東岳集團(tuán)唐軍柯：燃料電池DF260膜技術(shù)成熟并啟動(dòng)量產(chǎn)
圖為山東東岳集團(tuán)研究院副院長(zhǎng)、博士唐軍柯作主題演講
11月16—17日，“2017’第二屆動(dòng)力電池應(yīng)用國(guó)際峰會(huì)暨第三屆中國(guó)電池行業(yè)智能制造研討會(huì)”在北京舉辦。本屆峰會(huì)由中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)和電池中國(guó)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(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)動(dòng)力電池應(yīng)用分會(huì)承辦，無(wú)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(huì)人數(shù)超600人。
燃料電池汽車(chē)市場(chǎng)分論壇于17日上午舉辦，該論壇以“現(xiàn)狀與未來(lái)：縱論車(chē)用燃料電池”為主題，由同濟(jì)大學(xué)汽車(chē)學(xué)院副教授馬天才主持。山東東岳集團(tuán)研究院副院長(zhǎng)、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(huì)邀請(qǐng)我做這個(gè)報(bào)告。題目是“國(guó)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(jiǎn)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?cè)诨A(chǔ)的礦產(chǎn)，螢石、工業(yè)鹽，中間的各種單體，到樹(shù)脂、膜的材料，我們?cè)谖磥?lái)把控最終成本能力上非常強(qiáng)。同時(shí)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(wèn)題，講了3M公司的樹(shù)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(lái)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(gè)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(shí)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(gè)是質(zhì)子傳導(dǎo)，另外阻隔兩極反應(yīng)的氣體，同時(shí)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(gè)問(wèn)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(duì)一個(gè)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(shí)候、密封時(shí)候的應(yīng)力問(wèn)題，包括氧的傳輸、氫的傳輸，包括氫氣要穿過(guò)膜等。剛才有專家也講到，這個(gè)氫也要循環(huán)，氫氣如果傳輸?shù)奶?，氫的組分慢慢分壓會(huì)下降。針對(duì)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(guò)的磺酸樹(shù)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(gè)是3M公司的，第三個(gè)是日本公司開(kāi)發(fā)的一個(gè)短鏈樹(shù)脂，最后一個(gè)是剛才講的陶瓷化學(xué)的開(kāi)發(fā)。
這是美國(guó)DOE對(duì)膜的要求，主要問(wèn)題在下面，耐久性的問(wèn)題、成本的問(wèn)題。
這是Gore公司膜的情況，他在各種移動(dòng)式的電源方面、動(dòng)力電池方面都有相應(yīng)的系列，我們?cè)诖蠊β嗜剂想姵胤矫孢€可以，在其他品種方面我們還沒(méi)有這么多。
3M公司開(kāi)發(fā)的一個(gè)策略上有兩個(gè)氫離子可交換的聚團(tuán)，這個(gè)角度上超低EW用的樹(shù)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(kāi)始磺酸樹(shù)脂，當(dāng)時(shí)863領(lǐng)域有一個(gè)緊急啟動(dòng)的項(xiàng)目，主要是面向氯堿離子膜，我們國(guó)家的燒堿現(xiàn)在達(dá)到4千萬(wàn)噸，但是在當(dāng)時(shí)那個(gè)時(shí)間或者說(shuō)在10年前大概在3600萬(wàn)噸到3800萬(wàn)噸左右的產(chǎn)能，用的膜全部是日本和杜邦，這樣對(duì)我們基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)造成很大的威脅，所以，當(dāng)時(shí)我們和上海交通大學(xué)一塊做全磺酸樹(shù)脂，這個(gè)膜的關(guān)鍵材料。2008年，我們用這個(gè)膜的材料，實(shí)際上我們當(dāng)時(shí)和奔馳、福特公司他們?cè)跍馗缛A組成了一個(gè)合資企業(yè)，進(jìn)行燃料電池膜的開(kāi)發(fā)，到2013年的時(shí)候我們膜開(kāi)發(fā)的進(jìn)展不錯(cuò)，所以,當(dāng)時(shí)他們這樣一個(gè)車(chē)也到我們公司進(jìn)行展示。2013年，我們和他們也簽署了一個(gè)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(cuò)，他們給我們也發(fā)了一個(gè)第二關(guān)考評(píng)的獎(jiǎng)，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(jiǎng)，同時(shí)也考慮下一步怎么進(jìn)行工業(yè)化的應(yīng)用。
我們這個(gè)材料從實(shí)驗(yàn)技術(shù)到批量技術(shù)，現(xiàn)在來(lái)看批量技術(shù)應(yīng)該沒(méi)有問(wèn)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(kāi)發(fā)或者在線的監(jiān)控方面，以及我們面向汽車(chē)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(gè)流程來(lái)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(gè)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?cè)贒F260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(gè)膜差一點(diǎn)，基本上可以達(dá)到用的水平。這個(gè)是透氣率，氫氣的穿透性比這個(gè)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(shí)，干濕循環(huán)，應(yīng)對(duì)機(jī)械應(yīng)力要大于2萬(wàn)個(gè)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(lái)說(shuō)，實(shí)際上很多已經(jīng)超過(guò)他們這個(gè)水平。
剛才也講到，這個(gè)實(shí)際上是我們膜在他們電堆里面，在模擬乘用車(chē)工況下運(yùn)行了6千小時(shí)，拿出來(lái)之后膜的情況。實(shí)際上這個(gè)膜無(wú)論在厚度還是其他方面，沒(méi)有受到任何損害。為什么只做到6千小時(shí)，因?yàn)檫@一代電堆要求6千小時(shí)就可以了，再往下做投入的資源就非常多了，到這個(gè)地方就停了，我相信這樣的情況至少這個(gè)膜維持一段時(shí)間是沒(méi)有問(wèn)題的。
剛才說(shuō)過(guò)，我們這個(gè)膜在壽命上、耐久性上的進(jìn)展非?？?，2014年，僅1千小時(shí)，2016年達(dá)到6千小時(shí)這樣的要求，這就意味著，2016年我們這個(gè)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(gè)膜能夠達(dá)到6千小時(shí)壽命的只有東岳公司和美國(guó)的Gore公司兩家，其他的大概都達(dá)不到這個(gè)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(shí)。
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(chǎng)的需求，大概做到幾千平米的銷售。
同時(shí)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(gè)黃色的項(xiàng)，我們已經(jīng)根據(jù)這個(gè)要求整改了。這是今年年初審核的結(jié)果，下面只有他們?cè)龠M(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(gè)車(chē)上推出來(lái)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(gè)膜還需要加濕，因?yàn)樨S田不需要加濕。
這個(gè)膜我們現(xiàn)在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，同時(shí)向市場(chǎng)推出這樣一個(gè)產(chǎn)品。我們也正在開(kāi)發(fā)下一代膜。當(dāng)然第一代膜我們是用傳統(tǒng)的常見(jiàn)樹(shù)脂，第二代膜我們將會(huì)在下面的樹(shù)脂里面，主要是短鏈和側(cè)鏈調(diào)控的新型樹(shù)脂開(kāi)發(fā)。我們對(duì)下一代膜的想法，一個(gè)是我們的EW可以進(jìn)一步降低，因?yàn)闆Q定了這個(gè)膜輸出的性能，還有對(duì)水保持的這種能力。我們這個(gè)膜的厚度在15微米，現(xiàn)在寫(xiě)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(huì)進(jìn)一步提升，同時(shí)我們要求耐久性上由現(xiàn)在6千小時(shí)做到將近9千個(gè)小時(shí)，成本還要進(jìn)一步下降。
這個(gè)是把剛才那個(gè)變成一個(gè)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(cè)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(gè)膜也正在進(jìn)行化學(xué)穩(wěn)定性的測(cè)試，這個(gè)是測(cè)到了450個(gè)小時(shí)，現(xiàn)在還正在測(cè)的，應(yīng)該還沒(méi)有出問(wèn)題，中間出了一點(diǎn)小狀況，在這個(gè)地方測(cè)試臺(tái)突然停電了，再開(kāi)了之后又繼續(xù)往下走，是這樣一個(gè)情況。所以，我們下一代的膜至少在化學(xué)穩(wěn)定性上問(wèn)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(shí)我們已經(jīng)制定了下一步批量化生產(chǎn)的計(jì)劃，預(yù)計(jì)到2023年左右能夠達(dá)到幾百萬(wàn)平米這樣一個(gè)產(chǎn)能。這個(gè)性能也非常不錯(cuò)，在90度時(shí)，1.8安能在635個(gè)毫伏輸出電壓，耐久性超過(guò)了6千小時(shí)，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(shì)，相信我們能夠?yàn)槲覈?guó)燃料電池產(chǎn)業(yè)或者燃料電池車(chē)產(chǎn)業(yè)提供強(qiáng)有力的支撐。謝謝大家！
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