日期：2023-05-16 来源：高工氢电
燃料电池材料的国产化已经进入到“深水区”，较早就尝试国产化替代的质子交换膜，距离批量化商用仍差最后的临门一脚。“我们公司去年已经开始导入国产质子交换膜验证和测试，目前还没有批量应用的打算。”国内一家膜电极企业高层告诉记者，从装堆测试的情况来看，国产质子交换膜单批次产品的技术指标跟国外品牌差别不大，但要批量替换目前还难以做到。就在头部质子交换膜企业为加快商用而努力时，上海汉丞、元隽氢能、清驰科技等后起之秀也加入到质子交换膜国产化的阵营，部分企业的产品也开启了测试验证。现阶段，国产质子交换膜未能突破规模化商用主要有哪些瓶颈？新势力的入局是否会加快国产化步伐？本文将梳理这些问题。
市场未扩大 替代进口动力不足。质子交换膜（PEM）也称为质子膜或氢离子交换膜，被誉为是燃料电池的芯片，其性能的好坏直接决定着燃料电池的性能和使用寿命。对于目前国内的企业来说，质子交换膜的难点主要在于工艺周期长、工艺复杂、成膜的成本高，要解决这些问题，除了国内质子交换膜企业的努力之外，还需要下游膜电极和电堆企业的配合。“由于之前一直是使用进口产品，替换国产质子交换膜最大的难点在于材料体系的适配。”国内一家头部膜电极企业技术总监告诉记者，批量导入国产质子交换膜意味着原来的催化剂和气体扩散层等材料都需要重新调整，这是一个系统性的工程，需要产业链多家公司配合测试验证，更关键的是需要有下游客户愿意提供订单和运营测试的场景。另一方面，国产质子交换膜目前最大的瓶颈在于缺乏足够的匹配验证数据，在追求安全可靠的前提下，下游电堆厂商更倾向采购进口产品。“国产质子交换膜的缺陷和不足在电堆层面能否体现出来，需要验证且是长期验证，一时半会还看不出来。我们正在测，会重点检测耐久性、机械强度等指标。”国内一家电堆企业高层表示，材料国产化势在必行，但需要时间，短期内大批量装堆还做不到。当然，测试的过程不是一蹴而就的，特别是针对耐久性的测试，需要装堆持续运行，对于企业来说，需要投入大量的人力、精力和财力，在市场需求不明朗的情况下，投入大量资源去做测试也是一种冒险。值得一提的是，在当前缺乏足量市场订单的前提下，国产质子交换膜对比进口品牌的价格优势并不明显，进口品牌仍有较大降本空间，替换进口意味着需要经过必要的验证和测试，这样势必会延长交付周期，下游企业缺乏替换的动力。事实上，现阶段国内大部分膜电极及电堆企业的想法是，一方面接受国产质子交换膜的送样测试验证，有些客户甚至还会分享其测试数据；另一方面又拒绝批量采购，特别是在装车示范应用的项目上更是慎之又慎（极少数自成体系的关联企业有少量装车验证），以戈尔为代表的进口质子交换膜依然是当前的市场主流。
“备胎”待转正 国产势力加快崛起。下游替换国产质子交换膜的动力不足，有源于商业化应用成本和产品稳定性的考虑，更多则是基于市场规模偏小的选择。在整个市场的需求没有出现爆发的情况下，选择进口更符合当下燃料电池企业的利益选择。然而，质子交换膜作为关键核心材料，下游企业暂时没有开始大批量采购，并不意味着对国产供应商永远关闭大门。与之相反的是，一旦供应链出现卡脖子的风险时，这些正在测试验证中的国产质子交换膜势必会加快“备胎”转正的步伐。在这样的背景下，国家出台示范期有关燃料电池8大核心部件的扶持政策，目的之一就是为了保证供应链安全。在“以奖代补”政策和燃料电池汽车示范城市群规划的推动下，除了已经入围五大示范城市群的东岳未来氢能，另有一些国产势力也开始快速崛起。“今年年初以来，公司12微米、15微米两款质子交换膜产品验证交付的数量都有所增加。”上海汉丞创始人吴慧生告诉记者，公司正在加快推进与国内主流膜电极、电堆企业的测试验证，预计今年整体出货量会有较大的增长。成立于2021年的清驰科技也是一家致力于质子交换膜国产化初创公司。据了解，清驰目前已经完成燃料电池用质子交换膜的工艺开发，产品性能已经达到进口同类水平。清驰已在2022年底建成可年产20万质子交换膜的生产线，计划在今年完成在客户端的性能和寿命测试验证。
当然，除了初创企业，上市公司也在加快质子交换膜的国产化攻坚步伐。全柴动力控股子公司元隽氢能就是其中的突出代表。成立于2020年的元隽氢能主要从事氢燃料电池动力系统及其关键零部件的研发、生产，其中关键零部件就包括全氟磺酸质子交换膜。据其相关负责人透露，元隽氢能主打12微米的质子交换膜，产品目前已经在跟国内头部的电堆企业测试验证，现已具备年产2万质子交换膜的生产能力，将根据市场需求择机投产供货。“示范期，由政府主导的氢车示范项目更强调产业链的自主化，一些项目明确要求使用国产膜，这种情况下，会加快国产质子交换膜的商用进程。”一家燃料电池企业高层表示，国家从政策已经为质子交换膜的国产化打开一条通道，国内的质子交换膜企业应当抓住这一波机遇，快速缩短与进口品牌的差距。
碱性电解槽隔膜“进击”之路 文章来源自：高工氢电网
碱性电解水技术已经实现工业规模化产氢，技术较为成熟，但仍有进步空间。通过对隔膜的改进，仍存在较大节能降耗提升。
碱性电解槽内产生的氢气和氧气需要用隔膜进行分隔开来，隔膜的性能不仅影响着制备气体的纯度而且对于电解槽的能耗也有着很大的影响。国际上根据隔膜材料将隔膜划分为三代，依次为传统石棉隔膜、PPS隔膜、复合隔膜。目前我国已全面淘汰第一代石棉隔膜，普遍使用第二代PPS隔膜。然而第三代复合隔膜因其能够避免PPS隔膜使用过程中的一些痛点问题，得到广泛关注。 高工氢电了解到，目前主流碱性电解槽设备企业大多都已开始装备或测试复合隔膜。今年以来复合隔膜的市场需求较为旺盛，而布局复合隔膜的国内企业也受到资本青睐，多家企业相继获得融资。这是否意味着复合隔膜迎来了“春天”？ 复合隔膜开始在市场中崭露头角 从发展历程来看，碱性水电解在20世纪前后开始实现碱性水电解制氢技术的工业化应用。碱性电解水制氢主要用高浓度的氢氧化钾溶液作为电解质，浸泡在溶液中的隔膜以物理手段将氢气和氧气隔离开。
早期碱性电解水制氢隔膜使用的主要为石棉隔膜，但是石棉在碱性电解液中的溶胀性与石棉对人体的伤害使得其逐渐被淘汰。我国在2016年左右开始大量使用PPS织物替代石棉隔膜，因PPS织物能够提供一定的物理支撑作用，同时PPS织物具有耐热性能优异、机械强度高、电性能优良的特点，牢牢占据了国内碱性隔膜95%以上的市场份额。
由于一般电解槽厂商并不掌握隔膜的工艺，在我国的PPS隔膜市场上，日本东丽长期占据着主要市场份额。近年来，随着国内科技的进步，天津工业大学、浙江正本新材料和苏州纳磐等企业生产的国产PPS隔膜正逐渐兴起，市场份额也在逐年增加。
但是在实际运行中发现，PPS隔膜的亲水性较弱，如果只用PPS织物作为隔膜，会造成电解槽内阻过大，拉高了单位制氢成本。碱性电解水制氢在大规模应用情况下，经济性是最重要的考量因素，因此行业亟需对PPS织物进行改性，增强其亲水性。
目前对于PPS织物改性的方法主要有两种，一种是对PPS进行化学处理，在聚苯硫醚的分子链加上枝节亲水性的官能团，但是在后续的应用过程中发现枝节的官能团并不稳定，隔膜的耐久性不够好，这种方法逐渐被市场淘汰。 还有一种方法是对PPS织物表面涂覆功能涂层来改善其亲水性，构成一种类似三明治结构的复合隔膜。以Agfa的ZIRFON产品为例，以PPS织物为基地，表面涂覆浆料中含有二氧化锆和聚合物，改善了隔膜的亲水性，提高隔膜与电解液的相容性，降低的电解槽的内阻。同时，由于表面浆料与PPS的相互作用，复合隔膜也通常会表现出比PPS基底更高的物理稳定性。
中科氢易创始人何庆一表示，第三代复合隔膜能够有效促进碱性电解槽性能的迭代升级。目前国内用的PPS隔膜，在30℃条件下，电阻在0.8-1.0/cm，而第三代复合隔膜，电阻在0.1~0.2/cm之间。单纯从隔膜性能的角度考虑，使用复合隔膜电解槽的直流能耗就能降低不少，因此国内主流的碱性制氢设备企业均有意尝试采用复合隔膜。 绿氢爆发给复合隔膜带来新机遇 根据GGII《中国电解水制氢项目数据库》，截至2023年5月，国内在建及规划的电解水制氢项目，制氢规模合计超过19GW，其中在建绿氢项目制氢规模合计超过2.8GW。目前，碱性制氢设备市场份额占国内电解水制氢项目的95%以上。 为了更好的规范制氢设备市场，提升产品实际性能。2022年9月21日，《碱性水电解制氢系统“领跑者行动”性能评价导则》团体标准正式发布，将依据制氢能耗和电流密度两个核心指标，对碱性水电解制氢系统进行性能等级评定。这对整个碱性制氢设备行业，提高制氢效率、降低制氢能耗具有重要的意义。 隔膜作为决定电解槽性能的最核心零部件之一，在绿氢项目中碱性电解槽使用复合隔膜，可有效实现降耗并保证运行安全。
碳能科技（北京）有限公司销售总监李向军表示，复合隔膜相比PPS隔膜亲水性更好，内阻更低，导电性也越好，其单位出氢量的电耗也更低，综合电耗降低8%-10%。
此外，复合隔膜的气密性更好，可有效应对可再生能源发电带来的电流波动问题。隔膜的主要关键作用是隔离电催化过程产生的氢气和氧气。隔膜将阴极室与阳极室隔离开来，通过各自的流道流出电解槽，实现氢气与氧气的分离。由于在绿氢项目中，再生能源电力不够稳定，会导致电解槽在运行过程中出现阴极与阳极的压差波动，复合隔膜有很好的气密性和稳定性能，能承受较强的压力，可以在电流波动的情况下很好的阻隔氢气和氧气。 根据GGII统计，自2022年以来，国内共有超过30家知名企业跨界布局电解水制氢设备并推出产品，瞄准可再生能源制氢蓝海市场。其中，超过85%的企业选择国内较为成熟的碱性制氢技术。以此测算，按照中国2030年100GW的累计绿氢装机目标，2023-2030年国内碱性制氢核心材料潜在市场空间达到1000亿元级别，届时国内隔膜市场规模将在200亿以上。
绿氢项目繁荣发展的背景下，也让复合隔膜企业备受看好。2022年下半年以来，碳能科技、刻沃刻科技和中科氢易相继获得了融资。今年第一季度，碳能科技在西安工厂建设的复合隔膜首条量产级、标准化产线建成并顺利投产，其产品目前处于供不应求的状态。 复合隔膜未来的路还很长 复合隔膜虽然受到广泛关注，但想短时间占据市场的主流地位也并非易事。可以预见未来国内市场对复合隔膜的需求一定会起量，但当下其产品的稳定性和过高的价格，让一些电解槽厂商望而却步。 虽然复合膜在国外运用较为成熟，但在国内却还属于新型事物。对于复合隔膜目前在传统碱槽中应用遇到一些问题，但很少企业能讲清楚。 “有企业指出，在复合膜使用过中会出现复合层被破坏的现象。分析原因，有两种可能性。一种可能是由于电解槽体积过大，其内部对隔膜的支撑点不够，导致隔膜与电极产生接触碰撞，从而被划伤造成复合层脱落；另外一种可能是，电解槽实际运行过程中，其内部环境超出了复合隔膜的设计要求，也可能会导致其涂层脱落。”一位业内人士告诉高工氢电。
同时，他还指出国内很多新进企业不具备测试复合隔膜的能力。“电解水制氢设备各项技术指标需要通过长期运行和现场验证才能确定，由于大部分新进企业电解水制氢设备推出市场时间较短，缺乏市场化运营案例或第三方测试认证，一些企业甚至不知道该测什么、该怎么测。而且实际运行测试的成本很高，以一台1000标方碱性电解槽为例，一天的电费就要十几万元，很少有企业能承担的起巨额的测试成本。”
“虽然一般情况下，电解槽后端的监控仪器能保证在隔膜出现问题，氢氧混合超过限值后立刻断电，从而确保制氢环境的安全。但是电解槽的维修也是一笔不小的开支，很多企业还是会选择原来相对稳定的做法。复合隔膜的稳定性还需要时间来让市场验证。”一位PPS隔膜企业的负责人表示。
此外，从市场价格竞争来看，复合隔膜的价格也相对较高。日本东丽的PPS隔膜，目前的价格在每平米400元左右。而Agfa复合隔膜每平米则要在300美元以上，采用和Agfa相同路线的国产复合隔膜，其价格每平米也在600-900元之间。如果按照一台1000标方的电解槽要用大约1200平米的隔膜计算，使用复合隔膜的成本至少要增加240000元。一些碱性电解水设备企业为了追求设备的低成本，也不愿意采用复合隔膜。
何庆一表示，当前国产复合隔膜刚刚进入试生产阶段，其性能和价格都有进一步优化的空间。未来通过实现复合隔膜的大批量生产，隔膜成本将会进一步降低30-40%。国产复合隔膜将助力碱性电解制氢技术在规模、成本、性能等综合性能上继续保持竞争优势。
本文作者可以追加内容哦 !
