciplex，旭硝子 Flemion，氯工程 C系列；加拿大Ballard公司BAM膜，比利时Solvay膜；中国山东东岳集团DF988、 DF2801 质子交换膜。20 世纪 80 年代初加拿大 Ballard 公司将全氟磺酸质子交 换膜用于 PEMFC 并获得成功以来，全氟磺酸膜成为现代 PEMFC 唯一商业化的膜 材料普通全氟化质子交换膜。增强型全氟化质子交换膜主要包括 PTFE/全氟磺酸 复合膜和玻璃纤维/全氟磺酸复合膜。高温型复合质子交换膜主要包括杂多酸/ 全氟磺酸复合膜和无机氧化物/全氟磺酸复合膜。

全氟磺酸膜种类

各种全氟磺酸树脂膜结构及基本参数

    三、质子交换膜合成

    全氟磺酸离子交换膜上游是萤石材料的开采，其主要成分是氟化钙，中间体为全 氟乙烯基醚（CF2-CF-O-RF）和四氟乙烯（CF2=CF2），其中 RF 表示不同的烷 基基团，最终合成全氟磺酸离子交换树脂。质子交换膜的合成步骤主要分为两大 步骤，首先，采用全氟乙烯基醚和四氟乙烯共聚的方法来合成全氟离子交换树脂 前驱体；然后前驱体经熔融挤出法来完成成膜工序。特殊情况下，会把全氟磺酸 膜（PFSA）和聚四氟乙烯（PTFE）进行复合来增强膜的机械强度。

全氟离子膜合成路线图

    目前全球萤石资源储量约为 6 亿吨，我国储量占 54%，国内供应充足，价格与材料选择余地较大。 聚四氟乙烯由四氟乙烯单体共聚法制得，而四氟乙烯则由二氟一氯甲烷（R22） 裂解而来。R22 通常使用氢氟酸和氯仿来合成，氢氟酸则采用氟化钙和硫酸反应制备。R22 产能方面，目前国内总产能约 80 万吨，市场 需求约 50 万吨，其中制冷剂约 27 万吨。

聚四氟乙烯产能分布（吨）

R22 产能分布（单位：万吨）

    而全氟树脂的制造方面国内相对薄弱，目前仅有一家有规模化生产能力。

全氟离子交换树脂前驱体的合成

    四、质子膜具备国产化条件，未来发展前景广阔

    随着燃料电池批量化生产，质子交换膜生产成本降幅明显。目前 Nafion 膜的售 价一般在 500 美元/平米以上，数据显示 80 kw 的燃料电池需要约 11.8 平 米的质子交换膜，质子交换膜材料成本至少为 73.75 美元/kw。美国能源部的研究表明，在燃料电池系统年产量为 1000 台的条件下，燃料电池堆成本为 154 美 元/千瓦，而当产量扩大至 50 万台每年时，燃料电池堆成本将降至 26 美元/千瓦。 相应地聚合物电解质膜在整个燃料电池堆的成本占比也将由 1000 台时的 28% （对应成本为 43.12 美元/ kw）降至 10%（对应成本为 2.6 美元/ kw）。我们可 以看出，随着燃料电池批量化生产，质子交换膜生产成本降幅明显。

质子交换膜成本占比随产量增多而下降

燃料电池系统年产量为1000台

燃料电池系统年产量为5000台
质子交换膜成本持续下降
  

国产膜与进口商品膜燃料电池性能比较