创新 • 创优 • 创见
搜索
当前位置:主页 > 专题 > 氢能产业发展创新峰会·济南HIDIS2020 >

朱威:膜电极核心材料国产化进展

时间:  2020-10-15 20:00  来源:  汽车总站网   作者:   汽车总站网编辑部

[汽车总站网 www.chianautoms.com欢迎你]
2020年10月15日,由济南市人民政府支持,中国电动汽车百人会、国际氢能委员会、山东省工业和信息化厅联合主办的氢能产业发展创新峰会将再次于在山东省济南市拉开序幕。苏州擎动动力科技有限公司总经理朱威做主题演讲报告《膜电极核心材料国产化进展》。 
朱威:膜电极核心材料国产化进展
朱威:刚才王总讲得非常好,我听得也很激动,我讲一下膜电极的进展,王总的质子交换膜是膜电极其中一块,膜电极刚才王总也讲了,国家出台“以奖代补”,膜电极加起来是1.1分,一辆车11万的补贴,11万的奖励跟车差不多了,这块恰恰是非常关键的。
简单讲一下这个产业链。刚才前面两位都已经讲了。
我们的燃料电池系统现在主要的应用场景为汽车,它相当于是一个发动机,它的发动机里面的核心组成就是电堆,“电堆+系统控制+BOP”变成系统,电堆里面发电的装置,也就是发电反应器是膜电极,就是氢气跟氧气通过电化学反应产生电,膜电极是催化的反应器,反应器需要的结构就是催化剂,催化剂催化电化学反应。
质子交换膜是导质子,载流的气体贯彻层,起到导电和气体支撑作用。
膜电极的结构,基本有几种。首先我们中间最三层关键的发生化学反应的叫CCM,包括一层膜和两层催化剂——阴极和阳极。
加上碳纸和边框,就是7层膜电极,边框是附件,保护质子膜,提高耐久性,起到密封作用。
膜电极里面具体化学反应,简单一点,就是质子通过质子交换膜传递到阴极,然后到催化剂的表面,然后和外电路来的电子结合,通过气体通道,产生水,这个反应性能取决于质子膜,你的质子多快传输过来,氧气多快传输过来,传到一起这个反应发生多快,这个性能决定于这些。
反应性,说电池功率,燃料电池的功率有多大,其实最终取决于你的膜电极功率密度有多大,刚才说了功率密度取决于反应发生多快,我们经常看到极化曲线,它是这样随着电流增大,电压逐渐下降。存在三种极化,催化剂是活化激活,包括质子导电基础,为什么把电导率提到越来越高、越来越薄?是为了降低内阻,即质子传导的阻抗。
还有最后一个极化,我们叫做物质传输极化,我们的氧气氢气要传输过来,它是一个很慢的过程,你的反应物能够传输多快,就决定了它的传输极化有多快,这是数学公式的表达。
我想说的,这三种不同极化和材料是相关的,催化剂和催化剂层和质子膜、催化剂层和碳纸。
基于这些我们怎么把这个曲线,随着电流提升,你的极化、电压不要下降最好,就像锂电池那样,会下降很少,我们在不断提高这些基础材料的性能。
我分别就这几个材料,就膜电极再讲一下。
首先是催化剂,刚才说了是发生催化反应的,它目前主要以贵金属铂或者铂和金,导电的多孔结构,主要是碳,组成导电的复合催化剂,为了提高它的催化性能,所以铂的颗粒要做得很小,以前用纯铂,它容易团聚,用量很大,表面积很小。后来想到用多孔材料把它分散起来,把它作为载体,这也是传统催化里面经常用的概念,但是为了导电,必须要用导电物质,这个一般是碳黑,现在也用到碳纳米管,改善碳黑。国内外体系都做得差不多,主要差别在于目前这个活性,活性上国际有做得非常好的,王教授这边,文章里面几安培都有,我们讲的都是量产的,可以用到实际车上面。
寿命来说,耐久性也是基本上接近了,制备工艺的量级也是可以的,等会儿后面刘总会讲到现在产能很大。
其实做了这些东西以后,是不是够了?其实还不够,我们知道燃料电池现在要求的寿命,可能重卡两三万小时,很大的衰减来自于催化剂,所以我们需要的催化剂是不断的提高,没有说已经是没有问题的催化剂;再说催化剂用的是铂,铂相对较贵,尽量降低铂的载量,我们要采用合金,更高活性的催化剂,我们需要批量化的生产工艺,不是在实验室拿个锅一煮,弄个几毫克,那种没有意义,我们需要简单的、能够大批量生产、可重复的。
另外,这个核心催化剂的稳定性,因为毕竟是有些过渡金属,它如果在这种苛刻的酸性高氧化的条件下面容易被析出,我们需要解决稳定性的问题。
还有合金催化剂的比表面,还有载体的耐腐蚀,这也是对车上面应用是非常重要的。
这个是国内的一些催化剂的进展,我们擎动也会自己做一些催化剂,除了做阴极催化剂,阳极,抗反极催化剂也会做。目前有200的装机量,国内气瓶方面也可以做到很大的量。
这是我们催化剂不同系列的对比。有铂碳的,有高耐久性的,像140高耐久性的载体,铂碳,还有铂和金的,我们针对重卡等一些场景。150,高比表,高活性是针对乘用车等等,需要低载量的应用场景,还有铂钴,我们和国际对标基本不比国际水平差。
还有质子交换膜,刚才王总讲了很多,我简单讲一下,主要有这些需求。
主要讲一下对比,我们从用户角度来说,国际进展来说,东岳批量做出来15微米,国际上可以做到小于10微米,8微米,甚至实验室6微米,5微米都可以做到,化学稳定性和机械稳定性,基本可以,有一些最高操作温度,因为国外最高操作温度它的膜比较薄,它的最高操作温度可以做到95度,东岳这边,我们还需要提高对膜电极公司来说它的操作性。
需要开发更薄更稳定的质子交换膜,提高质子交换膜的操作温度,这一点非常重要,对车用来说,下游的终端客户希望你的电堆系统超过90、95度最好,这样散热非常容易,一个散热器的大小,还有散热循环泵功率损耗会更少,他们希望提高操作温度,很重要一点是你的膜能不能实现,这点非常重要,我们希望甚至超过100度,甚至到120度最好。
再就是质子交换膜的膜电极的可操作性,还有单体体系,在质子交换膜里面,导电性、透氧率等等。
第三个是气体扩散层,这个前面确实比较尴尬,它是个碳纤维值,国内以前没有做,现在已经有了,我知道的,包括通用氢能,还有江苏天鸟等在国内都已经有了,但是还没有批量去上车。
从微孔层,和厚度来说比国外比还比较远,这是国内的一个短板,可喜的是,很多的公司,原来有类似经验的公司都在去做,我相信两三年以内,肯定能赶上国外的先进水平。最重要的是需要开发国产的基材,碳纸,来提高它的一致性。
三个原材料讲完就讲膜电极,可能客户不管你用什么材料,他只管你膜电极上面输出多少,我们从不同的国际一些现状,国内现状,还有我们公司做的做一个对比。
大家看到现在,离国外的水平没有任何差别了,甚至还要比他们好。因为我们也可以提供给国外的客户,在国外客户里面就是跟国际的先进水平KP。当然可能和丰田最新的,或者现代最新的还有一定的差距,但是跟第三方的膜电极公司做出来的膜电极没有任何的差别,无论是从功率密度,额定电流,还有铂的载量,使用寿命来说都是可以达到的。
唯一有点差别的,可能是封装方式,可能现在我们国内像密封线一体成形方式,可以在外面看到巴拉德,潍柴的那种封装方式,还做不到,还需要时间。
从生产工艺来说,可以说国内已经领先国外了,国内率先用的卷对卷双面直涂工艺,包括我们做了全国首套的涂骨法,应该在国际上面也是非常早期的,领先的,后面我会具体讲。
这是我们的膜电极的产品线,现在1.7和1.8版本刚刚开发出来,我们就是用的自己的催化剂,针对这个催化剂做了不同版本的膜电极,1.7版本是针对中重型的应用重卡,它的寿命非常好,可以到2万小时以上,但是它的性能会稍微低一点,它的载量在0.45,但是我们1.8版本载量大幅降低降到0.25,甚至电堆里面做到1.5,甚至做到1.8都没问题,它载体耐久性稍微差一些,可以满足乘用车和固定发电站是没问题的。
还有抗反极性能,都有抗反极,120分钟,另外在电堆里面的一致性,基本在10个毫伏,甚至有的做到几个毫伏,标准方差。这就是我们的涂布工艺导致的。
大家希望寿命没有止尽,希望做到两三万小时,以后那种大型的拖车,几万小时都可以,都需要。
另外我们需要不断降低铂载量,控制电极的氧传输极化。还有膜电极性能高度,优化水管理等等,这些很多在实验室,在学术里面都考虑不到这个方面。比如耐反极,只有在电堆里面会用到反极,企业里面做了很多的工作。
从MEA的制造技术的进展来说,也是不断在进步,膜电极最早用在做GDE,把催化剂涂在碳纸上面,我们做在GDL上面,后来发明做到质子交换膜上,催化剂在离心机材上面,或者用喷涂,第三代有序化的3M的电极,它也有很大的缺陷,它自己现在也不用了。
只有在基于这些主要目前工艺都在CCM上面,CCM上面比较了几种工艺。
一个是超声喷涂,卷对卷转印,还有卷对卷直接涂布法,寿命上,卷对卷直接涂布法优于其他两个,而且成本效率也是非常高,但是由于它的技术刚刚起步,国内不会做,所以国外的设备非常昂贵,但是需要有自己的输入和自己客户去做。国内的供应商我们一起开发了全国的首条卷对卷直接涂布法的生产线,直接将催化剂涂在阴极和阳极两面,它的效率比较高,目前保守的估计是3万平米,精度比较高,下面是100米涂布的分布,有在线测载量,外观缺陷非常小,目前我们批量产品都采用这种方法。
封装工艺,还是刚才说的密封线,我们以边框的形式,密封线注塑方式我们需要开发。密封线注塑我们需要膜电极那种白色的框框,大家可以看一下,那种方式是比较有挑战的,以后国内厂商也需要去攻克。
最后,比较一下国产化的一些进展,这里面列出来的主要还是只做膜电极的,还有一些系统或电堆公司也做膜电极,和其他公司相比较,从生产工艺,产能,还有性能上面,我们都是有比较好的优势。另外还有催化剂这块,其他竞争对手基本都是以采购进口催化剂为主。    
王振波(主持人):时间把握非常好。大家有什么问题?我们做膜的。
朱威:我们交流很多。
王振波(主持人):你们有没有问题?如果没有问题我们再次感谢朱总,他讲得太精彩了,把所有的问题都讲出来了。
膜电极是电堆的核心,碳纸、膜以及催化剂又是MEA的核心材料,三大主要核心材料制一,下一个我们请广东济平新能源科技有限公司的董事长刘瑾慧,美女总裁来给我们作主旨演讲,她的题目是高一致性催化剂大批量生产技术实践与进展。
本文根据速记整理,未经演讲者本人审核。
 
 
[汽车总站网 www.chianautoms.com欢迎你]

读者留言
看不清?点击更换

汽车总站网

  • www.chinaautoms.com/由北京茂胜文化传媒有限公司版权所有@2019

    京ICP备18056018号-1

    合作QQ: 305140880

    地址:北京市朝阳区清河营国际城乐想汇3号楼1612室