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亚化咨询:2016-2018年中国质子交换膜研发进展

2018-02-23

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种将外部供应的氢气和空气中的化学能通过电化学反应直接转化为电能、热能和其它反应产物的发电装置。PEMFC主要由端板、绝缘板、集流板及多个单电池组成。其中,单电池主要由双极板和膜电极组成。膜电极则主要由五层材料组成,分别为两层气体扩散层、两层催化层以及一层质子交换膜。

 

其中,质子交换膜直接影响燃料电池的使用寿命。质子交换膜的主要作用有两个:一方面为电解质提供氢离子通道,一方面作为隔膜隔离两极反应气体。此外,质子交换膜还需要对催化剂层起到支撑作用。

 

质子交换膜类型主要包括全氟磺酸质子交换膜、非全氟化质子交换膜、无氟化质子交换膜、复合膜以及高温膜。公开资料显示,目前最广泛应用的质子交换膜为杜邦公司的Nafion系列的全氟磺酸质子交换膜。


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美国能源部数据显示,2017年,生产10万套PEMFC系统成本为50美元/kW,其中质子交换膜成本占比12%

 

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然而,Nafion的全氟骨架制备过程复杂,成本高,并会对环境造成污染,Nafion膜高温下存在燃料渗透严重和质子交换膜导电性下降等缺点,因此,开发性能优良的新型聚合物质子交换膜替代Nafion是当前研究的热点。

 

亚化咨询《中国氢能与燃料电池年度报告2018研究表明,2016-2018年中国质子交换膜研发进展如下。

 

中国地质大学

 

20181月,该校材料与化学学院可持续能源实验室“千人计划”程寒松教授团队制备了一种新型的基于磺化聚醚酮(SPEEK)和溴化聚苯醚(BPPO)的复合质子交换膜。信息指出,用该复合膜组装的直接甲醇燃料电池在低/高甲醇浓度的表现均比Nafion 117组装的燃料电池要好。

 

上海交通大学

 

201612月,上海交大官网公告化工学院张永明教授获得戴姆勒奔驰与福特公司研发燃料电池发动机的合资公司(AFCC)颁布的技术达标奖。公告称,张永明团队研发的燃料电池质子交换膜在保持高性能的前提下,使用寿命长达6000小时以上。


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资料显示,AFCC对燃料电池汽车每一个元器件都要通过三个不同阶段的技术鉴定,质子交换膜也不例外。只有通过这三个阶段的鉴定才可能被燃料电池汽车产业采用。

 

电子科技大学

 

20168月,该校教授何伟东及其团队研制出了新的制浆工艺以及成膜工艺,其圆形模具出产的质子交换膜已经能达到数百平方厘米的量级。何伟东教授表示,其质子传导率是杜邦Nafion117质子交换膜的1.78倍,而成本在杜邦的质子交换膜的十分之一左右。


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湖北工程学院

 

20164月,湖北工程学院研究团队通过溶胶凝胶法成功地在碳纳米管表面均匀包覆了一层二氧化硅,构筑了一种同轴纳米电缆杂化复合材料。以壳聚糖为基体与该复合材料进行自组装,制备出一类低成本高性能的燃料电池复合质子交换膜。

 

同轴纳米电缆杂化复合材料在壳聚糖基体中具有均匀分散性,能够有效提升壳聚糖膜的氧化稳定性,提升壳聚糖膜在直接甲醇燃料电池运行条件下的耐受性;复合膜的热稳定性能、机械稳定性、质子传导率均得到明显提升。

 

东岳集团

 

作为唯一一家通过AFCC技术鉴定的中国企业,东岳集团于2013年就与奔驰、福特签署了面向燃料电池车商业化专用全氟酸质子交换膜及膜电极专用树脂的共同研发协议,2014年东岳集团的质子交换膜仅800小时寿命,2015年寿命达到2000小时,2016年成功突破6000小时。目前,东岳集团已建成年产50吨质子交换膜所需的全氟磺酸树脂生产装置,可满足2.5万辆燃料电池汽车所需。

 

公开资料显示,目前杜邦Nafion质子交换膜价格为120美元/kW。亚化咨询按每辆燃料电池汽车系统额定功率为36kW、年产10万套系统来算,则仅燃料电池系统成本就在3.6万美元,如此高昂的成本将严重制约中国氢能燃料电池汽车的发展。依靠国产化技术探索、开发新型质子交换膜制备工艺并运用是降低质子交换膜成本的必由之路。