上海交大张永明全氟质子膜的开展与位置

1月10-12日，2020中国电动汽车百人会论坛在钓鱼台国宾馆隆重召开。本次论坛围绕“把握形势 聚焦转型 引领创新”主题，邀请政府有关部门和汽车、能源、交通、城市、通讯等领域的行业机构和领先企业代表，就行业、企业、政策的转型与创新展开深度研讨。以下是上海交通大学化学化工学院教授，张永明在本次论坛上的发言：

上海交通大学化学化工学院教授 张永明

尊敬的各位领导、各位嘉宾，我汇报一下我们行业的情况，所谓的行业是非常小的领域，就是燃料电池质子膜的工作。

这是汇报的基本内容。全氟质子膜，我们质子膜燃料电池顾名思义，质子膜在里面扮演着很重要的作用。燃料电池汽车刚才很多领导专家已经说了，已经发展到了商业化阶段，所以下面的发展我们要更加努力。

关于全氟质子膜，它处在什么样的位置，前面王海江教授和潘牧教授都介绍了这个工作。车完了以后就是动力系统，然后是电堆，然后是膜电极，这样一个膜电极厚度大概0.5毫米，展开就是这样一个组合图。这样一个组合分解图来看，几样很重要的东西，一个是中间的膜，两边是催化层，接下来是扩散层，加上双极板组合成的电堆。

下面我介绍一下全氟质子膜的发展历史。质子膜开始都是碳氢类的，带有磺酸根或者硫酸根的东西，这样的材料在燃料电池用性能比较差，没什么竞争性。接下来就是以含氟的，不是全氟的，主链含氟的聚合物，下面带有磺酸根硫酸根等，但这也是同样的情况，虽然性能提高但还是不能满足使用的要求。经过几十年的发展，最后确认全氟的才能达到要求，这里特别感谢杜邦公司的开创性工作，他们在60年代开发了全氟结构，才使得今天燃料电池汽车和燃料电池的飞机和火车才有可能性，所以在燃料电池质子膜发展的历史当中，杜邦公司做了很重要的贡献。

杜邦公司做的工作主要在前面，随着汽车的发展，要求膜的强度提高，纯粹的聚合物膜不能满足要求了，后来Gore公司发明了增强型的膜，增强了要求，主要是满足双向拉伸微孔膜，使得现在燃料电池汽车密度大幅度提高。涉足燃料电池电池质子膜研发公司十几个，我们公司，就是东岳公司在这方面和国外一道发展燃料电池质子膜，目前是美国Gore公司和中国的东岳公司走在前面。

燃料电池质子膜发展状况是怎样，中国50年代就开始做质子膜，到80年代开始做全氟膜，但进展缓慢，2003年正式开始，在科技部支持下开展了系统的研究工作，2017年中国的全氟质子膜走到了世界一流的水平上，所以我们比较幸运的发展到现在的水平。这是东岳燃料电池全氟质子膜的发展情况，03年开始，到2006年、2008年、2011年、2016年、2017年、2018年、2019年，到2019年开始启动百万平方米全氟质子膜的项目，在东岳氢能公司做的，每一步确实付出了很多代价，收到了很多经验教训。这是现在东岳公司做的各种聚合物，长的，短的，交联的，十几种都有，所以成膜聚合物是一个关键点，它涉及很多氟化工和氟材料的过程。

我们做这个膜，需要对这个膜进行深入的研究。这是去年我作报告的时候，我们说有一个黑箱，就是全氟质子膜微观结构，去年我们还没有真正打开这个黑箱，经过一年的工作，我们打开了这个黑箱。这是现有的各种模型，我们大家都认为都不够完善。采用散射光的技术，还有广角、小角各种仪器，这个仪器也是我们独有的。这是进行微观原位成膜过程的研究，这是关于质子通道的问题，对聚合物结晶问题进行了深入的研究。

这是一个照片，里面讲的离子通道，过去我们只知道大概的，对一些深入的东西没有深入的了解，这个微观结构到底是什么情况呢，我们膜的结构和这一堆玉米非常类似，一粒一粒玉米，相当于磺酸集团的位置，玉米芯属于链结构，这个膜就是由一个一个玉米棒子连接起来的，有的是单个存在，有的互相交叉在一起。过去我们总想，是不是平行的离子通道是最好的，经过我们的研究，认为平行通道没有这种通道好。

燃料电池膜的发展趋势是什么呢，更高的电导率，更低的EW值，主要是在大功率输出的时候有用。如果功率密度比较低，不需要这么低的EW值。过去在小于100的电导率，现在这个膜在100到200，未来要在200到300，支撑质子密度6kW/L。第二方面就是增强型复合离子膜，现在大多采用Gore公司双向拉伸的微孔膜，接下来有各种各样的增强方式，也可以纺织，也可以无纺，也可以做化学交联都可以，这个方向发展还是有很多的空间。再就是高温性，能不能走到120度，大家知道到120度水热管理方便的多，品质也非常好。目前在磺酸这个膜上很难实现，有必要进行质子膜材料的构建，这个工作也列到了“十四五”性能发展的规划当中。低透气性，现在这个膜想低于2mA/cm比较难，要想办法在膜结构上进行化学和复合双重的改进，才能做到这一步，不仅仅是透氢的问题，还有氮气，氮气会使功率密度下降，所以有很多的问题。这个膜在这里面还有很长的路要走，随着燃料电池汽车的发展，我想这个膜也会走在前面发展，而不是跟着发展，膜要走在前面，我们比较幸运的是，在这方面我们还是有不少的积累。

汇报一下去年一年的工作，这些都是原来已经有的，接下来要做生产线，百万平方米的生产线，一个汽车10平方米，也就是10万辆车的生产线，在2025年以前能确保国内燃料电池汽车需要的膜的供应。这是生产车间，已经建成，里面的设备在陆续开始安装，请大家放心，膜的事情，东岳一定会跟上。

国内国外也都在做膜，国内也不单单是我们一家在做，有的人也在做研究，但是要做这个膜，这个膜非常特殊，为什么这么多年一直没有这个膜，主要是要求的条件太多了。首先你要工业化稳定的生产平台，要有年头才行，氟化工材料太特殊了，强腐蚀性，爆炸性等。还有聚合物的平台，你还要和汽车公司结合起来要有试验的评价，没有试验评价没有人敢用你的膜。还有团队的支撑，这个膜现在一直在赔钱，年年几千万，一般的公司都不愿意做，只有一些大的公司，愿意负责任的公司才做，每年都赔上千万，所以需要长期的积累，一天两天想把这个膜做起来比较难，要买一点聚合物涂一涂，一个小时能做出来，但是能不能满足要求这是另外一回事，这是东岳应该说全球最完善的链条，也许还有公司说我们也能做到这一步，但是你们可以讨论一下。

谢谢各位。