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全氟磺酸樹脂(Nafion-H)具有耐熱性好、化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)、機(jī)械強(qiáng)度高、熱熔融加工性好等優(yōu)點(diǎn)，并且是已知最強(qiáng)固體超強(qiáng)酸，用作酸催化劑時(shí)，與液體超強(qiáng)酸相比，具有催化活性好、選擇性優(yōu)、易于分離、可反復(fù)使用、腐蝕性小等特點(diǎn)，是一種容易應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)領(lǐng)域的綠色固體酸催化劑。在現(xiàn)代工業(yè)上，全氟磺酸樹脂的主要用途是制造薄膜。
全氟磺酸樹脂材料是組成質(zhì)子交換膜燃料電池最為核心的原材料之一，一方面對(duì)于電池膜的技術(shù)要求很高，只有極少企業(yè)掌握了這種技術(shù)工藝。另一方面由于原料四氟乙烯是高?；瘜W(xué)品，量產(chǎn)全氟磺酸樹脂材料，只有具備實(shí)力的大型氟化工企業(yè)才能做到。
全氟磺酸樹脂制備一般是以帶有磺酰氟基的全氟乙烯基醚單體與四氟乙烯為原料進(jìn)行共聚制得。能用于生產(chǎn)質(zhì)子交換膜的全氟磺酸樹脂技術(shù)壁壘高，在原料選擇、合成工藝等方面需要有較好的技術(shù)。
全氟磺酸樹脂通常都是在加熱到熔融狀態(tài)后（一般溫度控制在160-230℃之間）進(jìn)行擠塑成膜的，成單膜后還需加熱到軟化狀態(tài)進(jìn)行復(fù)合和增強(qiáng)，所以作為全氟離子膜主要基體材料的全氟磺酸樹脂必須具有能熔融加工的性能。全氟磺酸樹脂具有良好的熱穩(wěn)定性，它可以在200℃左右的溫度下長(zhǎng)時(shí)期保持穩(wěn)定。
全氟磺酸樹脂具有耐熱性好、化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)、機(jī)械強(qiáng)度高、熱熔融加工性好等優(yōu)點(diǎn)，是已知最強(qiáng)固體超強(qiáng)酸。在現(xiàn)代工業(yè)上，全氟磺酸樹脂的主要用途是制造薄膜。
20世紀(jì)70年代，全氟磺酸樹脂被美國(guó)杜邦研發(fā)問(wèn)世?，F(xiàn)階段，全氟磺酸樹脂主要用于加工質(zhì)子交換膜與離子交換膜，質(zhì)子交換膜可應(yīng)用于燃料電池、液流電池隔膜領(lǐng)域，離子交換膜可應(yīng)用于氯堿工業(yè)、電解制氫、廢酸回收等領(lǐng)域。
全氟磺酸膜的應(yīng)用原理是這樣的：將其放置于電堆中，作為陰陽(yáng)極阻隔物，利用陽(yáng)極中的氫氣和陰極中的氧氣，經(jīng)過(guò)全氟磺酸膜完成電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生離子交換效應(yīng)而釋放出電子，外接電路形成電流。由于反應(yīng)過(guò)程中氫離子會(huì)透過(guò)全氟磺酸膜與氧離子結(jié)合只生成成水，所以它不會(huì)產(chǎn)生污染。
全氟磺酸膜目前的制備方法主要有三種：熔融擠出流延法，溶液澆注成型法，以及溶液鋼帶流延法，其中熔融擠出流延法是目前最為成熟的加工方法，主要材料分別為全氟磺酸樹脂（PFAR）和全氟磺酰樹脂（PFSR）。
全氟磺酸質(zhì)子交換膜生產(chǎn)主要集中在海外，主要地區(qū)包括美國(guó)、日本、加拿大等國(guó)家，主要公司包括美國(guó)杜邦、戈?duì)?、陶氏?M 等，日本旭硝子、旭化成，加拿大巴拉德公司。20世紀(jì)90年代，杜邦公司率先開發(fā)出全氟磺酸質(zhì)子交換膜的商業(yè)化產(chǎn)品——Nafion系列膜，處于質(zhì)子交換膜行業(yè)的頂尖位置，其他公司以 Nafion 系列全氟磺酸質(zhì)子交換膜為基礎(chǔ)，相繼開發(fā)出相近產(chǎn)品。公開資料顯示，目前全球量產(chǎn)的氫燃料電池汽車豐田MIRAI、現(xiàn)代NEXO和本田 CLARITY 等都采用戈?duì)柈a(chǎn)品。
國(guó)內(nèi)市場(chǎng)方面，全氟磺酸質(zhì)子交換膜是我國(guó)國(guó)家級(jí)科技攻關(guān)項(xiàng)目。2002 年上海三愛富新材料股份有限公司完成全氟磺酸樹脂生產(chǎn)工藝的研究，并成功通過(guò)成膜和燃料電池發(fā)電實(shí)驗(yàn)。2005 年，東岳集團(tuán)與上海交通大學(xué)合作，成功研制出全氟磺酸離子交換膜，目前已建成年產(chǎn) 350 萬(wàn)平方米燃料電池膜、50 萬(wàn)平方米水電解制氫膜、100 萬(wàn)平方米液流電池膜、500 噸全氟離子交換樹脂的產(chǎn)線。
當(dāng)前，質(zhì)子交換膜目前主要應(yīng)用場(chǎng)景有氯堿工業(yè)、燃料電池、電解水制氫槽、全釩液流電池。氯堿行業(yè)屬于高耗能行業(yè)，因此在環(huán)保政策逐步收緊的背景下近年來(lái)相關(guān)項(xiàng)目的審批有所收緊，預(yù)計(jì)未來(lái)對(duì)于質(zhì)子交換膜的需求增速將有所放緩。質(zhì)子交換膜作為新材料，未來(lái)主要應(yīng)用領(lǐng)域或?qū)⒓性谌剂想姵?、電解水制氫、全釩液流電池等領(lǐng)域。
1、燃料電池
燃料電池是一種將燃料所具有的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的裝置，基本原理是氫氣進(jìn)入燃料電池的陽(yáng)極，在催化劑的作用下分解成氫質(zhì)子和電子，形成的氫質(zhì)子穿過(guò)質(zhì)子交換膜達(dá)到燃料電池陰極，在催化劑作用下與氧氣結(jié)合生成水，電子則通過(guò)外部電路到達(dá)燃料電池陰極形成電流。燃料電池電堆是燃料電池的核心部件，膜電極作為燃料電池電堆的核心部件，質(zhì)子交換膜約占其成本的 16%。
在燃料電池的應(yīng)用場(chǎng)景不斷多樣化驅(qū)動(dòng)，能量密度及運(yùn)行壽命方面持續(xù)實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破的情況下，國(guó)鴻氫能預(yù)計(jì)中國(guó)氫燃料電池電堆的出貨量將保持快速增長(zhǎng)，氫燃料電池電堆的出貨量將由 2022 年的 1,044.1 兆瓦增至 2026 年的 15,044.6 兆瓦，復(fù)合增長(zhǎng)率約為 94.8%，價(jià)值將由 22.08 億增長(zhǎng)至 147.44 億。
目前，氫燃料電池汽車是全氟磺酸質(zhì)子交換膜的重要應(yīng)用場(chǎng)景，然而隨著技術(shù)的進(jìn)步，氫能兩輪車作為全新的應(yīng)用場(chǎng)景，正逐漸興起。近年，行業(yè)涌現(xiàn)出不少參與氫能兩輪車研發(fā)、生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)的新銳力量，市場(chǎng)正蓄勢(shì)待發(fā)。
為助力氫能應(yīng)用新“藍(lán)?！?，北京國(guó)化新材料技術(shù)研究院有限公司擬于2023年12月14日在杭州市組織召開“2023儲(chǔ)氫與氫兩輪車耦合發(fā)展沙龍”，重點(diǎn)討論儲(chǔ)氫環(huán)節(jié)技術(shù)前沿、氫能兩輪車市場(chǎng)培育、產(chǎn)業(yè)鏈耦合發(fā)展等議題，邀請(qǐng)行業(yè)內(nèi)專家學(xué)者、頭部企業(yè)代表等，共同探討我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)初期發(fā)展的前進(jìn)之路。
2、電解水制氫
電解水制氫是在直流電的作用下，通過(guò)電化學(xué)過(guò)程將水分子解離為氫氣與氧氣，分別在陰、陽(yáng)兩極析出。根據(jù)隔膜不同，可分為堿性電解水、質(zhì)子交換膜電解水、固體氧化物電解水三種技術(shù)。IEA 數(shù)據(jù)顯示，截至 2021 年底，全球共有 882 項(xiàng)電解水相關(guān)項(xiàng)目在運(yùn)行，現(xiàn)有項(xiàng)目中，質(zhì)子交換膜水電解（PEM）占比最高有 238 項(xiàng)。由此可見，質(zhì)子交換膜電解水制氫是氫氣制取端主流發(fā)展方向。
3、全釩液流電池
全釩液流電池是目前液流電池行業(yè)技術(shù)成熟度相對(duì)領(lǐng)先的技術(shù)。全釩液流電池是液流電池中唯一一種活性物質(zhì)單一的電池，它利用釩離子化合價(jià)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)電能與化學(xué)能之間的轉(zhuǎn)化。
全釩液流電池系統(tǒng)由功率單元（電堆），能量單元（電解液和電解液儲(chǔ)罐），電解液輸送單元（管路、閥、泵、傳感器等輔助部件）以及電池管理系統(tǒng)等組成。其中，電堆由離子交換膜、電極、雙極板、電極框、密封等材料構(gòu)成。全釩液流電池將具有不同價(jià)態(tài)的釩離子溶液作為正極和負(fù)極的活性物質(zhì)，分別儲(chǔ)存在正負(fù)極的電解液儲(chǔ)罐中。充放電時(shí)，在泵的作用下，電解液由儲(chǔ)罐分別循環(huán)流經(jīng)電池的正極室和負(fù)極室，在電極表面發(fā)生氧化和還原反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的充放電。
質(zhì)子交換膜在燃料電池、電解水制氫、全釩液流電池的技術(shù)發(fā)展中扮演重要角色。受益于全球能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，新能源汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，拉動(dòng)燃料電池需求不斷上升。質(zhì)子交換膜是燃料電池的核心組成部分之一，而全氟磺酸樹脂是制造質(zhì)子交換膜的關(guān)鍵材料，因此其市場(chǎng)需求快速增長(zhǎng)。
在國(guó)家政策的推動(dòng)下，我國(guó)燃料電池汽車產(chǎn)量將快速上升，會(huì)拉動(dòng)質(zhì)子交換膜需求快速增長(zhǎng)，為全氟磺酸樹脂行業(yè)提供巨大發(fā)展空間。現(xiàn)階段，我國(guó)市場(chǎng)需求主要依靠進(jìn)口，未來(lái)進(jìn)口替代空間巨大。
