稅率下調(diào)，膜電極進(jìn)口迎來(lái)春天

12月15日，財(cái)政部發(fā)布《國(guó)務(wù)院關(guān)稅稅則委員會(huì)關(guān)于2022年關(guān)稅調(diào)整方案的通知》（以下簡(jiǎn)稱《通知》）。根據(jù)《通知》，2022年1月1日起，我國(guó)將對(duì)954項(xiàng)商品實(shí)施低于最惠國(guó)稅率的進(jìn)口暫定稅率。其中，包含增壓器、循環(huán)泵、膜電極組件、雙極板、碳電極片等5種燃料電池關(guān)鍵零部件。

氫能觀察整理發(fā)現(xiàn)，2022年燃料電池用膜電極組件（主要由質(zhì)子交換膜、催化劑和氣體擴(kuò)散層組成）暫定稅率為4%。

技術(shù)壁壘“拖累”膜電極發(fā)展

對(duì)于國(guó)內(nèi)燃料電池市場(chǎng)而言，膜電極來(lái)源還在依賴進(jìn)口階段。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2021年2月，累計(jì)裝車使用的電堆中超過(guò)70%的膜電極來(lái)自進(jìn)口。其原因主要來(lái)自于其高難度的技術(shù)壁壘和較長(zhǎng)的產(chǎn)業(yè)周期，此外國(guó)內(nèi)目前產(chǎn)業(yè)化重點(diǎn)攻關(guān)對(duì)象集中在燃料電池系統(tǒng)和電堆上，對(duì)膜電極的關(guān)注相對(duì)較少。

膜電極決定了電堆性能、壽命和成本的上限。國(guó)產(chǎn)膜電極性能與國(guó)際水平接近，但專業(yè)特性上（如鉑載量、啟停、冷啟動(dòng)、抗反極等）與國(guó)際水平還有一定差距。



膜電極是燃料電池電化學(xué)反應(yīng)的基本單元，目前已經(jīng)發(fā)展出兩代成熟的工藝，第一代的膜電極制備工藝主要采用熱壓法，第二代是催化劑直接涂膜技術(shù)，提高了催化劑的利用率，提高了氫離子在催化劑層的擴(kuò)散和運(yùn)動(dòng)，從而提高膜電極的性能，是目前的主流應(yīng)用技術(shù)。


圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)

資料顯示，膜電極關(guān)鍵零部件包括“質(zhì)子交換膜”、“催化劑”以及“氣體擴(kuò)散層”，每一個(gè)部件都在技術(shù)尚未完全突破、原料供應(yīng)不足等問(wèn)題上制約著國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的普及與發(fā)展。

質(zhì)子交換膜：全氟磺酸型膜為目前主流，復(fù)合膜是未來(lái)發(fā)展方向。全氟磺酸膜：目前常用的商業(yè)化質(zhì)子交換膜。全氟磺酸型膜是目前燃料電池主要采用的膜材料，全球全氟磺酸型膜的供應(yīng)商集中于日本和歐美國(guó)家，其中應(yīng)用最廣泛的是美國(guó)杜邦公司的Nafion系列膜。

復(fù)合膜：未來(lái)技術(shù)發(fā)展方向。目前，在技術(shù)研發(fā)方面，大連化學(xué)物理研究所和武漢理工大學(xué)都在積極研發(fā)復(fù)合膜技術(shù)。在產(chǎn)業(yè)化方面，亞洲最大的氟化企業(yè)山東東岳聯(lián)合上海交通大學(xué)實(shí)現(xiàn)了復(fù)合膜的產(chǎn)業(yè)化。其開(kāi)發(fā)的DF260膜性能出色，具備規(guī)模化生產(chǎn)能力，其采用的ePTFE增強(qiáng)復(fù)合膜結(jié)構(gòu)，厚度達(dá)到15μm，在開(kāi)路電壓（OCV）情況下耐久性大于600h；膜運(yùn)行時(shí)間達(dá)到6000h；在干濕循環(huán)和機(jī)械穩(wěn)定性方面，循環(huán)次數(shù)超過(guò)20000次。該膜技術(shù)已經(jīng)成熟并定型量產(chǎn)，第二代規(guī)劃產(chǎn)能200000㎡。

催化劑：Pt/C是目前主流，超低鉑、無(wú)鉑是未來(lái)方向。目前燃料電池中常用的商用催化劑是Pt/C，由納米級(jí)的Pt顆粒(3~5nm)和支撐這些Pt顆粒的大比表面積活性炭構(gòu)成。

燃料電池零部件的成本主要來(lái)源于原材料與加工費(fèi)用，在目前技術(shù)水平下，加工成本主導(dǎo)的部件(如質(zhì)子交換膜、氣體擴(kuò)散層)的成本可通過(guò)規(guī)模化生產(chǎn)來(lái)降低，但材料成本占主導(dǎo)的催化劑難以通過(guò)量產(chǎn)來(lái)降低成本。因此，減少鉑的使用量才是降低催化劑成本的有效途徑。

目前全球燃料電池催化劑主要生產(chǎn)商為美國(guó)的3M、Gore，英國(guó)的Johnson Matthery，德國(guó)的BASF，日本的Tanaka，比利時(shí)的Umicore 等，國(guó)內(nèi)大連化物所具備小規(guī)模生產(chǎn)的能力。

氣體擴(kuò)散層：通過(guò)規(guī)模化生產(chǎn)來(lái)降成本。氣體擴(kuò)散層位于流暢和催化層之間，主要作用是為參與反應(yīng)的氣體和生成的水提供傳輸通道，并支撐催化劑。因此，擴(kuò)散層基底材料的性能將直接影響燃料電池的電池性能。

在國(guó)內(nèi)，氣體擴(kuò)散層尚處于小規(guī)模生產(chǎn)階段。上海河森公司生產(chǎn)生產(chǎn)的PEMFC專用高性能氣體擴(kuò)散層，具備1000㎡/月生產(chǎn)能力。目前國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的氣體擴(kuò)散層，其原材料多為進(jìn)口。國(guó)內(nèi)雖有自主開(kāi)發(fā)的材料，但整體的產(chǎn)品狀態(tài)并不能達(dá)到商業(yè)化要求。長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，其國(guó)產(chǎn)化的突破與量產(chǎn)，對(duì)降低國(guó)內(nèi)燃料電池成本和推動(dòng)商業(yè)化進(jìn)程具有重要意義。

過(guò)去數(shù)十年，MEA技術(shù)已取得巨大突破。貴金屬用量已從20世紀(jì)80年代的8mg/c㎡下降到如今0.102mg/c㎡，同時(shí)，MEA性能和壽命得到了較大程度的提升。目前國(guó)際MEA技術(shù)研究重點(diǎn)仍然集中在性能、壽命及成本上。國(guó)內(nèi)MEA也取得較大進(jìn)展。中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、武漢理工大學(xué)等在國(guó)家“863”項(xiàng)目支持下進(jìn)行了低成本、高性能MEA研究，國(guó)內(nèi)MEA技術(shù)可實(shí)現(xiàn)Pt載量0.2mg/c㎡，功率密度1.4W/c㎡,單電池MEA壽命超過(guò)5600h，與國(guó)際先進(jìn)水平相當(dāng)。


國(guó)內(nèi)外膜電極性能對(duì)比分析

膜電極作為核心技術(shù)，國(guó)家長(zhǎng)期支持該技術(shù)的研發(fā)并制訂了明確的研發(fā)目標(biāo)。根據(jù)《國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“可再生能源與氫能技術(shù)”等重點(diǎn)專項(xiàng)2019年度項(xiàng)目申報(bào)指南》，到2030年底，國(guó)家在膜電極領(lǐng)域的技術(shù)目標(biāo)為下圖所示。


國(guó)內(nèi)2030年膜電極技術(shù)目標(biāo)

國(guó)內(nèi)膜電極企業(yè)代表

新源動(dòng)力

新源動(dòng)力研發(fā)的HYMEA膜電極產(chǎn)品，活性面積25-400cm2，功率密度≥1.0W/cm2，耐久性5000-10000h。新源動(dòng)力擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)，部分關(guān)鍵技術(shù)達(dá)到國(guó)際一流水平。

針對(duì)商用車及乘用車使用場(chǎng)景，新源動(dòng)力研發(fā)的第二代和第三代車用質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極，已投入市場(chǎng)使用。目前，第四代低鉑高性能高耐久性膜電極正在進(jìn)行開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證。

武漢理工氫電

武漢理工氫電科技有限公司成立于2018年3月，由深圳市雄韜股份與武漢理工大學(xué)共同發(fā)起成立，接力一脈相承的武漢理工新能源公司，專注于燃料電池核心零部件——膜電極的產(chǎn)業(yè)化與研發(fā)，目前已完成6000平米潔凈廠房裝修，并建成了自動(dòng)化程度更高的膜電極生產(chǎn)線，膜電極產(chǎn)能達(dá)到2萬(wàn)平米/年，最終設(shè)計(jì)產(chǎn)能將達(dá)到10萬(wàn)平米/年。

蘇州擎動(dòng)科技

蘇州擎動(dòng)科技是一家氫燃料電池核心組件膜電極制造商，已通過(guò)國(guó)內(nèi)外多家知名燃料電池廠家及研究院的測(cè)試，且和國(guó)內(nèi)外多家燃料電池電堆廠家簽署合作協(xié)議，并長(zhǎng)期為其提供膜電極產(chǎn)品，

2019年2月，擎動(dòng)科技自主研發(fā)的國(guó)內(nèi)首套“卷對(duì)卷直接涂布法”膜電極生產(chǎn)線正式投產(chǎn)。據(jù)介紹，該條產(chǎn)線可實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)膜電極100萬(wàn)片。

鴻基創(chuàng)能

10月26日，鴻基創(chuàng)能100萬(wàn)片膜電極正式下線。鴻基創(chuàng)能科技（廣州）有限公司成立于2017年12月，致力于質(zhì)子交換膜氫燃料電池用高性能膜電極的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，解決國(guó)內(nèi)在該技術(shù)領(lǐng)域的“卡脖子”問(wèn)題。鴻基創(chuàng)能開(kāi)發(fā)了CCM陰陽(yáng)極雙面直接涂布技術(shù)、膜電極一體化成型技術(shù)、膜電極自動(dòng)化快速封裝技術(shù)，為膜電極大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

中科院大連化物所

2021年8月，大連化物所宣布在質(zhì)子交換膜燃料電池低鉑膜電極研究方面取得新進(jìn)展，設(shè)計(jì)并制備了具有仿生結(jié)構(gòu)的低鉑納米纖維電極，該電極顯著提高了燃料電池水管理能力和電極穩(wěn)定性。

該研究首次通過(guò)環(huán)境掃描電鏡在線觀察到燃料電池的產(chǎn)物水在納米槽電極和傳統(tǒng)Pt/C電極中的形成和輸運(yùn)過(guò)程，證明了該電極具有與禾本科植物類似的排水機(jī)制，驗(yàn)證了納米槽電極優(yōu)異的水管理能力，并且該研究為膜電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一條新思路。

阜陽(yáng)攀業(yè)

阜陽(yáng)攀業(yè)正在建設(shè)全國(guó)首臺(tái)涂布幅寬570mm膜電極陽(yáng)極涂布生產(chǎn)線，建成后年產(chǎn)能達(dá)6萬(wàn)平米，二期擴(kuò)產(chǎn)后產(chǎn)能也將達(dá)到36萬(wàn)平米/年；正在建設(shè)中的國(guó)內(nèi)首臺(tái)高精度自動(dòng)雙點(diǎn)膠五合一生產(chǎn)線，設(shè)計(jì)產(chǎn)能達(dá)13萬(wàn)片/年。

長(zhǎng)城未勢(shì)能源

今年10月，長(zhǎng)城旗下未勢(shì)能源實(shí)現(xiàn)了完全自研全新高性能膜電極規(guī)?；慨a(chǎn)。據(jù)悉，長(zhǎng)城創(chuàng)新“梯度技術(shù)”，形成了特有的商業(yè)化膜電極技術(shù)序列。依托此項(xiàng)創(chuàng)新性技術(shù)，長(zhǎng)城陸續(xù)攻克了高功率密度、可靠封裝和循環(huán)壽命等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。


未勢(shì)能源自主設(shè)計(jì)全自動(dòng)“卷對(duì)卷”膜電極生產(chǎn)線，集成在線檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)從漿料制備、狹縫涂布、CCM轉(zhuǎn)印、邊框膜封裝、GDL貼合到產(chǎn)品下線，全流程高精度控制，將膜電極各部件的外形尺寸和分布精度均控制在100微米以內(nèi)，電壓偏差≤10mV，保障了產(chǎn)品的一致性和可靠性，且具有完備的反抄襲設(shè)計(jì)。

該膜電極產(chǎn)品單位面積發(fā)電功率、催化劑鉑載量、使用壽命等關(guān)鍵性能指標(biāo)均達(dá)到國(guó)內(nèi)、國(guó)際先進(jìn)水平，進(jìn)一步促進(jìn)膜電極核心技術(shù)國(guó)產(chǎn)化替代率。該產(chǎn)線全面達(dá)產(chǎn)后，可年產(chǎn)膜電極百萬(wàn)片以上，預(yù)計(jì)年產(chǎn)值超3億元以上。

參考文獻(xiàn):許德超,趙子亮,趙洪輝等.國(guó)內(nèi)燃料電池電堆技術(shù)進(jìn)展綜述[J].汽車文摘,2020(1):8-13.