作為燃料電池核心材料，氣體擴(kuò)散層、質(zhì)子交換膜jiu*的技術(shù)壁壘，縱使國內(nèi)燃料電池發(fā)展如火如荼，但核心材料依然主要依賴進(jìn)口，國內(nèi)能夠量產(chǎn)的企業(yè)*。這兩款材料幾乎形成了難以逾越的兩座大山。

1月10-12日，以“把握形勢 聚焦轉(zhuǎn)型 創(chuàng)新”為主題的中國電動(dòng)汽車百人會(huì)論壇（2020）在北京釣魚tai國賓館召開。在12號(hào)舉行的氫能與可再生能源分論壇上，國內(nèi)氣體擴(kuò)散層“領(lǐng)路人”南方科技大學(xué)教授、加拿大工程院院士王海江，及質(zhì)子交換膜“領(lǐng)路人”上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院教授張永明分別發(fā)表了演講，解讀技術(shù)、工藝開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展。且看下文：

南方科技大學(xué)教授、加拿大工程院院士王海江

演講要點(diǎn)：①不同量產(chǎn)規(guī)模情況下，氣體擴(kuò)散層占電堆成本比例情況；②氣體擴(kuò)散層材料的功能與選擇；③用模擬方法優(yōu)化氣體擴(kuò)散層的結(jié)構(gòu)問題；④氣體擴(kuò)散層水管理研究；⑤氣體擴(kuò)散層工藝開發(fā)

氣體擴(kuò)散層是燃料電池電堆里面的一個(gè)核心材料，目前我國主要依靠進(jìn)口?？傮w來說，氣體擴(kuò)散層是我們?nèi)剂想姵丶夹g(shù)發(fā)展里面一個(gè)“卡脖子”技術(shù)。我們必須要解決這樣一個(gè)技術(shù)，南方科技大學(xué)氫能與燃料電池研究團(tuán)隊(duì)不辱使命，在過去兩年多的發(fā)展里面，優(yōu)化了燃料電池氣體擴(kuò)散層的結(jié)構(gòu)，開發(fā)了氣體擴(kuò)散層的生產(chǎn)工藝，也實(shí)現(xiàn)了氣體擴(kuò)散層小批量生產(chǎn)。

關(guān)于氣體擴(kuò)散層在燃料電池電堆里面價(jià)格的分布，美國能源部按照現(xiàn)有的燃料電池技術(shù)做了一些計(jì)算。在小批量的時(shí)候，基本上價(jià)格占到21%，比質(zhì)子交換膜還要貴一些；隨著量的增加，氣體擴(kuò)散層的價(jià)格占比會(huì)減少一些，但即使到批量化的生產(chǎn)，它也占有一定的比例；當(dāng)規(guī)模達(dá)到50萬輛的時(shí)候，它還有6%的價(jià)格比例，所以氣體擴(kuò)散層對(duì)燃料電池的價(jià)格有非常大的影響。

如何有一個(gè)好的氣體擴(kuò)散層材料？首先要分析它在燃料電池里面所起的作用：首先第yi個(gè)作用是傳質(zhì)的作用，它要把氣體均勻的擴(kuò)散到催化劑上進(jìn)行反應(yīng)，同時(shí)要把生成的水能夠帶出來。同時(shí)，燃料電池里面反應(yīng)產(chǎn)生的熱量也要通過氣體擴(kuò)散層帶出去。另外，所產(chǎn)生的電流也要通過氣體擴(kuò)散層導(dǎo)到外面的電路，傳質(zhì)、傳熱、導(dǎo)電是氣體擴(kuò)散層在燃料電池里面主要的功能。同時(shí)它需要有一定的機(jī)械強(qiáng)度來支撐膜電極，這是氣體擴(kuò)散層的第四個(gè)功能。

因?yàn)橛羞@樣一個(gè)功能的要求，所以我們對(duì)氣體擴(kuò)散層的材料選擇也是有一定的要求。首先它必須是多孔的介質(zhì)，需要良好的導(dǎo)熱性，有良好的導(dǎo)電性，同時(shí)有一定的機(jī)械強(qiáng)度。另外因?yàn)樗谌剂想姵乩锩婀ぷ?，所以它需要有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。

正因?yàn)橛羞@些要求，所以氣體擴(kuò)散層的材料選擇并不是很多。早期有些人用金屬網(wǎng)或者金屬泡沫來做氣體擴(kuò)散層，但它的化學(xué)穩(wěn)定性不高，所以后來基本上氣體擴(kuò)散層材料的選擇只有兩種，要么就是碳布，要么是碳紙。碳布的機(jī)械強(qiáng)度不是特別高，所以后來基本上所有的公司都是用碳紙作為氣體擴(kuò)散層。

現(xiàn)在材料基本上定下來了，材料的結(jié)構(gòu)對(duì)氣體擴(kuò)散層的性能有非常大的影響。如何去解決氣體擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)的問題？我們團(tuán)隊(duì)首先在模擬計(jì)算這方面，多孔介質(zhì)兩相流動(dòng)等等，我們用模擬方法來優(yōu)化它的結(jié)構(gòu)。

我們用一些現(xiàn)有的氣體擴(kuò)散層，用CT掃描的方法得到它的結(jié)構(gòu)，再把它的這個(gè)結(jié)構(gòu)放在計(jì)算機(jī)里面進(jìn)行兩相模擬，來優(yōu)化這個(gè)氣體擴(kuò)散層的結(jié)構(gòu)。有了這個(gè)模擬以后，再用試驗(yàn)來測量氣體擴(kuò)散層的一些性能。

氣體擴(kuò)散層主要是氣體在里面走，氣體在多孔介質(zhì)里面的擴(kuò)散系數(shù)是決定在燃料電池里性能一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。我們用了一個(gè)做擴(kuò)散系數(shù)的測量，有兩個(gè)腔體，一個(gè)腔體里面放上氮?dú)?，一個(gè)腔體里面放上氧氣，中間有一個(gè)球閥，等球閥打開的時(shí)候，氧氣就會(huì)通過樣品走到另外一個(gè)腔體里面，模擬另外一個(gè)腔體里面氧氣的濃度，就可以計(jì)算出來氧氣在多孔介質(zhì)里面的擴(kuò)散系數(shù)。有了擴(kuò)散系數(shù)的測量，測量不同結(jié)構(gòu)的樣品，就能優(yōu)化氣體擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)的性能。

另外一個(gè)研究就是氣體擴(kuò)散層里面水管理的研究，我們用了一個(gè)非常簡單的方法，用一個(gè)類似于單電池的測試，但是這個(gè)單電池里面沒有放一個(gè)正常的MEA，而是放了氣體擴(kuò)散層的樣品和一個(gè)質(zhì)子交換膜，陽極這一側(cè)是水在里面流動(dòng)，這個(gè)膜永遠(yuǎn)是*潤濕的。陰極這一側(cè)按照不同的空氣流量，在不同的空氣流量下面來測量水從這里面走出來的速度，這樣就得到水穿過氣體擴(kuò)散層的速度與空氣流量之間的關(guān)系。

得到右下角這樣一個(gè)圖，從這個(gè)圖里可以看到燃料電池里面水平衡的情況。在紅色的虛線上面，水流過氣體擴(kuò)散層的速度特別大，就造成了燃料電池里面膜容易干的這種現(xiàn)象。在虛線的下側(cè)，水走的速度比較小，這樣的情況造成水淹的情況，有了這樣一個(gè)測量以后，我們就可以計(jì)算出來什么樣的氣體擴(kuò)散層在燃料電池里面的水管理是wei有效的。

我們有了這樣一些研究之后，就可以確定氣體擴(kuò)散層的結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)一步來開發(fā)氣體擴(kuò)散層的工藝。

氣體擴(kuò)散層的生產(chǎn)通過通用氫能公司來實(shí)現(xiàn)。在過去一年多的時(shí)間，通用氫能公司開發(fā)出來氣體擴(kuò)散層的生產(chǎn)線，目前產(chǎn)能一般情況下是10萬平米，如果說三班倒的話，可以做到年產(chǎn)30萬平米氣體擴(kuò)散層的生產(chǎn)能力。

（上圖）中間上面這個(gè)表是氣體擴(kuò)散層的一些性能指標(biāo)，這個(gè)指標(biāo)和國外商業(yè)化的氣體擴(kuò)散層基本是非常類似的。中間下面這個(gè)圖是氣體擴(kuò)散層在燃料電池里面的性能表現(xiàn)，可以看到我們的氣體擴(kuò)散層和國外的氣體擴(kuò)散層的性能基本上是一樣的。這個(gè)曲線里面有一個(gè)特點(diǎn)，兩個(gè)安培的時(shí)候，仍然沒有看到有傳質(zhì)控制這樣一種現(xiàn)象，所以它的好處，放在燃料電池電堆里面，如果操作點(diǎn)為1A/cm2的情況下，可以過載100%都沒有問題。

上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院教授張永明

演講要點(diǎn)：①全氟質(zhì)子膜的發(fā)展歷史；②研究全氟質(zhì)子膜微觀結(jié)構(gòu)；③燃料電池膜的發(fā)展方向；④研究生產(chǎn)燃料電池膜必須滿足諸多條件

我介紹一下全氟質(zhì)子膜的發(fā)展歷史。質(zhì)子膜開始都是碳?xì)漕惖模瑤в谢撬岣蛘吡蛩岣臇|西，這樣的材料在燃料電池用性能比較差，沒有什么競爭性。接下來就是含氟的，不是全氟的，主鏈含氟的聚合物，下面帶有磺酸根等，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(jīng)過幾十年的發(fā)展，后確認(rèn)全氟的才能達(dá)到要求，這里特別感謝杜邦公司的開創(chuàng)性工作，他們在60年代開發(fā)了全氟結(jié)構(gòu)，才使得今天燃料電池汽車和燃料電池的飛機(jī)和火車才有可能性，所以在燃料電池質(zhì)子膜發(fā)展的歷史當(dāng)中，杜邦公司做了非常重要的貢獻(xiàn)。

杜邦公司做的工作主要在前面，隨著汽車的發(fā)展，要求膜的強(qiáng)度提高，純粹的聚合物膜不能滿足要求了，后來Gore公司發(fā)明了增強(qiáng)型的膜，主要是滿足雙向拉伸微孔膜，使得現(xiàn)在燃料電池功率密度大幅度提高。涉足燃料電池質(zhì)子膜研發(fā)公司十幾個(gè)，東岳公司在這方面和國外一道發(fā)展燃料電池質(zhì)子膜，目前是美國Gore公司和中國的東岳公司走在前面。

中國燃料電池質(zhì)子膜發(fā)展?fàn)顩r是什么樣？中國50年代就開始做質(zhì)子膜，到80年代開始做全氟膜，但進(jìn)展緩慢，2003年正式開始，在科技部支持下開展了系統(tǒng)的研究工作，2017年中國的全氟質(zhì)子膜走到了世界yi流的水平上，所以我們比較幸運(yùn)的發(fā)展到現(xiàn)在的水平。

這是東岳燃料電池全氟質(zhì)子膜的發(fā)展情況，2003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(dòng)百萬平方米全氟質(zhì)子膜的項(xiàng)目，在東岳氫能公司做的每一步確實(shí)付出了很多代價(jià)，得到了很多經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。

這是現(xiàn)在東岳公司做的各種聚合物，長的、短的、交聯(lián)的，十幾種都有，所以成膜聚合物是一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，它涉及很多氟化工和氟材料的過程。

我們做這個(gè)膜，需要對(duì)這個(gè)膜進(jìn)行深入的研究。這是去年我作報(bào)告的時(shí)候，我們說有一個(gè)黑箱，就是全氟質(zhì)子膜微觀結(jié)構(gòu)，去年我們還沒有真正打開這個(gè)黑箱，經(jīng)過一年的工作，我們打開了這個(gè)黑箱。這是現(xiàn)有的各種模型，我們認(rèn)為都不夠完善。采用散射光的技術(shù)，還有廣角、小角各種儀器，這個(gè)儀器也是我們*的。這是進(jìn)行微觀原位成膜過程的研究，這是關(guān)于質(zhì)子通道的問題，對(duì)聚合物結(jié)晶問題進(jìn)行了深入的研究。

這是一張照片，里面講的離子通道，過去我們只知道大概的，對(duì)一些深入的東西沒有深入的了解，這個(gè)微觀結(jié)構(gòu)到底是什么情況呢，我們膜結(jié)構(gòu)和這一堆玉米非常類似，一粒一粒玉米，相當(dāng)于磺酸集團(tuán)的位置，玉米芯屬于鏈結(jié)構(gòu)，這個(gè)膜就是由一個(gè)一個(gè)玉米棒子連接起來的，有的是單個(gè)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hao的，經(jīng)過我們的研究，認(rèn)為平行通道沒有這種通道好。

燃料電池膜的發(fā)展方向是？更高的電導(dǎo)率，更低的EW值，主要是在大功率輸出的時(shí)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(dǎo)率，現(xiàn)在這個(gè)膜在100到200，未來要在200到300，支撐質(zhì)子密度6kW/L。

第二方面就是增強(qiáng)型復(fù)合離子膜，現(xiàn)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(qiáng)方式，也可以紡織，也可以無紡，也可以做化學(xué)交聯(lián)都可以，這個(gè)方向發(fā)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(zhì)也非常好。目前在磺酸這個(gè)膜上很難實(shí)現(xiàn)，需要進(jìn)行質(zhì)子膜材料的構(gòu)建，這個(gè)工作也列到了“十四五”性能發(fā)展的規(guī)劃當(dāng)中。

低透氣性，現(xiàn)在這個(gè)膜想低于2mA/cm比較難，要想辦法在膜結(jié)構(gòu)上進(jìn)行化學(xué)和復(fù)合雙重的改進(jìn)，才可以做到這一步，不僅僅是透氫的問題，還有氮?dú)?，氮?dú)鈺?huì)使功率密度下降，所以有很多的問題。

這個(gè)膜還有很長的路要走，隨著燃料電池汽車的發(fā)展，我想這個(gè)膜也會(huì)走在前面發(fā)展，而不是跟著發(fā)展，膜要走在前面，我們比較幸運(yùn)的是，在這方面我們還是有不少的積累。

匯報(bào)一下去年一年的工作，這些都是原來已經(jīng)有的，接下來要做生產(chǎn)線，百萬平方米的生產(chǎn)線，一輛汽車用10平方米膜，也就是10萬輛車的生產(chǎn)線，在2025年以前能夠保證國內(nèi)燃料電池汽車需要的膜的供應(yīng)。這是生產(chǎn)車間，已經(jīng)建成，里面的設(shè)備在陸續(xù)開始安裝。膜的事情，東岳一定會(huì)跟上。

國內(nèi)國外也都在做膜，國內(nèi)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(gè)膜，這個(gè)膜非常特殊，為什么這么多年一直沒有這個(gè)膜，主要是要求的條件太多了。

首先要有工業(yè)化穩(wěn)定的生產(chǎn)平臺(tái)，要有年頭才行，氟化工材料太特殊了，強(qiáng)腐蝕性，爆炸性等。還有聚合物的平臺(tái)，你還要和汽車公司結(jié)合起來要有試驗(yàn)的評(píng)價(jià)，沒有試驗(yàn)評(píng)價(jià)沒有人敢用你的膜。

還有團(tuán)隊(duì)的支撐，這個(gè)膜現(xiàn)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(fù)責(zé)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(gè)膜做起來比較難，要買一點(diǎn)聚合物涂一涂，一個(gè)小時(shí)能做出來，但是能不能滿足要求這是另外一回事。東岳應(yīng)該說zui完善的鏈條。