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張永明:燃料電池全氟質子膜

時間:2020-01-12 16:03來源:中國電池聯盟 作者:綜合報道
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    2020年1月10日-1月12日,中國電動汽車百人會論壇(2020)在北京釣魚臺國賓館正式拉開帷幕,上海交通大學化學化工學院教授張永明出席了論壇,并作了主題演講,以下為發言實錄:

    尊敬的各位領導、各位嘉賓,我匯報一下我們行業的情況,所謂的行業是非常小的領域,就是燃料電池質子膜的工作。

    這是匯報的基本內容。全氟質子膜,我們質子膜燃料電池顧名思義,質子膜在里面扮演著很重要的作用。燃料電池汽車剛才很多領導專家已經說了,已經發展到了商業化階段,所以下面的發展我們要更加努力。

    關于全氟質子膜,它處在什么樣的位置,前面王海江教授和潘牧教授都介紹了這個工作。車完了以后就是動力系統,然后是電堆,然后是膜電極,這樣一個膜電極厚度大概0.5毫米,展開就是這樣一個組合圖。這樣一個組合分解圖來看,幾樣非常重要的東西,一個是中間的膜,兩邊是催化層,接下來是擴散層,加上雙極板組合成的電堆。

    下面我介紹一下全氟質子膜的發展歷史。質子膜開始都是碳氫類的,帶有磺酸根或者硫酸根的東西,這樣的材料在燃料電池用性能比較差,沒有什么競爭性。接下來就是以含氟的,不是全氟的,主鏈含氟的聚合物,下面帶有磺酸根硫酸根等,但這也是同樣的情況,雖然性能提高但還是不能滿足使用的要求。經過幾十年的發展,最后確認全氟的才能達到要求,這里特別感謝杜邦公司的開創性工作,他們在60年代開發了全氟結構,才使得今天燃料電池汽車和燃料電池的飛機和火車才有可能性,所以在燃料電池質子膜發展的歷史當中,杜邦公司做了非常重要的貢獻。

    杜邦公司做的工作主要在前面,隨著汽車的發展,要求膜的強度提高,純粹的聚合物膜不能滿足要求了,后來Gore公司發明了增強型的膜,增強了要求,主要是滿足雙向拉伸微孔膜,使得現在燃料電池汽車密度大幅度提高。涉足燃料電池電池質子膜研發公司十幾個,我們公司,就是東岳公司在這方面和國外一道發展燃料電池質子膜,目前是美國Gore公司和中國的東岳公司走在前面。

    燃料電池質子膜發展狀況是什么樣,中國50年代就開始做質子膜,到80年代開始做全氟膜,但進展緩慢,2003年正式開始,在科技部支持下開展了系統的研究工作,2017年中國的全氟質子膜走到了世界一流的水平上,所以我們比較幸運的發展到現在的水平。這是東岳燃料電池全氟質子膜的發展情況,03年開始,到2006年、2008年、2011年、2016年、2017年、2018年、2019年,到2019年開始啟動百萬平方米全氟質子膜的項目,在東岳氫能公司做的,每一步確實付出了很多代價,收到了很多經驗教訓。這是現在東岳公司做的各種聚合物,長的,短的,交聯的,十幾種都有,所以成膜聚合物是一個關鍵點,它涉及很多氟化工和氟材料的過程。

    我們做這個膜,需要對這個膜進行深入的研究。這是去年我作報告的時候,我們說有一個黑箱,就是全氟質子膜微觀結構,去年我們還沒有真正打開這個黑箱,經過一年的工作,我們打開了這個黑箱。這是現有的各種模型,我們認為都不夠完善。采用散射光的技術,還有廣角、小角各種儀器,這個儀器也是我們獨有的。這是進行微觀原位成膜過程的研究,這是關于質子通道的問題,對聚合物結晶問題進行了深入的研究。

    這是一個照片,里面講的離子通道,過去我們只知道大概的,對一些深入的東西沒有深入的了解,這個微觀結構到底是什么情況呢,我們膜的結構和這一堆玉米非常類似,一粒一粒玉米,相當于磺酸集團的位置,玉米芯屬于鏈結構,這個膜就是由一個一個玉米棒子連接起來的,有的是單個存在,有的互相交叉在一起。過去我們總想,是不是平行的離子通道是最好的,經過我們的研究,認為平行通道沒有這種通道好。

    燃料電池膜的發展方向是什么呢,更高的電導率,更低的EW值,主要是在大功率輸出的時候有用。如果功率密度比較低,不需要這么低的EW值。過去在小于100的電導率,現在這個膜在100到200,未來要在200到300,支撐質子密度6kW/L。第二方面就是增強型復合離子膜,現在大多采用Gore公司雙向拉伸的微孔膜,接下來有各種各樣的增強方式,也可以紡織,也可以無紡,也可以做化學交聯都可以,這個方向發展還是有很多的空間。再就是高溫性,能不能走到120度,大家知道到120度水熱管理方便的多,品質也非常好。目前在磺酸這個膜上很難實現,需要進行質子膜材料的構建,這個工作也列到了“十四五”性能發展的規劃當中。低透氣性,現在這個膜想低于2mA/cm比較難,要想辦法在膜結構上進行化學和復合雙重的改進,才可以做到這一步,不僅僅是透氫的問題,還有氮氣,氮氣會使功率密度下降,所以有很多的問題。這個膜在這里面還有很長的路要走,隨著燃料電池汽車的發展,我想這個膜也會走在前面發展,而不是跟著發展,膜要走在前面,我們比較幸運的是,在這方面我們還是有不少的積累。

    匯報一下去年一年的工作,這些都是原來已經有的,接下來要做生產線,百萬平方米的生產線,一個汽車10平方米,也就是10萬輛車的生產線,在2025年以前能夠保證國內燃料電池汽車需要的膜的供應。這是生產車間,已經建成,里面的設備在陸續開始安裝,請大家放心,膜的事情,東岳一定會跟上。

    國內國外也都在做膜,國內也不僅僅是我們一家在做,有的人也在做研究,但是要做這個膜,這個膜非常特殊,為什么這么多年一直沒有這個膜,主要是要求的條件太多了。首先你要工業化穩定的生產平臺,要有年頭才行,氟化工材料太特殊了,強腐蝕性,爆炸性等。還有聚合物的平臺,你還要和汽車公司結合起來要有試驗的評價,沒有試驗評價沒有人敢用你的膜。還有團隊的支撐,這個膜現在一直在賠錢,年年幾千萬,一般的公司都不愿意做,只有一些大的公司,愿意負責任的公司才做,每年都賠上千萬,所以需要長期的積累,一天兩天想把這個膜做起來比較難,要買一點聚合物涂一涂,一個小時能做出來,但是能不能滿足要求這是另外一回事,這是東岳應該說全球最完善的鏈條,也許還有公司說我們也能做到這一步,但是大家可以討論一下。

    謝謝各位。

(責任編輯:龍闕)
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