在電(diàn)池行业中，有(yǒu)一张膜至关重要，那就是质子交换膜。

在氢燃料電(diàn)池与液流電(diàn)池如火如荼的发展态势下，质子交换膜作為(wèi)其中的核心材料，也搭上了行业成長(cháng)的顺风車(chē)。

然而，正如芯片之于電(diàn)子行业，质子交换膜也紧紧地“扼住了電(diàn)池的咽喉”。長(cháng)期以来，國(guó)内相关产品都不得不依赖进口，量少且价高，可(kě)谓是“千金难买一膜”。

这是因為(wèi)，要造出这张薄薄的膜，工艺难和成本高是横在國(guó)内选手面前难以渡过的湍流。

那么，质子交换膜要如何走出一条國(guó)产替代之路？國(guó)产膜何时能(néng)够成為(wèi)支撑電(diàn)池行业的中流砥柱？

本文(wén)将分(fēn)以下三个部分(fēn)，分(fēn)析质子交换膜的技术难点与市场痛点，并提出國(guó)产化的破局点：

一、電(diàn)池的“芯片”；

二、氢能(néng)与储能(néng)的机遇；

三、國(guó)产化出路在何方？

電(diàn)池的“芯片”

质子交换膜，顾名思义，是用(yòng)作正负极间质子（氢离子）交换的场所，它的特异功能(néng)是可(kě)以让质子选择性透过，从而保证電(diàn)极之间的离子交换顺利完成，最终完成電(diàn)池的功能(néng)。同时，质子交换膜也对正负极的電(diàn)解液进行隔绝，避免交叉污染。

这片薄薄的聚合物(wù)膜的发明，源自于人们对清洁能(néng)源的不懈追求。早在1800年，英國(guó)化學(xué)家提出電(diàn)解水可(kě)以制氢。几十年后，第一个氢燃料電(diàn)池诞生。

到了20世纪50年代末，美國(guó)通用(yòng)電(diàn)气公司将铂作為(wèi)催化剂沉积在膜上，研发了质子交换膜燃料電(diàn)池，用(yòng)于NASA的太空任務(wù)。

最早的质子交换膜是聚苯甲醛磺酸膜，这种材料在干燥条件下易开裂。此后研制的聚苯乙烯磺酸膜（PSSA），能(néng)够在干湿状态下都保持较好的机械稳定性。

20世纪60年代，美國(guó)杜邦公司开发了全氟磺酸（PFSA）膜，即Nafion系列产品。

这一产品可(kě)以说是质子交换膜发展史上的里程碑，其凭借着优异的化學(xué)稳定性、高机械强度，以及在低温和高湿度下突出的离子電(diàn)导率，大大提升了燃料電(diàn)池的性能(néng)和使用(yòng)寿命，同时还能(néng)降低催化剂成本。

此后，质子交换膜从实验室走向了商(shāng)业化，在氯碱工业、燃料電(diàn)池、液流電(diàn)池等领域得到广泛应用(yòng)，越来越多(duō)的入局者相继开发了多(duō)种技术路線(xiàn)，相关的论文(wén)和专利数量迅速增加。

目前根据含氟情况分(fēn)类，质子交换膜主要包括全氟磺酸质子交换膜、部分(fēn)氟化质子交换膜、非氟化质子交换膜、复合质子交换膜。其中大部分(fēn)仍处在研究阶段，市场上应用(yòng)最為(wèi)广泛的仍然是全氟磺酸膜。

继杜邦公司以后，日本的旭硝子公司（Asahi Glass）、旭化成公司（Asahi Chemicals），美國(guó)的陶氏化學(xué)公司（Dow），加拿(ná)大的巴拉德公司（Ballard），比利时的苏威公司（Solvay），相继开发出不同结构的全氟磺酸膜，这几家公司也成為(wèi)了质子交换膜领域的巨头。

商(shāng)业化全氟磺酸膜的特征参数

（注：EW值表示含1mol磺酸基团的树脂质量）

全氟磺酸膜被称為(wèi)氟化工产业链的技术难度巅峰。那么，全氟磺酸膜的工艺难点究竟在哪里？

从制备过程来看，困难主要来自四个环节：原材料PSVE单體(tǐ)的制备、四氟乙烯的获取、树脂的聚合和成膜。

PSVE单體(tǐ)，即全氟磺酰基乙烯基醚，其制备反应条件十分(fēn)严苛。為(wèi)了规避技术纠纷，各厂家领先开发出不同结构的PSVE单體(tǐ)后纷纷申请专利，因此这一环节专利保护性较强。

四氟乙烯是制作全氟磺酸树脂的核心原材料，具有(yǒu)易爆炸特点，运输难度大，因此生产全氟磺酸膜的企业，一般需要具备四氟乙烯的自供能(néng)力。

树脂的聚合与成膜过程，存在着机械强度难以保证、产品平整度和厚度难以取舍的问题，使其满足工业化生产规模具备相当大的技术难度。

质子交换膜的高工艺壁垒，使产品从一出生就被打上了“制作难”“价格高”的标签，主流的技术也已经被國(guó)外抢跑。那么，國(guó)内玩家还能(néng)否拿(ná)到入局的门票呢(ne)？

答(dá)案藏在中國(guó)的能(néng)源革命。

氢能(néng)与储能(néng)的机遇

只要掌握了能(néng)源，往往就有(yǒu)了引领世界发展的话语权。

300年前，煤炭时代下的英國(guó)用(yòng)蒸汽机缔造了日不落的神话。150年前，電(diàn)气时代下的美國(guó)凭借着对石油、天然气资源的掌控，成為(wèi)了世界霸主。

能(néng)源世界发展到现在，下一个阶段的命脉将是清洁能(néng)源。而这一把开启新(xīn)时代的钥匙，掌握在中國(guó)手里。

在双碳目标的驱动下，中國(guó)在清洁能(néng)源设备制造、产能(néng)、输送等环节均跑到了世界领先的位置，能(néng)源结构正在快速进行“清洁替代”、“電(diàn)能(néng)替代”。

在这个进程中，可(kě)再生能(néng)源消纳所存在的随机与波动性，带来了大量的弃风、弃光、弃水等现象。要解决弃電(diàn)问题，能(néng)源市场将目光投向了氢能(néng)和储能(néng)。

中國(guó)将成為(wèi)全球最大的氢气生产國(guó)和消费國(guó)。

在生产端，由于煤制氢和工业副产氢的污染程度较大，目前各國(guó)都在大力发展電(diàn)解水制氢技术。

在消费端，《中國(guó)氢能(néng)源及燃料電(diàn)池产业白皮书2020》（本文(wén)简称“白皮书”）预计，2030年碳达峰情景下，我國(guó)氢气的年需求量将达到3715万吨，在终端能(néng)源消费中占比约為(wèi)5％。

这么多(duō)氢气怎么生产？其实，那些消纳不了的风光弃電(diàn)正好能(néng)够派上用(yòng)武之地。按照2020年三電(diàn)弃電(diàn)量520亿千瓦时计算，可(kě)产生116万吨氢气，部署電(diàn)解槽装机量需求為(wèi)18．6GW。

目前弃電(diàn)制氢技术尚未成熟，规模较小(xiǎo)，与其他(tā)制氢路径相比缺少成本优势。随着可(kě)再生能(néng)源電(diàn)价下降、质子交换膜電(diàn)解装置成本下降，《白皮书》指出，可(kě)再生能(néng)源制氢成本有(yǒu)望在2030年实现平价上電(diàn)网。

风光发電(diàn)快速发展的背景板上，储能(néng)也是一颗冉冉升起的巨星。在多(duō)种技术路径中，液流電(diàn)池凭借着安全性高、使用(yòng)寿命長(cháng)等优势突围而出。

质子交换膜正是构建液流電(diàn)池结构的重要部件。以目前最為(wèi)成熟的全钒液流電(diàn)池為(wèi)例，其電(diàn)池反应式為(wèi)：

阳极：VO2＋ ＋H2O ＝＝ VO2＋ ＋ 2H＋ ＋ e－

阴极：V3＋ ＋ e－ ＝＝ V2＋

总反应：VO2＋ ＋ H2O ＋ V3＋ ＝＝ VO2＋ ＋ 2H＋ ＋ V2＋

通过质子交换膜的传导，两极反应中的质子才能(néng)构成完整的回路。

数据表明，我國(guó)目前全钒液流電(diàn)池储能(néng)项目规模超过120MW，在建规模约110MW，按照目前建设规模计算，约耗用(yòng)15－20万m2质子交换膜，在建工程完工后所耗数量还将更上一层楼。

弃電(diàn)制氢、储能(néng)系统的发展，均离不开质子交换膜。能(néng)源革命的战略重任，这张薄薄的膜承受了太多(duō)。在这个意义上看，國(guó)产质子交换膜的替代势在必行。

國(guó)产化出路在何方？

國(guó)产质子交换膜被海外巨头的两只手卡住了脖子，那就是技术与市场。

首先，全氟物(wù)质的合成与磺化、后续的成膜环节都有(yǒu)着极高的技术要求与繁琐的工艺流程。

目前工业中生产全氟磺酸质子交换膜的方法，主要是用(yòng)全氟磺酸树脂通过熔融挤出法和流延法制成膜。

熔融挤出法是最早用(yòng)于制备全氟磺酸膜的方法，工艺成熟、生产效率高、环境友好，但生产的膜较厚，且挤出成型的膜需要经过水解转型才能(néng)得到最终产品，而水解工艺几乎被美國(guó)和日本企业所垄断。

流延法成膜具有(yǒu)产品更薄、性能(néng)更好的优势。杜邦的Nafion系列中，用(yòng)于储能(néng)方面的膜主要是采用(yòng)流延法生产的NR211和NR212，其厚度分(fēn)别為(wèi)25．4微米和50．8微米，而采用(yòng)挤出法生产的N115和N117，其厚度分(fēn)别為(wèi)125微米和183微米。

但流延法工序長(cháng)、流程复杂，且其中使用(yòng)的有(yǒu)机溶剂回收难度较大。目前國(guó)产全氟磺酸膜龙头东岳集团和苏州科(kē)润采用(yòng)的是钢带流延法，其产品性能(néng)与國(guó)外同类竞品仍有(yǒu)一定差距。

根据德温特创新(xīn)数据库的数据，日本质子交换膜专利数量达到全球50％，而中國(guó)相关专利只占10％左右，國(guó)内企业往往需要依赖专利授权切入质子交换膜领域。

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其次，居于電(diàn)池“心脏”地位的质子交换膜，对于膜厚度、化學(xué)稳定性、质子传导率等性能(néng)指标有(yǒu)着高要求，先发企业通过验证进入正式产線(xiàn)后，就牢牢粘住了客户。高替换成本使得后来者难以居上。

國(guó)产膜的普遍厚度只能(néng)做到15微米。國(guó)電(diàn)投氢能(néng)公司能(néng)够生产8微米的质子交换膜，但距离大规模量产仍有(yǒu)较大距离。而美國(guó)戈尔在杜邦Nafion膜基础上生产出的增强型Select膜，最薄可(kě)达5微米，其8微米膜已经实现量产。

截至2019年，戈尔的质子交换膜為(wèi)大部分(fēn)國(guó)内膜電(diàn)极生产厂商(shāng)使用(yòng)，市场份额高达90％以上。面对高度集中的市场格局，國(guó)内玩家目前只能(néng)打价格牌，以较國(guó)外低30％－40％的售价争取生存空间。

低价倾销策略在高端局终归走不了太遠(yuǎn)。

卡脖子的手，未尝不能(néng)变成未来质子交换膜國(guó)产化的抓手。

技术方面，國(guó)产膜可(kě)以另辟蹊径，自研其他(tā)技术路径。主流的全氟磺酸膜存在尺寸稳定性差、燃料渗透率高等问题，且高昂的价格一定程度上限制了全钒液流電(diàn)池的产品化和工业化。

非氟离子交换膜具有(yǒu)广泛而廉价的材料来源。在國(guó)家支持下，中國(guó)科(kē)學(xué)院大连物(wù)化所和大连融科(kē)研发团队研究开发了非氟离子交换膜材料，实现了非氟膜材料自主化小(xiǎo)批量生产。

大连化物(wù)所开发出高性能(néng)、低成本碱性體(tǐ)系液流電(diàn)池用(yòng)膜材料

市场方面，國(guó)产质子交换膜可(kě)以借鉴锂電(diàn)隔膜的发展经验，团结产业链力量、降低成本。

锂電(diàn)池隔膜行业中，湿法设备严重依赖进口，限制了产能(néng)扩张，也给企业带来了高额设备投资负担。目前隔膜企业一边大力采購(gòu)海外设备，另一边也在积极推动國(guó)产设备进口替代进程。

此外，锂電(diàn)池隔膜企业还通过一體(tǐ)化来降低生产成本，并控制产品质量。伴随着涂覆膜需求的增長(cháng)，越来越多(duō)的隔膜龙头开始自建产線(xiàn)，生产出基膜后直接进行涂覆，大大提高了品控效率和盈利空间。

向上推动生产设备國(guó)产化，向下垂直进行一體(tǐ)化，可(kě)能(néng)会让國(guó)产高性能(néng)质子交换膜大规模量产的那一天，更早地到来。

尾声

汉朝出土的金缕玉衣，薄如蝉翼，却价值连城。

几千年后，同样轻薄却昂贵的质子交换膜，成為(wèi)了國(guó)内電(diàn)池行业的心魔。

在中國(guó)制造的年代，大國(guó)工匠们筑造了金碧辉煌的宫殿，撑起了领先世界的王朝。

如今中國(guó)制造2025近在眼前，第三代能(néng)源革命的发令枪口正冒出硝烟。这一次决定领先者的，将是对高新(xīn)技术的不懈攻关，和产业力量的众志(zhì)成城。

质子交换膜的技术突破与产业化，仍需要持续集中产學(xué)研力量，走出一条國(guó)产化的自强之路。

激流勇进，我们期待着國(guó)产電(diàn)池破除“膜”咒的那一天。