摘要：新能源汽車產業(yè)作為我國戰(zhàn)略性新興產業(yè)之一，不僅有利于資源的循環(huán)利用，環(huán)境的友好型發(fā)展，還有助于我國成為汽車工業(yè)強國。近年來我國已成為新能源汽車銷量的第一大國，然而面對市場的高速發(fā)展，也相應地暴露出新能源汽車行業(yè)的一些痛點問題，如鋰資源面臨枯竭、能量密度提升遭遇瓶頸、電池安全問題頻發(fā)等。而燃料電池因其能量轉化率高、燃料來源廣泛、零污染等特點逐漸走進人們的視野，經過多年的發(fā)展，燃料電池技術日漸成熟，市場逐漸打開，有關質子交換膜燃料電池的研究已成為了全球性的熱點。

質子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種可直接將燃料的化學能轉化為電能的發(fā)電裝置，燃料電池技術被認為是本世紀的新型綠色能源技術，具有能量轉化效率高、零污染、低溫下快速啟動等優(yōu)勢，在便攜式移動電源和新能源汽車中具有十分廣泛的應用前景。

質子交換膜作為燃料電池的核心部件要求性能極高

燃料電池是把燃料中的化學能通過電化學反應直接轉換為電能的高效發(fā)電裝置。常用的燃料電池按其電解質不同，可以分為質子交換膜燃料電池（PEMFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、堿性燃料電池（AFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）和熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）等。其中質子交換膜燃料電池工藝相對簡單、制造成本較低、應用范圍廣、啟動速度快，是一種高效與環(huán)保兼?zhèn)涞陌l(fā)電裝置，目前燃料電池汽車也主要使用質子交換膜燃料電池。

質子交換膜燃料電池是低溫型燃料電池，主要組成部分包括催化劑、質子交換膜、電極、雙極板。電解質是全氟磺酸型固體聚合物，催化劑一般使用金屬鉑和鉑碳顆粒，雙極板一般使用石墨。質子交換膜燃料電池發(fā)電時，質子交換膜作為傳遞氫離子的介質，只允許氫離子通過，工作時相當于一個直流電源，陽極即電源負極，陰極即電源正極，燃料可以是氫氣、甲醇、乙醇、甲烷等，其中氫氣和甲醇使用較多。

我國質子交換膜燃料電池起步較晚但后勁十足

我國對質子交換膜燃料電池的研究還處于前期階段，而國外燃料電池行業(yè)因為布局較早，現在取得了不俗的成果。如豐田、梅賽德斯奔馳、本田、通用、現代都已經實現了質子交換膜燃料電池的批量化生產，并制定了各自商用化時間表，日本豐田汽車于2014年12月商業(yè)化燃料電池汽車Mirai；韓國現代汽車已于2013量產了燃料電池汽車ix35；日本本田汽車于2015年11月首次推出了旗下首款氫氧燃料汽車Clarity，除此之外，國外其他大型汽車廠家也在積極布局燃料電池汽車。

圖2 2017年企業(yè)燃料電池出貨量

我國燃料電池研究的起步較晚但后勁十足，2016年我國燃料電池銷量不足30輛，到了2017年我國燃料電池汽車的銷售量已經突破千輛大關。在物流車方面，東風汽車和金華青年汽車公司分別銷售531、401輛燃料電池貨車，占據全年市場銷量的接近85％；客車方面，銷量過百主要廠商為上汽大通、金華青年、福田汽車、宇通客車等；乘用車方面，僅有上汽集團一款榮威950車型對外銷售。燃料電池的銷量增加也帶動了我國燃料電池的出貨量，2017年燃料電池出貨量接近34 MW，主要供應廠商為新源動力、上海重塑、南通百應和北京億華通等公司。

除了市場資金的涌入，政策也為燃料電池行業(yè)帶來了春風，我國從 2001 年就確立了“863 計劃電動汽車重大專項”項目，確定三縱三橫戰(zhàn)略，以純電動、混合電動和燃料電池汽車為三縱，以多能源動力總成控制、驅動電機和動力蓄電池為三橫。2015 年《中國制造 2025》規(guī)劃綱要出臺，其中包括未來國家將繼續(xù)支持燃料電池汽車的發(fā)展。并提出2025年要實現燃料電池汽車的運行規(guī)模進一步擴大，達到 1000 輛的運行規(guī)模，制氫、加氫等配套基礎設施基本完善，燃料電池汽車實現區(qū)域小規(guī)模運行。相對于燃料電池汽車發(fā)展較早的國家，我國相應的政策制度還不健全，但國家層面已經關注到這個行業(yè)，并為產業(yè)提供多方向的扶持計劃，相信未來隨著更多政策的出臺，燃料電池行業(yè)將擁有更廣闊的前景。

質子交換膜以全氟磺酸膜為主 技術不斷改進性能逐漸加強

質子交換膜主要有全氟磺酸膜、部分氟化聚合物膜、新型非氟化聚合物膜及復合膜。目前在市場上應用最多的是全氟磺酸膜，其性能較為優(yōu)異，厚度僅為 50-180μm，在一定的溫度和濕度條件下，具有選擇透過性，同時具有適度的含水率，對氧化、還原和水解反應具有穩(wěn)定性，還具有足夠高的機械強度和結構強度，以及膜表面適合與催化劑結合等性能。

表1 企業(yè)生產全氟磺酸樹脂膜結構及基本參數

（資料來源《膜科學與技術》、國金證券研究所）

盡管全氟磺酸質子交換膜的質子傳導率較高，耐酸堿、耐熱的穩(wěn)定性較好，但是其燃料滲透，尤其是直接甲醇燃料電池中的甲醇滲透嚴重，嚴重影響其電池性能；此外，全氟磺酸質子交換膜的成本較高是阻礙燃料電池量產的關鍵問題。目前，為了得到綜合性能更佳的質子交換膜主要有兩個新型改良途徑，一是對現有的全氟磺酸質子交換膜進行改善，國外學者在原有的質子交換膜上利用含氟的聚苯并咪唑進行共混交聯，制備了4種新型的質子交換膜，(PFSA-PBICF3-Im, PFSA-PBICF3, PFSA-Im and PFSA)。其中PFSA-Im膜的最大功率密度可達124兆瓦/平方厘米，改進后的全氟磺酸質子交換膜質子傳導率也有所提升，通過低劑量電子束對膜表面結構進行修飾，其質子傳導率、甲醇滲透等性能均得到了改善。二是研發(fā)新型聚合物材料用以質子交換膜，非氟碳氫主鏈的聚合物因其原料易得，成本低廉，成為時下質子交換膜的研究熱點。

在我國的科研團隊中，電子科大教授何偉東及其團隊在實驗室中研發(fā)出的質子交換膜能夠與杜邦公司的產品抗衡（質子傳導率是 Nafion-117 的1.78 倍），且成本僅僅是后者的十分之一（約達到 6 美元/kw）。中南大學的桑商斌教授也通過改良技術制備復合型質子交換膜，比原質子交換膜質子滲透選擇性提高約一個數量級，能顯著提高燃料電池的能效。

結語

隨著我國新能源汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，市場規(guī)模逐漸擴大，政策的推動和資金的涌入也為行業(yè)帶來無限的春風，作為新能源汽車重要發(fā)展方向的燃料電池也將屹立在產業(yè)的風口，未來前景十分廣闊。同時作為電池的關鍵部件的質子交換膜隨著企業(yè)和高校研究的不斷深入，也將逐漸打破行業(yè)的技術壁壘，達到高科技、高水平、高規(guī)模的產業(yè)化發(fā)展，有望打破國外企業(yè)對關鍵技術的壟斷，實現全產業(yè)鏈國產化。燃料電池市場的高速發(fā)展也將帶動更多高新技術企業(yè)的崛起，行業(yè)“獨角獸”企業(yè)的市場份額將會被分解，市場集中度也會隨之降低。市場格局的變換也給質子交換膜燃料電池企業(yè)帶來了新機遇，企業(yè)應抓緊技術的研發(fā)，實現核心部件的國產化，加強產品競爭力，同時應布局質子交換膜燃料電池全產業(yè)鏈，迅速搶占國內乃至國外市場。未來在行業(yè)的多方利好中，燃料電池市場需求將會快速擴大，高品質的質子交換膜具有廣闊的利潤空間和發(fā)展前景。