稅率下調，膜電極進口迎來春天

12月15日，財政部發布《國務院關稅稅則委員會關于2022年關稅調整方案的通知》（以下簡稱《通知》）。根據《通知》，2022年1月1日起，我國將對954項商品實施低于最惠國稅率的進口暫定稅率。其中，包含增壓器、循環泵、膜電極組件、雙極板、碳電極片等5種燃料電池關鍵零部件。

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

技術壁壘“拖累”膜電極發展

對于國內燃料電池市場而言，膜電極來源還在依賴進口階段。據統計，截至2021年2月，累計裝車使用的電堆中超過70%的膜電極來自進口。其原因主要來自于其高難度的技術壁壘和較長的產業周期，此外國內目前產業化重點攻關對象集中在燃料電池系統和電堆上，對膜電極的關注相對較少。

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



膜電極是燃料電池電化學反應的基本單元，目前已經發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，提高了催化劑的利用率，提高了氫離子在催化劑層的擴散和運動，從而提高膜電極的性能，是目前的主流應用技術。


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資料顯示，膜電極關鍵零部件包括“質子交換膜”、“催化劑”以及“氣體擴散層”，每一個部件都在技術尚未完全突破、原料供應不足等問題上制約著國內市場的普及與發展。

質子交換膜：全氟磺酸型膜為目前主流，復合膜是未來發展方向。全氟磺酸膜：目前常用的商業化質子交換膜。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商集中于日本和歐美國家，其中應用最廣泛的是美國杜邦公司的Nafion系列膜。

復合膜：未來技術發展方向。目前，在技術研發方面，大連化學物理研究所和武漢理工大學都在積極研發復合膜技術。在產業化方面，亞洲最大的氟化企業山東東岳聯合上海交通大學實現了復合膜的產業化。其開發的DF260膜性能出色，具備規模化生產能力，其采用的ePTFE增強復合膜結構，厚度達到15μm，在開路電壓（OCV）情況下耐久性大于600h；膜運行時間達到6000h；在干濕循環和機械穩定性方面，循環次數超過20000次。該膜技術已經成熟并定型量產，第二代規劃產能200000㎡。

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

燃料電池零部件的成本主要來源于原材料與加工費用，在目前技術水平下，加工成本主導的部件(如質子交換膜、氣體擴散層)的成本可通過規模化生產來降低，但材料成本占主導的催化劑難以通過量產來降低成本。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商為美國的3M、Gore，英國的Johnson Matthery，德國的BASF，日本的Tanaka，比利時的Umicore 等，國內大連化物所具備小規模生產的能力。

氣體擴散層：通過規模化生產來降成本。氣體擴散層位于流暢和催化層之間，主要作用是為參與反應的氣體和生成的水提供傳輸通道，并支撐催化劑。因此，擴散層基底材料的性能將直接影響燃料電池的電池性能。

在國內，氣體擴散層尚處于小規模生產階段。上海河森公司生產生產的PEMFC專用高性能氣體擴散層，具備1000㎡/月生產能力。目前國內開發的氣體擴散層，其原材料多為進口。國內雖有自主開發的材料，但整體的產品狀態并不能達到商業化要求。長遠來看，其國產化的突破與量產，對降低國內燃料電池成本和推動商業化進程具有重要意義。

過去數十年，MEA技術已取得巨大突破。貴金屬用量已從20世紀80年代的8mg/c㎡下降到如今0.102mg/c㎡，同時，MEA性能和壽命得到了較大程度的提升。目前國際MEA技術研究重點仍然集中在性能、壽命及成本上。國內MEA也取得較大進展。中國科學院大連化學物理研究所、武漢理工大學等在國家“863”項目支持下進行了低成本、高性能MEA研究，國內MEA技術可實現Pt載量0.2mg/c㎡，功率密度1.4W/c㎡,單電池MEA壽命超過5600h，與國際先進水平相當。


國內外膜電極性能對比分析

膜電極作為核心技術，國家長期支持該技術的研發并制訂了明確的研發目標。根據《國家重點研發計劃“可再生能源與氫能技術”等重點專項2019年度項目申報指南》，到2030年底，國家在膜電極領域的技術目標為下圖所示。


國內2030年膜電極技術目標

國內膜電極企業代表

新源動力

新源動力研發的HYMEA膜電極產品，活性面積25-400cm2，功率密度≥1.0W/cm2，耐久性5000-10000h。新源動力擁有自主知識產權的質子交換膜燃料電池技術，部分關鍵技術達到國際一流水平。

針對商用車及乘用車使用場景，新源動力研發的第二代和第三代車用質子交換膜燃料電池膜電極，已投入市場使用。目前，第四代低鉑高性能高耐久性膜電極正在進行開發和驗證。

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共同發起成立，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——膜電極的產業化與研發，目前已完成6000平米潔凈廠房裝修，并建成了自動化程度更高的膜電極生產線，膜電極產能達到2萬平米/年，最終設計產能將達到10萬平米/年。

蘇州擎動科技

蘇州擎動科技是一家氫燃料電池核心組件膜電極制造商，已通過國內外多家知名燃料電池廠家及研究院的測試，且和國內外多家燃料電池電堆廠家簽署合作協議，并長期為其提供膜電極產品，

2019年2月，擎動科技自主研發的國內首套“卷對卷直接涂布法”膜電極生產線正式投產。據介紹，該條產線可實現年產膜電極100萬片。

鴻基創能

10月26日，鴻基創能100萬片膜電極正式下線。鴻基創能科技（廣州）有限公司成立于2017年12月，致力于質子交換膜氫燃料電池用高性能膜電極的大規模產業化，解決國內在該技術領域的“卡脖子”問題。鴻基創能開發了CCM陰陽極雙面直接涂布技術、膜電極一體化成型技術、膜電極自動化快速封裝技術，為膜電極大規模產業化奠定堅實基礎。

中科院大連化物所

2021年8月，大連化物所宣布在質子交換膜燃料電池低鉑膜電極研究方面取得新進展，設計并制備了具有仿生結構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定性。

該研究首次通過環境掃描電鏡在線觀察到燃料電池的產物水在納米槽電極和傳統Pt/C電極中的形成和輸運過程，證明了該電極具有與禾本科植物類似的排水機制，驗證了納米槽電極優異的水管理能力，并且該研究為膜電極結構設計提供了一條新思路。

阜陽攀業

阜陽攀業正在建設全國首臺涂布幅寬570mm膜電極陽極涂布生產線，建成后年產能達6萬平米，二期擴產后產能也將達到36萬平米/年；正在建設中的國內首臺高精度自動雙點膠五合一生產線，設計產能達13萬片/年。

長城未勢能源

今年10月，長城旗下未勢能源實現了完全自研全新高性能膜電極規模化量產。據悉，長城創新“梯度技術”，形成了特有的商業化膜電極技術序列。依托此項創新性技術，長城陸續攻克了高功率密度、可靠封裝和循環壽命等關鍵技術瓶頸。


未勢能源自主設計全自動“卷對卷”膜電極生產線，集成在線檢測技術，實現從漿料制備、狹縫涂布、CCM轉印、邊框膜封裝、GDL貼合到產品下線，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，電壓偏差≤10mV，保障了產品的一致性和可靠性，且具有完備的反抄襲設計。

該膜電極產品單位面積發電功率、催化劑鉑載量、使用壽命等關鍵性能指標均達到國內、國際先進水平，進一步促進膜電極核心技術國產化替代率。該產線全面達產后，可年產膜電極百萬片以上，預計年產值超3億元以上。

參考文獻:許德超,趙子亮,趙洪輝等.國內燃料電池電堆技術進展綜述[J].汽車文摘,2020(1):8-13.