氢能“芯片”质子交换膜再传佳报。
近日，鸿达兴业旗下全资子公司金材科技传来好消息，历时25个月金材科技自主研发的质子交换膜，创新性地引入多项自主创新技术及成果，填补氢燃料电池的多项技术空白。
该项技术获得江苏省产业前瞻与关键核心技术科技计划项目资金支持。
据巅峰氢储介绍，金材科技自主研发的质子交换膜厚度只有15微米，目前质子交换膜进口的主流竞争对手价格是2000元1平方米，质子交换膜生产技术大批实现国产化后，预计能做到600元1平方米左右，这样能大幅降低氢燃料电池的成本。项目量产后，预计可以减少膜材料使用量20%以上，节省成本30%以上，大大降低能源和原料损耗。同样，对于氢能源汽车来说，通过大规模国产化的质子交换膜，能让每一台氢燃料汽车的核心部件电池成本降低2.8万元。“质子交换膜”被誉为氢能产业的“芯片”，是汽车燃料电池的核心部件，其作用是隔离氢气和氧气并传递质子，是PEM电解水制氢技术和燃料电池领域的关键原材料之一。质子交换膜制备工艺复杂，长期被戈尔、科慕等美国和日本的少数厂家垄断，国外企业在质子交换膜市场占据着主导地位。对于目前国内的企业来说，质子交换膜的难点主要在于生产周期长、工艺复杂、生产成本高，要突破这些壁垒，国内质子交换膜企业持续在发力。作为国产质子膜供应商的金材科技，创新性地引入多项自主创新技术及成果，填补氢燃料电池的多项技术空白，技术性能指标达到国际先进或国内领先水平，大大缩小与国外先进产品的差距，具有很好的产业化前景。相关专家认为，此次国内企业突破质子交换膜技术后，能够在一定程度上缓解当前进口质子膜供应不稳定、价格高等问题，对于绿氢产业发展也有促进作用。相关市场机构预测，到2030年质子交换膜需求量约2640万平米，市场空间可达132亿元，按照10%用到本项目的质子交换膜计算，将有产值12亿元。同样，质子交换膜的国产自主研发后，将进一步完善我国氢能产业链。此前，鸿达兴业已在氢气的制取、储存、运输及加注等上游全产业链，积累了丰富的经验，并拥有气态、液态、固态储氢三种技术。此次旗下子公司金材科技发布质子交换膜技术后，不仅增强企业的韧性，也将助力我国氢能产业的高质量发展。质子交换膜是一种致密的离子选择性透过的膜，在电解水制氢中承担着重任。根据质子交换膜含氟量的不同，分为全氟磺酸膜、部分氟化聚合物膜、新型非氟聚合物膜、复合膜。其中由于全氟磺酸聚合物具有聚四氟乙烯结构，其碳-氟键的键能高，在力学性能、热稳定性、化学稳定性上有更为优秀的表现，使得此类质子交换膜比其他膜材料具有更长的使用寿命，同时由于分子支链上存在亲水性磺酸基团，离子传导特性更为优异。因此，全氟磺酸膜是目前主流的质子交换膜方案。全氟磺酸膜目前的制备方法主要有三种：熔融挤出流延法，溶液浇注成型法，以及溶液钢带流延法，其中熔融挤出流延法是目前最为成熟的加工方法，主要材料分别为全氟磺酸树脂（PFAR）和全氟磺酰树脂（PFSR）。质子交换膜最早应用于海水淡化与氯碱工业。工业化历程始于20世纪70年代，最早由美国杜邦公司开发全氟磺酸离子分离膜并将其应用于氯碱工业，后续美国通用公司将全氟磺酸膜应用于质子交换膜燃料电池，美国GE公司将全氟磺酸膜应用于电解制氢技术。双碳战略背景下，氢能凭借环保、高热值和转化率、可提升可再生能源利用率等优势，迎来发展新机遇。在技术层面，电解水制氢技术可分为碱性电解水制氢(ALK)、质子交换膜电解水制氢(PEM)、固体氧化物电解水制氢(SOE)和阴离子交换膜电解水制氢（AEM）。其中PEM电解制氢能够提供更宽的负载范围和更短的响应启动时间，与水电、风电、光伏具有良好的匹配性，适合未来能源结构的发展，由此成为与碱式电解水制氢并驾齐驱的一种制氢技术。
PEM水电解槽主要内部组件由内到外依次是质子交换膜、阴阳极催化层、阴阳极气体扩散层、阴阳极端板等。其中质子交换膜、催化层与扩散层组成膜电极，是整个水电解槽物料传输以及电化学反应的主场所。作为水电解槽膜电极的核心组件，质子交换膜不仅传导质子，隔离氢气和氧气，而且还为催化剂提供支撑，其性能的好坏直接决定水电解槽的性能和使用寿命，因此在整个设备中至关重要。从技术角度看，PEM电解水技术具有独特优势，许多新建项目开始转向选择PEM电解技术，近年开始获得较多的市场份额。近年，国内以PEM制氢为代表的可再生能源制氢项目明显增多，项目逐渐呈现大型化、规模化、综合利用趋势，同时产品研发及市场推广进程加快。自去年以来，PEM电解槽项目落地速度加快，据全球氢能不完全统计，国内已有多个PEM电解槽项目有突破性进展，其中有11个项目达到MW级，总规模达到569.5MW。具体如下所示。质子交换膜只允许氢离子穿过，为质子的迁移和输送提供通道，是质子交换膜PEM电解水制氢和燃料电池领域的关键原材料之一。质子交换膜电解水制氢技术具有快速启停优势，能匹配可再生能源发电的波动性，正逐渐得到市场认可。据全球氢能不完全统计，目前国内现有质子交换膜产能达140万平米/年。近年随着中国对氢能产业的大力支持，不仅仅是金材科技，国内也涌现了一批优秀的质子交换膜企业，质子交换膜国产化提速，东岳、科润、武汉绿动等企业积极布局，部分如下所示。武汉绿动氢能成立于2020年7月，是国家电投氢能公司在武汉市注册成立的全资子公司，专注于质子交换膜、电堆和系统的研发、生产和销售。该公司也是国家电投集团落地武汉经济开发区的重点项目“国家电投华中氢能产业基地及研发中心”的承接主体。2021年12月5日，国内首条全自主可控的氢燃料电池质子交换膜生产线在武汉投产，可生产厚度从8微米到20微米的质子交换膜，产品在质子电导率、气体渗透率（H2）、机械强度等方面均相当或优于国内外同类竞品，但价格只有国外同类产品的一半。此外，目前，武汉绿动膜电极产线每年可满足万套电堆需求，质子交换膜产能为30万m2/年，水电解膜产能可达1万m2/年，同时为了适应发展迅速的储能行业市场需求，武汉绿动亦释放部分产能拓展液流电池膜业务。此外，据透露，2023年，武汉绿动双极板产线正在建设中，系统产线基建基本完成。东岳未来是一家氢燃料电池生产商，成立于2017年12月19日，致力于为燃料电池生产企业用户提供燃料电池膜以及配套化学品等材料产品。东岳是国内质子交换膜领军企业。目前东岳DF260 膜厚度最低可达10um，通过AFCC6000小时测试，在OCV情况下耐久性大于600 小时，在干湿循环和机械稳定性方面，循环次数都超过2万次。此外，东岳集团拥有全球最完整的燃料电池全氟质子膜产业链，拥有含氟功能膜材料国家重点实验室，形成涵盖原材料、关键中间体、树脂及质子交换膜全方位的完整的知识产权体系。2020年11月，东岳150万平米质子交换膜生产线一期工程投产，一期产能主要包括50万平米燃料电池交换膜。中国科学院院士欧阳明高表示，东岳150万平方米质子交换膜项目的投产，标志着我国不仅在质子交换膜技术方面走在世界前列，而且达到了世界级的生产规模。苏州科润新材料股份有限公司（简称“科润新材料”）主要从事氢能和液流储能领域核心膜材料-质子交换膜的研发及产业化，解决了进口质子膜对我国氢能和储能领域“卡脖子”难题。科润新材料有着超过10年的离子膜技术开发经验，拥有16项全氟离子膜方面的技术专利（其中一项PCT国际专利）是中国第一家钢带流延法批量生产全氟离子膜的企业，是全球唯一量产供应储能液流电池用质子交换膜的中国企业，同时是国内仅有的两家能批量供应氢燃料电池用质子交换膜的企业之一。科润新材料目前有3条质子交换膜生产线，产能30万平方米/年，公司生产的液流电池用质子交换膜，占据国内液流电池用质子交换膜市场70%以上的市场份额；未来五年内科润新材料预计将形成500万平米质子交换膜产能。2021年2月，科润年产100万平米质子交换膜项目奠基仪式举行。2022年10月，科润新材料总部项目奠基仪式在吴江开发区举行。项目建成后可年产100万平方米质子膜，实现产值8亿元，利税3.2亿元，成为国内最大的质子交换膜生产项目之一。江苏源氢新能源科技股份有限公司成立于2022年1月，泛亚微透参股，位于江苏省常州市武进区。公司以膨体聚四氟乙烯（ePTFE）膜技术及涂布设备和工艺应用经验为基础，在氢质子交换膜（PEM）、功能膜电极组件（MEA）和氢质子交换膜燃料电池（PEMFC）等关键材料及零部件方面进行创新研发和产业布局，致力于我国新能源产业积极发展。2022年8月8日上午，江苏源氢新能源项目在江苏省常州市武进区开工奠基，主要研发生产电堆系统采用的质子交换膜，项目分两期建设，预计年产氢质子交换膜约650万平方米。氢辉能源(深圳)有限公司致力于PEM电解水核心材料、部件的国产化、产业化，构建产业生态，提供一站式绿氢制备解决方案。公司由南方科技大学讲席教授李辉团队创建，核心技术来源于自主研发，目前已成功实现多个核心部件的批量化生产，多项技术属国内首创、国际领先。公司研发生产面积达5500平方米，现已完成4GW增强型质子交换膜产线、GW可定制化膜电极产线建设。公司产品包括：增强型质子交换膜、定制化膜电极、PEM电解槽、多通道PEM电解槽测试台架等，公司产品性能达到国内领先、国际一流水平。目前氢辉能源已成功自主研发80-100微米等不同型号质子交换膜，该膜具有低阻抗、高选择性、高机械稳定性和在腐蚀性环境中的高化学稳定性等优点，性能更优，且更适合电解水制氢的应用场景。2023年7月12日，氢辉能源（深圳）有限公司（简称“氢辉能源”）举行质子交换膜产线投产发布会暨12台电解槽交付仪式。该产线使用精密狭缝涂布技术具有涂层均匀性高、涂布速度快、可适用浆料的黏度范围广等优点；悬浮式热处理技术具有热挥发效率高、运行张力低等优点，产线可实现1050mm宽幅的连续生产，年产能达4GW，在国内处于领先水平。上海中科同力化工材料有限公司，成立于2002年2月，由中国科学院上海有机化学研究所、上海同济科技实业股份有限公司以及上海神力科技有限公司等投资者共同组建而成。主要业务领域包括 OPC / OLED 化学品的创新合成工艺开发和产品研制、吲哚系列衍生物以及其他特殊结构的医药中间体的研制、具有质子交换功能的创新化学结构的树脂和膜材料、高分子改性添加剂、同时致力与化学和化工过程的自动控制技术和产品及服务的开发和经营。该公司开发的质子交换膜应用于我国首台燃料电池电动汽车。中科同力先后得到国家多项研究经费支持。创新完成了“部分含氟质子交换树脂”的中试规模合成技术研究；创新完成了中试规模的膜制备研究；初步测试电化学性能与进口膜相近，而成本大大低于进口膜。汉丞科技是一家含氟薄膜材料及产品研发商，旗下主要产品涵盖纳米微孔薄膜材料、超薄增强氟膜等产品，应用于新能源电池、节能环保、个人防护、航空航海、医疗等领域，利用该材料研制的车用氢燃料电池具有环保、零碳、无臭气的特点。汉丞Hyproof增强型全氟磺酸质子交换膜是一种超薄增强型复合膜，可用于燃料电池质子交换膜电极、水电解制氢隔膜、储能电池隔膜及许多电化学应用。具有良好的质子选择性，高机械强度，高离子传导率，低溶胀形变，耐强酸，使用寿命长等特点。深圳市通用氢能科技有限公司（简称“通用氢能”）成立于2018年，是华电重工股份有限公司控股的国家高新技术企业，公司致力于氢能关键材料气体扩散层、质子交换膜及催化剂的研发与批量化制造，解决PEM电解水制氢和氢燃料电池领域的“卡脖子“问题，通过关键材料的降本增效助力我国氢能产业的快速发展。上海华谊三爱富是国内专业从事氟聚合物、氟精细化学品、氟制冷剂等各类含氟化学品的研究、开发、生产和经营的企业。其前身是成立于1960年4月的上海合成橡胶研究所(SISR)，1981年5月研究所更名为上海市有机氟材料研究所(SIOFM)。1992年8月由上海市有机氟材料研究所相关资产改制为上海三爱富新材料股份有限公司，并在上海证券交易所上市，2017年进行重大资产重组，100%由上海华谊(集团)公司控股，并更名为上海华谊三爱富新材料有限公司。主要经营范围为有机氟材料及其制品、化工产品等。在燃料电池研发应用领域，上汽集团与华谊集团将发挥所长攻克关键技术，实现基础核心材料（如质子交换膜）的国产化替代。苏州福氢氢能科技有限公司（以下简称“福氢氢能”）成立于2022年，聚焦制氢和用氢环节，是一家技术驱动型公司，专注质子交换膜相关产品的研发和生产，产品覆盖燃料电池质子交换膜和电解水制氢质子交换膜。2023年5月，福氢氢能宣布完成天使轮融资；9月22日，福氢氢能宣布完成数千万元新一轮融资。当前，福氢氢能已建立起质子交换膜量产线，产品已在客户端完成批量测试验证，各项参数以及耐久性和一致性均不逊于国内外同类产品，目前公司已批量出货。总的来说，作为氢燃料电池车商业化的关键，PEM的市场前景可期。目前的国内企业已经在一定程度上打破海外企业对国内PEM市场的垄断，但要进一步扩大占有率还需要实现新的突破，不过，在政策支持和需求旺盛的情况下，国内企业也迎来了更大的发展空间，氢燃料电池质子交换膜行业有望迎来高速成长。
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