武漢理工郭偉：膜電極初具萬平米級(jí)產(chǎn)能 降成本仍需技術(shù)突破
武漢理工大學(xué)材料復(fù)合新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室助理研究員郭偉作主題演講
郭偉：大家好！我叫郭偉，來自武漢理工大學(xué)，我從2010年開始立足于燃料電池領(lǐng)域，主要關(guān)注復(fù)合質(zhì)子交換膜和膜電極的開發(fā)。我去年加入武漢理工大學(xué)燃料電池課題組，課題組負(fù)責(zé)人是潘牧教授，是武漢理工大學(xué)新能源公司的總經(jīng)理，武漢理工大學(xué)材料復(fù)合新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，燃料電池湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。武漢理工大學(xué)燃料電池課題組兩個(gè)部分，一部分是材料部分，下面有員工17人，其中副高級(jí)以上職稱9人，另外一部分是武漢理工新能源公司。
這次報(bào)告主要內(nèi)容，我準(zhǔn)備介紹車用燃料電池膜電極技術(shù)及產(chǎn)業(yè)進(jìn)展。主要從以下四方面展開：性能、耐久性、成本、膜電極的產(chǎn)業(yè)化。
首先，在介紹性能之前，我先介紹一下美國DOE燃料電池MEA技術(shù)的現(xiàn)狀與目標(biāo)。美國是燃料電池膜電極開發(fā)的一個(gè)主要國家，美國DOE燃料電池的性能指標(biāo)，對(duì)我國膜電極指標(biāo)的設(shè)定具有指導(dǎo)意義。美國DOE燃料電池的MEA的技術(shù)指標(biāo)主要有以下六個(gè)方面：一個(gè)是在0.8V下的性能，一個(gè)是額定功率下的性能，一個(gè)是50萬臺(tái)/每年情況下的成本，整個(gè)電極的貴金屬，工況情況下的耐久性和啟停情況下的耐久性?，F(xiàn)在他們的額定功率定的目標(biāo)是達(dá)到810毫瓦/平方厘米，未來的目標(biāo)是超過1000毫瓦/平方厘米，成本是17美金/千瓦，目標(biāo)是達(dá)到小于14美金/千瓦，貴金屬的鉑量是0.1克/千瓦，2020年是達(dá)到0.125克/千瓦，耐久性達(dá)到2500小時(shí)，未來目標(biāo)達(dá)到5000小時(shí)，啟停耐久性2020年的指標(biāo)是超過5000小時(shí)。
根據(jù)美國DOE的指標(biāo)，MEI性能要達(dá)到圖中的曲線。最主要的指標(biāo)是0.8V情況下電流密度必須超過300毫安/平方厘米，同時(shí)在0.67V的情況下，電流密度要超過15000毫安/平方厘米。
現(xiàn)在介紹下武漢理工新能源公司的膜電極性能。武漢理工新能源公司生產(chǎn)的膜電極，這個(gè)膜電極測(cè)試條件是80全加速的情況下，目前的性能就是在0.8V的情況下已經(jīng)超過了400毫安/平方厘米，同時(shí)最高的功率密度達(dá)到了1.14瓦/平方厘米。就是說目前在0.7V下的電流密度和最高功率密度已經(jīng)達(dá)到了DOE的指標(biāo)。2020年的指標(biāo)，但是這個(gè)膜電極測(cè)試條件是它的鉑載量在0.3克/平方厘米，目前的膜電極為了達(dá)到科技部2020年的目標(biāo)，鉑用量小于0.125克/千瓦，運(yùn)行壽命1000小時(shí)，我們還在持續(xù)改進(jìn)。如果想要增加膜電極的性能，降低膜載量，主要挑戰(zhàn)還是傳輸阻力。左邊圖中可以看到，鉑用量從0.2毫克/平方厘米降低到0.05毫克/平方厘米的時(shí)候，整個(gè)極化曲線在高電流密度情況下會(huì)出現(xiàn)急劇的下降，我們知道高電極密度情況下主要影響因素是容差極化。我們?cè)诔豌K載量情況下必須降低亞傳輸阻力，目前看主要影響因素有四個(gè)：一個(gè)是質(zhì)子在質(zhì)子交換膜中的傳導(dǎo)，一個(gè)是氧氣在GDL當(dāng)中的傳導(dǎo)，一個(gè)是氧氣在CCL當(dāng)中的傳導(dǎo)，一個(gè)是氧氣在鉑表面當(dāng)中的傳導(dǎo)，其中這個(gè)占到了40%的影響因素，因此我們要降低氧在鉑傳導(dǎo)的傳輸阻力。下圖中我們可以看到，我們目前采用的鉑碳催化劑，表面會(huì)覆蓋一層離子樹脂，會(huì)影響氧氣傳輸?shù)姐K的表面。
我下面介紹一下目前主要的方法，通用公司采用了多孔碳機(jī)體材料，可以將鉑不光固定在碳機(jī)體的表面，同時(shí)會(huì)固定在碳機(jī)體的內(nèi)部，因?yàn)楸砻鏁?huì)覆蓋一層樹脂，導(dǎo)致了氧傳輸阻力的增加。如果我們將鉑陷入到鉑碳催化劑的內(nèi)部，會(huì)使鉑和樹脂之間不會(huì)直接接觸，但是他們之間的距離也不會(huì)相隔太遠(yuǎn)，如果相隔太遠(yuǎn)它的質(zhì)子傳導(dǎo)會(huì)出現(xiàn)問題。通用公司這種方式制備了超低鉑載量的性能比傳統(tǒng)鉑電極的性能增加了31%，使用改進(jìn)型的碳機(jī)體材料，可以大大提高氧傳輸能力，也是未來鉑碳催化劑發(fā)展的一個(gè)主要方向。
另外一個(gè)方向，3M公司。他們開發(fā)了一種高透氧樹脂，可以大大提高氧氣在樹脂當(dāng)中的傳導(dǎo)能力，從而可以盡快傳到鉑的表面，提高鉑的利用率。另外一種方法，通過制備永續(xù)化電極，制備納米纖維的有序化陣列，缺點(diǎn)是序列傳輸會(huì)出現(xiàn)困難。
另外一個(gè)，對(duì)于膜電極的主要影響因素就是膜電極的耐久性。圖中左邊圖是美國現(xiàn)有的膜電極的耐久性的測(cè)試數(shù)據(jù)，美國現(xiàn)有的膜電極在車輛實(shí)施運(yùn)行中最長可以達(dá)到4100小時(shí)，比2007年的2000小時(shí)整整提高了1倍以上。它在大巴車上面已經(jīng)運(yùn)行了超過2.38萬小時(shí)，同時(shí)這種膜電極在美國DOE的工況加速測(cè)試情況下，數(shù)據(jù)也已經(jīng)達(dá)到了2500小時(shí)。影響膜電極耐久性的主要因素有兩個(gè)部分：一個(gè)是膜的耐久性，一個(gè)是催化劑的耐久性。膜的耐久性主要是機(jī)械應(yīng)力和化學(xué)腐蝕組成；機(jī)械部分有兩種情況：一種是因?yàn)橘|(zhì)子交換膜是在濕度不斷變化中運(yùn)行，這種干濕循環(huán)變化會(huì)導(dǎo)致膜不斷膨脹收縮，達(dá)到一定次數(shù)以后就會(huì)在膜表面形成裂紋。另外一種情況，因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在膜電極主要使用超薄的復(fù)合質(zhì)子交換膜，厚度通常在10微米~20微米之間，因?yàn)槲覀兪褂贸≠|(zhì)子交換膜，在加工工藝過程中很容易在膜表面出現(xiàn)缺陷。如圖中所示，這種缺陷經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行會(huì)發(fā)生穿孔，導(dǎo)致氫氣的泄漏。
另外一種情況，化學(xué)腐蝕。化學(xué)腐蝕是因?yàn)槲覀兊哪らL期在高電流密度下工作，高電流密度下的那種活性因子起到固基作用，會(huì)導(dǎo)致膜的失效。對(duì)于催化劑的退化，主要還是由于催化劑運(yùn)行過程中發(fā)生了流失，同時(shí)，碳載體材料在高電壓情況下受到化學(xué)腐蝕。
目前武漢理工新能源公司的膜電極在備用電源的實(shí)際壽命中最長超過了18000小時(shí)，同時(shí)這個(gè)膜電極在單電池壽命測(cè)試過程中有1600小時(shí)的數(shù)據(jù)，電壓衰減率20.5%，這個(gè)測(cè)試還在持續(xù)過程中，目前最新的數(shù)據(jù)已經(jīng)超過了2000小時(shí)。
另外一個(gè)影響膜電極的因素就是成本。膜電極的成本占電堆總成本的60%以上，隨著批量的擴(kuò)大，催化劑在燃料電池成本中占的比例會(huì)越來越大。催化劑當(dāng)中最主要的影響還是鉑的成本，從上圖中我們可以看出，如果每年生產(chǎn)1千臺(tái)燃料電池，鉑占的整個(gè)成本只占到23%，如果每年燃料電池的產(chǎn)量提高到50萬，鉑的成本將會(huì)迅速提高到40%。因此，降低鉑成本主要還是要提高燃料電池的功率密度、降低鉑載量。
這是美國DOE提供的一個(gè)成本方面的數(shù)據(jù)報(bào)告，每年DOE根據(jù)他們的報(bào)告，如果說我們把功率密度從749毫瓦/平方厘米提升到1000毫瓦/平方厘米，它的成本可以降低6美元/千瓦。如果我們把鉑載量從0.15降低到0.125克/千瓦，它的成本可以降低1美元/千瓦，所以提高膜電極的成本最主要還是要降低鉑用量，提高鉑在高電流密度下的催化鉑性。
接下來介紹一下膜電極產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)狀。目前豐田、Ballard等公司都具備批量化生產(chǎn)能力，但是這些公司都是自給自足，不對(duì)外生產(chǎn)、不對(duì)外銷售。專業(yè)的膜電極供應(yīng)商主要包括GM、3M、Toray等公司，這些公司都已經(jīng)有不同程度的自動(dòng)化生產(chǎn)線，年產(chǎn)能都在數(shù)千到數(shù)萬平方米級(jí)。目前膜電極的生產(chǎn)主要是采用第二代膜電極技術(shù)，就是CCM技術(shù)，3M公司、GM等在研究有序化電極技術(shù)。
膜電極產(chǎn)業(yè)需要突破的主要問題，還是生產(chǎn)效率的提高，是如何設(shè)計(jì)自動(dòng)化生產(chǎn)線，如何使用制作工藝生產(chǎn)膜電極。
另外一個(gè)，膜電極產(chǎn)業(yè)需要突破的關(guān)鍵問題就是質(zhì)量的控制。如果不采用自動(dòng)化生產(chǎn)線，手工生產(chǎn)會(huì)有很多缺陷，同時(shí)這種手工刷的涂層缺陷會(huì)導(dǎo)致CroosOver的增加，同時(shí)導(dǎo)致鉑載量分布不均，所以我們現(xiàn)在要搭建在線監(jiān)測(cè)技術(shù)和裝置，降低氫氣的CroosOver，讓鉑分布更均勻。
武漢理工新能源有限公司是國內(nèi)最大的燃料電池MEA生產(chǎn)企業(yè)，燃料電池膜電極大批量出口美國、歐洲等國際市場(chǎng)。目前已經(jīng)建立了自動(dòng)化生產(chǎn)線，是國內(nèi)首條膜電極自動(dòng)化生產(chǎn)線，產(chǎn)能可以達(dá)到5000平米/年。
下圖是一個(gè)杜邦公司提供的知名的燃料電池MEA供應(yīng)商，根據(jù)它的統(tǒng)計(jì)，其中62%的膜電極是由于各個(gè)單位自己生產(chǎn)、自己使用，主要對(duì)外銷售的有5家公司，杜邦公司、3M、GM、戈?duì)柕鹊?，國?nèi)的就是武漢理工新能源公司。武漢理工新能源公司的主要產(chǎn)品，根據(jù)應(yīng)用可分為四個(gè)方面：車用、備用電源、電化學(xué)傳感器、水電解。我們新能源公司可以根據(jù)客戶的要求開發(fā)出不同的膜電極，包括氫氧膜電極、氫空膜電極等。
總結(jié)：燃料電池MEA主要技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)可滿足商業(yè)化需求，但要滿足大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，在降低鉑用量、提高M(jìn)EA耐久性方面仍需攻關(guān)。燃料電池MEA已經(jīng)初步具備萬平米級(jí)產(chǎn)業(yè)化能力。MEA成本依靠規(guī)?；a(chǎn)效應(yīng)可滿足初步商業(yè)化需求，滿足大規(guī)模商業(yè)化的成本要求，仍需要技術(shù)突破。
?。ǜ鶕?jù)發(fā)言整理，未經(jīng)本人審閱）
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