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2021年12微米质子交换膜将成应用主流

北极星氢能网 来源:高工氢电    2021/2/26 9:55:16 我要投稿

北极星氢能网讯:中国燃料电池质子交换膜的主流应用正逐渐从15微米切换为12微米。

这一变化的推动力来源于美国戈尔。作为全球质子交换膜领导者,戈尔的产品在中国也一直占据着最大市场份额,其15微米膜是2020年国内膜电极厂商的主流应用产品。随着其15微米膜的停产,转为只提供12微米、8微米膜,推动着国内膜电极用户做出改变。

(来源:微信公众号“高工氢电” ID:weixin-gg-fcev)

从高工氢电与国内主流膜电极及电堆厂商的沟通了解来看,他们自2020年下半年开始验证并评估戈尔12微米膜产品,预计2021年该款产品将成为国内主流应用膜产品。

作为上游材料供应商,戈尔为何主动推动下游应用做出改变?随着上游材料供应的改变,会给下游膜电极及电堆厂商带来哪些影响?当前国内质子交换膜企业主推15微米膜,戈尔产品策略的改变对于他们而言,是可以弥补“空缺”的机遇还是难度更高的挑战?

戈尔推动下游改变背后

从理论上来看,质子交换膜越薄,能够降低质子传导阻力,降低欧姆极化,在提高电堆功率密度和提升电堆运行性能方面具有优势。同时超薄膜意味着原料更节省,能够让下游燃料电池系统设计更加灵活,可以开发更简单更低成本的系统。

理论很“丰满”,现实却很“骨感”:一方面,从常理来看,质子交换膜越薄,在性能提升的同时,耐久性也会降低。如何打破性能和耐久性之间的矛盾问题,对于材料供应商而言是一大挑战;另一方面,质子交换膜越薄,工艺上容易发生褶皱等系列问题,良品率或受影响,相关材料配方或也需要相应调整。要实现顺畅切换,要求用户的工程化能力较强。

多年来,实际装车应用的质子交换膜的确呈现出越来越薄的态势。而鉴于诸多技术难题,国内与国外的材料供应及应用水平都有不小的差距。

戈尔早在2019年9月举行的第四届国际氢能与燃料电池汽车大会上就推出了12微米膜产品,其8微米超薄膜也逐渐开始得到应用,同时还储备了5微米乃至更薄膜的技术能力。而目前国内相关厂家主推产品仍为15微米膜,并未大批量上车,12微米膜还不太成熟。

从应用来看,丰田在2014年推出的第一代Mirai采用了戈尔的12微米膜,2020年推出的第二代Mirai改用了戈尔的8微米膜。而在2020年,国内膜应用以15微米为主,也有少量应用18微米、12微米,极个别在探索验证8微米。如今国内主流应用逐渐切换至12微米,还是与国际顶尖水平有一定差距。

当然也不能片面地认为采用更薄的质子交换膜,整个燃料电池性能就一定更好。有些应用能力强的企业,即便采用厚膜也能让燃料电池整体性能表现好。只是更薄的质子交换膜可以为燃料电池性能的提高创造条件,且因为采用全氟磺酸树脂等原料更少,价格会便宜些。

所以戈尔推动国内膜应用从15微米切换至12微米,整体而言是一个进步。据悉戈尔的薄膜产品经过了长时间的规划与推广,不只是在中国推广,而是面向全球市场。

一个疑问是,国内下游应用能否顺畅切换?为此,高工氢电致电国内主流膜电极厂商及电堆厂商,他们相对一致地表示,这个切换从方向来看是对的,虽然重新验证需要花费时间,但通过早通知客户验证、提前做好15微米膜库存等方式,对于整体产品销售影响不大,基本能衔接上。

鸿基创能总经理邹渝泉博士表示:“工程化能力强的公司已经开始使用超薄膜产品,12微米膜其实是比较‘平衡’的产品。我们很早就通知客户切换了,客户也已经验证有段时间了,这个切换本身没有太大障碍,起到的是促进作用。如果采用8微米膜,碳纸等必须要进行特殊优化,这难度相对高一些。”

也有些开始验证偏晚的膜电极厂商反映:验证一次不容易,至少要花半年时间,因此稍稍有点拖后了销售。“虽然戈尔在国内推12微米膜已经有一年多的时间,给予切换的时间不算短,但因为前期下游客户不太愿意切换,后来到了时间点又不得不切换,所以会感觉这个切换有点急,总体影响不大。”

关于价格方面,因为采购量及商务条件不同,膜电极厂商们的感受不太一致,有的表示价格下降达20%-30%,也有的表示仅10%左右(整体平均下降幅度有待进一步的调查)。质子交换膜占膜电极成本30%-40%,膜电极占电堆成本55%-70%,膜价格降幅大,最终在电堆价格上就能够体现出来;若只是微降,电堆层面的感受就会很“细微”。

作为国内电堆领先企业,国鸿氢能副总经理燕希强博士表示:“从理论上来看,膜变薄以后,膜电极性能应该有所提升,成本有所下降。但从15微米到12微米,只薄了3微米,优点在电堆层面能否体现出来,需要验证且是长期验证,一时半会看不出来。我们正在测,会重点检测耐久性、机械强度等指标。”

对国内膜企业的“良性”冲击

近日,高工产研氢电研究所(GGII)发布的《2021年中国氢电产业发展蓝皮书(1.0版)》显示,车用氢燃料电池质子交换膜市场中,国内生产的膜电极中多数使用Gore的增强复合膜,2019年市占比达90%以上。2019-2020年,国产质子交换膜均处于客户送样、测试验证阶段。

原本就是一家独大的质子交换膜供应商,如今戈尔力推更进步的产品,对于刚开始起步的国内供应商而言,显然会形成压力。但业内分析认为,这是一种“良性”冲击。

在任何一个新兴行业趋向成熟的过程中,随着市场份额的扩大,一家独大的局面必然会改变,国产化程度必然随之提高。有更为先进的产品刺激国产技术进步,能起到“鲶鱼效应”。

从“以奖代补”新政来看,鼓励燃料电池关键材料自主化程度提升,对质子交换膜专门设定了奖励积分标准0.25分/辆。政策对于质子交换膜的国产化推动更为直接有效。有膜电极厂商反映,已经有下游企业主动询问国产膜应用;大部分膜电极厂商也开始积极测试验证国产膜。GGII预计2021年国产质子交换膜将实现一定批量的商业化上车运行。

目前在质子交换膜技术上相对领先的国内企业是东岳未来氢能、科润等。2020年,东岳未来氢能完成了高达3亿元的融资,同时150万平米质子交换膜生产线一期工程也正式投产。目前东岳DMR100燃料电池膜已满足量产车型需求,并获得IATF16949验证。

同样在2020年,科润的质子交换膜NEPEM-3015系列配套的燃料电池发动机通过国家机动车产品质量监督检验中心强检。2021年2月,科润年产100万平米质子交换膜项目奠基仪式举行。这些都表明,国内企业正在加快推进膜产品的应用进程。

需注意的是,国产膜从长远来看是有广阔前景的,但短期内实现大批量进口替代有难度。即使政策倾向补贴国产膜,膜补贴占整个补贴的比例也没有很高,从下游企业立场来看,必须先做好燃料电池,让车辆很好地跑起来,先稳当地拿到这部分补贴是首要的。在国产膜验证不充足的情况下,企业一般不会单纯为了拿膜补贴而刻意采用国产膜,如果导致应用出问题就得不偿失,所以他们短期内仍会倾向采用成熟的经过验证的产品。

“单纯从市场角度来看,就今年来说,我们还没有采用国产膜的迫切性,我们更愿意用保险的膜,没有意愿担这个风险。如果到了新政给予窗口期的最后一年,采用国产膜也是有可能的。”一家电堆企业高层说,不过,从整个行业来看,为了推动国产膜的应用,打开一道口子,应该会有些特殊示范项目率先采用国产膜。

对于国内膜企业而言,冲破第一道批量装车验证关口是最难的,也是最耗费时间的,而一旦突破了这道关口,预计后续上量速度会快很多。

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