質(zhì)子交換膜是有機(jī)氟化工的末端產(chǎn)品，具備優(yōu)良的質(zhì)子傳遞功能，在氫能等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。

01、主要應(yīng)用場(chǎng)景

質(zhì)子交換膜在氫能產(chǎn)業(yè)鏈中的應(yīng)用場(chǎng)景

來源：科慕公司Nafion系列產(chǎn)品白皮書，中金公司研究部

燃料電池

質(zhì)子交換膜燃料電池是用質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)的燃料電池，將氫氣和氧氣的化學(xué)能通過電化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為電能、熱能和其他反應(yīng)產(chǎn)物的發(fā)電裝置。

質(zhì)子交換膜是氫燃料電池電堆的核心材料，作用是隔離氫氣和氧氣并傳遞質(zhì)子。質(zhì)子交換膜、催化劑層與氣體擴(kuò)散層組成了燃料電池中的膜電極。

質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理

來源網(wǎng)絡(luò)

質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）憑借對(duì)環(huán)境無污染、能量轉(zhuǎn)換效率及功率密度較高、排放及熱輻射低以及噪音污染小等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。但質(zhì)子交換膜燃料電池的大規(guī)模應(yīng)用仍面臨原材料成本高、電池壽命短的障礙，需要在材料的性價(jià)比和穩(wěn)定性上有所突破，提升電池壽命，滿足商業(yè)化需求。

PEM電解水制氫

質(zhì)子交換膜、催化層與擴(kuò)散層組成的膜電極，是整個(gè)水電解槽物料傳輸和電化學(xué)反應(yīng)的主要場(chǎng)所。作為水電解槽膜電極的核心組件，質(zhì)子交換膜水電解極大縮短了陰極、陽極之間的距離，能夠提高電解效率和氫氣的純度。質(zhì)子交換膜還為催化劑提供支撐，其性能的好壞直接決定水電解槽的性能和使用壽命。

質(zhì)子交換膜電解水制氫具有占地面積小、易于結(jié)合可再生能源、負(fù)載范圍大、響應(yīng)啟動(dòng)時(shí)間短的特點(diǎn)，更適用于水電、風(fēng)、光發(fā)電制取綠氫的應(yīng)用場(chǎng)景，能有效適應(yīng)間歇性電源的電力波動(dòng)，目前已經(jīng)取得市場(chǎng)認(rèn)可。

近年來，國(guó)內(nèi)應(yīng)用PEM制氫技術(shù)的項(xiàng)目逐漸增加，并呈現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用趨勢(shì)。

化學(xué)儲(chǔ)能電池（全釩液流電池）

全釩液流電池是一種以金屬釩離子為活性物質(zhì)的液態(tài)氧化還原可再生電池。全釩液流電池將不同價(jià)態(tài)的釩離子溶液作為正極和負(fù)極的活性物質(zhì)，分別儲(chǔ)存在正負(fù)極的電解液儲(chǔ)罐中，在電池進(jìn)行充、放電過程中，正負(fù)極電解液在交換膜兩側(cè)進(jìn)行氧化還原反應(yīng)。

液流電池示意圖

來源：《儲(chǔ)能與液流電池技術(shù)》

全釩液流電池憑借著安全、穩(wěn)定和靈活等優(yōu)點(diǎn)，在儲(chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)景的需求不斷增長(zhǎng)的背景下，同時(shí)全釩液流電池市場(chǎng)滲透率也正在不斷提高，帶動(dòng)了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)規(guī)模逐漸擴(kuò)大。

網(wǎng)絡(luò)公開資料顯示，近幾年我國(guó)全釩液流電池新增裝機(jī)容量實(shí)現(xiàn)了逐年增長(zhǎng)，到2025年中國(guó)全釩液流電池新增裝機(jī)量將會(huì)超過2GW。

02、質(zhì)子交換膜分類

質(zhì)子交換膜根據(jù)含氟量的不同，分為以下三種：

全氟磺酸質(zhì)子交換膜是目前最主流的質(zhì)子交換膜，電導(dǎo)率高，有極高的化學(xué)穩(wěn)定性，使用壽命更長(zhǎng)。

無氟化質(zhì)子交換膜由無氟化烴類聚合物膜組成。成本低，環(huán)節(jié)污染小，但化學(xué)穩(wěn)定性較弱。

非全氟化質(zhì)子交換膜用氟化物與無機(jī)或其他非氟化物共混制成。成本低，工作效率較高，但機(jī)械強(qiáng)度及化學(xué)穩(wěn)定性較差。

質(zhì)子交換膜按照其合成結(jié)構(gòu)，可以分為均質(zhì)膜和復(fù)合膜。

復(fù)合膜是在質(zhì)子交換膜合成過程中復(fù)合增強(qiáng)層，提升質(zhì)子交換膜的機(jī)械性能，可以將質(zhì)子交換膜做薄。目前在燃料電池中，質(zhì)子交換膜多為復(fù)合膜，在純水制氫電解槽和液流電池中，質(zhì)子交換膜類型多為全氟磺酸均質(zhì)膜。

電解水制氫質(zhì)子交換膜和燃料電池膜在原理上相近，但在性能要求上有所差異。電解水用的是均質(zhì)膜，無需經(jīng)過增強(qiáng)的處理，由于電解水制氫單側(cè)通水，兩側(cè)產(chǎn)氣體，且兩側(cè)的產(chǎn)氣量不一致，會(huì)導(dǎo)致壓差，因此電解水用質(zhì)子交換膜相對(duì)較厚，來提高質(zhì)子膜的強(qiáng)度，減少氫氣和氧氣的混合。

而對(duì)于燃料電池的質(zhì)子交換膜，需要使用ePTFE進(jìn)行增強(qiáng)，在ePTFE基膜上進(jìn)行全氟磺酸樹脂的涂覆。

不同質(zhì)子膜的應(yīng)用側(cè)重點(diǎn)

來源：澤潤(rùn)基金

質(zhì)子交換膜技術(shù)的優(yōu)化在燃料電池、電解水制氫、全釩液流電池的技術(shù)發(fā)展中具有重要作用。

為保證質(zhì)子交換膜有穩(wěn)定的使用性能，國(guó)內(nèi)發(fā)布了有關(guān)質(zhì)子交換膜性能測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)有GBT 20042.3-2022《質(zhì)子交換膜燃料電池 第3部分：質(zhì)子交換膜測(cè)試方法》。針對(duì)質(zhì)子交換膜的“拉伸強(qiáng)度”、“180°剝離強(qiáng)度”、“氣體透過率”、“氣體透過系數(shù)”、“厚度”等性能指標(biāo)檢測(cè)，提出了明確的技術(shù)要求與測(cè)試方法。

質(zhì)子交換膜性能要求

1.質(zhì)子電導(dǎo)率高

2.化學(xué)穩(wěn)定性高

3.燃料滲透率低

4.含水率適度

5.高機(jī)械強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

質(zhì)子交換膜性能測(cè)試方案

1.氣體阻隔性能測(cè)試（氣體透過率/氣體透過系數(shù)/透氣率）

2.力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試（拉伸強(qiáng)度/斷裂拉伸/剝離強(qiáng)度）

3.厚度均勻性測(cè)試

在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、儲(chǔ)能需求增加的影響下，質(zhì)子交換膜作為核心零部件之一，需求量不斷上升。

質(zhì)子交換膜的主要生產(chǎn)廠商大多集中在國(guó)外，技術(shù)被少數(shù)廠家壟斷。近年來，國(guó)內(nèi)廠商積極布局，質(zhì)子交換膜國(guó)產(chǎn)化發(fā)展加快，但在技術(shù)、產(chǎn)量上仍與國(guó)外企業(yè)存在差距，無法有效降低下游應(yīng)用端的采購(gòu)成本。

在燃料電池汽車和PEM制氫降本需求的推動(dòng)下，質(zhì)子交換膜國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程將進(jìn)一步加速，這也將成為氫能和燃料電池產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵因素。