東岳集團(tuán)唐軍柯：燃料電池DF260膜技術(shù)成熟并啟動量產(chǎn)
圖為山東東岳集團(tuán)研究院副院長、博士唐軍柯作主題演講
11月16—17日，“2017’第二屆動力電池應(yīng)用國際峰會暨第三屆中國電池行業(yè)智能制造研討會”在北京舉辦。本屆峰會由中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會和電池中國網(wǎng)共同主辦，天津力神電池股份有限公司聯(lián)合主辦；中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會動力電池應(yīng)用分會承辦，無錫先導(dǎo)智能裝備股份有限公司聯(lián)合承辦。參加此次峰會人數(shù)超600人。
燃料電池汽車市場分論壇于17日上午舉辦，該論壇以“現(xiàn)狀與未來：縱論車用燃料電池”為主題，由同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院副教授馬天才主持。山東東岳集團(tuán)研究院副院長、博士唐軍柯作主題的演講，實(shí)錄如下：
唐軍柯：非常感謝組委會邀請我做這個報告。題目是“國產(chǎn)燃料電池膜的介紹”，主要是東岳集團(tuán)在質(zhì)子交換膜方面現(xiàn)在取得的一些結(jié)果。
簡單介紹一下，我們公司87年成立，現(xiàn)在是香港的上市公司。我們工業(yè)集團(tuán)在全球材料方面是領(lǐng)域最全的。我們在基礎(chǔ)的礦產(chǎn)，螢石、工業(yè)鹽，中間的各種單體，到樹脂、膜的材料，我們在未來把控最終成本能力上非常強(qiáng)。同時包括剛才武漢理工郭博士也講到了膜電極里面氧的傳輸問題，講了3M公司的樹脂，我們也做的一些其他特殊用得含氟的單體，在輔助氧的傳導(dǎo)系數(shù)方面有非常好的效果，這種單體也是我們自己能夠控制的。在燃料電池行業(yè)，我們未來能給產(chǎn)業(yè)提供高質(zhì)量的、低成本的膜。
這是我們集團(tuán)在氟材料領(lǐng)域的一個地位。在制冷劑方面，我們應(yīng)該是全球最大的制冷劑生產(chǎn)商，同時在聚四氟乙烯領(lǐng)域，我們占全球1/4。
膜在燃料電池里非常重要。一個是質(zhì)子傳導(dǎo)，另外阻隔兩極反應(yīng)的氣體，同時還有絕緣電子、承載催化劑、水的管理，要維持合適的水含量。另外一個問題，在完成這些要求之后還要在成本上、耐久性上符合用戶的需求。
這是我們對一個膜在電堆里面失效各種因素的分析，包括結(jié)冰、化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械的應(yīng)力、在壓邊時候、密封時候的應(yīng)力問題，包括氧的傳輸、氫的傳輸，包括氫氣要穿過膜等。剛才有專家也講到，這個氫也要循環(huán)，氫氣如果傳輸?shù)奶螅瑲涞慕M分慢慢分壓會下降。針對這些我們做了不少工作。當(dāng)前用在燃料電池方面的質(zhì)子交換膜的電池只有全氟材料，最主要是因?yàn)槿牧系幕瘜W(xué)穩(wěn)定性非常好。
這是我們能夠找到的歷史上有過的磺酸樹脂，全氟磺酸單體與四氟乙烯共聚物，具有穩(wěn)定的化學(xué)及熱力學(xué)性能。第二個是3M公司的，第三個是日本公司開發(fā)的一個短鏈樹脂，最后一個是剛才講的陶瓷化學(xué)的開發(fā)。
這是美國DOE對膜的要求，主要問題在下面，耐久性的問題、成本的問題。
這是Gore公司膜的情況，他在各種移動式的電源方面、動力電池方面都有相應(yīng)的系列，我們在大功率燃料電池方面還可以，在其他品種方面我們還沒有這么多。
3M公司開發(fā)的一個策略上有兩個氫離子可交換的聚團(tuán)，這個角度上超低EW用的樹脂或者膜，剛才講到是在電極上用，這種是在膜上用，電極上用如果考慮到氧的傳輸方面是一些環(huán)狀的全氟的單體，含氧量高的全氟單體，在氧的溶解方面比較好。
東岳集團(tuán)是2003年開始磺酸樹脂，當(dāng)時863領(lǐng)域有一個緊急啟動的項(xiàng)目，主要是面向氯堿離子膜，我們國家的燒堿現(xiàn)在達(dá)到4千萬噸，但是在當(dāng)時那個時間或者說在10年前大概在3600萬噸到3800萬噸左右的產(chǎn)能，用的膜全部是日本和杜邦，這樣對我們基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)造成很大的威脅，所以，當(dāng)時我們和上海交通大學(xué)一塊做全磺酸樹脂，這個膜的關(guān)鍵材料。2008年，我們用這個膜的材料，實(shí)際上我們當(dāng)時和奔馳、福特公司他們在溫哥華組成了一個合資企業(yè)，進(jìn)行燃料電池膜的開發(fā)，到2013年的時候我們膜開發(fā)的進(jìn)展不錯，所以,當(dāng)時他們這樣一個車也到我們公司進(jìn)行展示。2013年，我們和他們也簽署了一個戰(zhàn)略合作協(xié)議，到2015年，戰(zhàn)略合作協(xié)議的第一期結(jié)束，因?yàn)槲覀冞M(jìn)展也不錯，他們給我們也發(fā)了一個第二關(guān)考評的獎，這樣簽署了第二期的戰(zhàn)略合作協(xié)議。之后我們膜性能和壽命上完全達(dá)到了奔馳公司的需求，他給我們發(fā)了第三關(guān)的獎，同時也考慮下一步怎么進(jìn)行工業(yè)化的應(yīng)用。
我們這個材料從實(shí)驗(yàn)技術(shù)到批量技術(shù)，現(xiàn)在來看批量技術(shù)應(yīng)該沒有問題了，或者往商業(yè)化、工程化發(fā)展，這里面涉及到很多東西，這是我們進(jìn)一步投入利用在進(jìn)行能力提高的一些東西。
當(dāng)前東岳集團(tuán)在膜的關(guān)鍵材料上面、在成膜的控制方面、在裝備的開發(fā)或者在線的監(jiān)控方面，以及我們面向汽車領(lǐng)域的質(zhì)量方面，都做了非常多的工作，也形成了一些專有的技術(shù)，我們按照要求是按照這樣一個流程來走的。
這是我們東岳現(xiàn)在定型的DF260型膜電池里邊的性能，這里邊可以看到，我們這個紅色的是奔馳公司他們的基礎(chǔ)膜，他們的基線，基本上我們在DF260型的膜在性能上是一樣的。這是他DF260型膜的濕度敏感性，低濕度的敏感性，紫色先是我們DF260型的膜，和他這個膜差一點(diǎn)，基本上可以達(dá)到用的水平。這個是透氣率，氫氣的穿透性比這個膜還要低很多。
這是耐久性的數(shù)據(jù)。從這里邊可以看到，他們的要求是這樣的，OCV循環(huán)要大于600小時，干濕循環(huán)，應(yīng)對機(jī)械應(yīng)力要大于2萬個循環(huán)，COCV循環(huán)把化學(xué)應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力都加在一起要大于120循環(huán)，從我們現(xiàn)在數(shù)據(jù)上來說，實(shí)際上很多已經(jīng)超過他們這個水平。
剛才也講到，這個實(shí)際上是我們膜在他們電堆里面，在模擬乘用車工況下運(yùn)行了6千小時，拿出來之后膜的情況。實(shí)際上這個膜無論在厚度還是其他方面，沒有受到任何損害。為什么只做到6千小時，因?yàn)檫@一代電堆要求6千小時就可以了，再往下做投入的資源就非常多了，到這個地方就停了，我相信這樣的情況至少這個膜維持一段時間是沒有問題的。
剛才說過，我們這個膜在壽命上、耐久性上的進(jìn)展非?？?，2014年，僅1千小時，2016年達(dá)到6千小時這樣的要求，這就意味著，2016年我們這個膜在技術(shù)上已經(jīng)完全成熟，我們和DFCC（音）交流，他們研發(fā)也自己講，當(dāng)前他們所遇到的這個膜能夠達(dá)到6千小時壽命的只有東岳公司和美國的Gore公司兩家，其他的大概都達(dá)不到這個要求。
這是我們DF260膜的表，我們的膜是15微米的情況，膜量在350兆帕，電輸出性上到560毫伏，耐久性大約6千小時。
實(shí)際上2013年已經(jīng)建成膜的標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)線，還不能叫生產(chǎn)線，因?yàn)檫@里面還有很多產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)在這上面研究，當(dāng)前我們已經(jīng)形成了膜小批量的生產(chǎn)，現(xiàn)在我們根據(jù)市場的需求，大概做到幾千平米的銷售。
同時我們也在做質(zhì)量管理體系建設(shè)，這實(shí)際上是第二方的審核結(jié)果，當(dāng)然還有7個黃色的項(xiàng)，我們已經(jīng)根據(jù)這個要求整改了。這是今年年初審核的結(jié)果，下面只有他們再進(jìn)行一次審核才能看黃色線是否已經(jīng)消除。
我們的DF260膜，比如豐田，相當(dāng)于他們這一代在這個車上推出來電堆所用的膜，他的工作峰值電流一般在1.5安到2安，工作的溫度大概是80到90度峰值的溫度，當(dāng)然可能這個膜還需要加濕，因?yàn)樨S田不需要加濕。
這個膜我們現(xiàn)在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，同時向市場推出這樣一個產(chǎn)品。我們也正在開發(fā)下一代膜。當(dāng)然第一代膜我們是用傳統(tǒng)的常見樹脂，第二代膜我們將會在下面的樹脂里面，主要是短鏈和側(cè)鏈調(diào)控的新型樹脂開發(fā)。我們對下一代膜的想法，一個是我們的EW可以進(jìn)一步降低，因?yàn)闆Q定了這個膜輸出的性能，還有對水保持的這種能力。我們這個膜的厚度在15微米，現(xiàn)在寫的是10%的下降，實(shí)際上從我們現(xiàn)在做的結(jié)果，包括我們和客戶交流上，他們希望降到10微米。傳導(dǎo)性能會進(jìn)一步提升，同時我們要求耐久性上由現(xiàn)在6千小時做到將近9千個小時，成本還要進(jìn)一步下降。
這個是把剛才那個變成一個表格，就是我們EW要進(jìn)一步下降，透氫的結(jié)果要進(jìn)一步降低。這是我們下一代的膜在第六代電堆，剛才講的DF260膜適用于第五代電堆的情況。這是在第六代測試的情況。第五代電堆的工作峰值1.5到2安左右，他們下一代希望到2.5安或者3安的樣子，從現(xiàn)在的結(jié)果看，相當(dāng)于和拿到的比較好一點(diǎn)的膜基本上是一樣的。
當(dāng)前，這個膜也正在進(jìn)行化學(xué)穩(wěn)定性的測試，這個是測到了450個小時，現(xiàn)在還正在測的，應(yīng)該還沒有出問題，中間出了一點(diǎn)小狀況，在這個地方測試臺突然停電了，再開了之后又繼續(xù)往下走，是這樣一個情況。所以，我們下一代的膜至少在化學(xué)穩(wěn)定性上問題不大，因?yàn)槲覀冇袑Ｓ械募夹g(shù)。
我們DF260型的膜技術(shù)上已經(jīng)成熟，產(chǎn)品已經(jīng)定型，并且進(jìn)行了量產(chǎn)，同時我們已經(jīng)制定了下一步批量化生產(chǎn)的計劃，預(yù)計到2023年左右能夠達(dá)到幾百萬平米這樣一個產(chǎn)能。這個性能也非常不錯，在90度時，1.8安能在635個毫伏輸出電壓，耐久性超過了6千小時，能夠滿足燃料電池需求。由于東岳集團(tuán)在氟材料領(lǐng)域全產(chǎn)業(yè)鏈的優(yōu)勢，相信我們能夠?yàn)槲覈剂想姵禺a(chǎn)業(yè)或者燃料電池車產(chǎn)業(yè)提供強(qiáng)有力的支撐。謝謝大家！
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