氢听剧场 | 刘昊：《国产化质子交换膜发展现状及分析》

今天很荣幸有机会站在这个舞台上跟大家分享我们在国产化材料方面的一些主要进展，还有一些关注点。在燃料电池系统后面实际上是材料类的产品，可能跨度有点大，请大家从宏观上跨度到微观层面。

我今天带来的分享主要是关于质子交换膜相关的产品，基于我们一些最新的进展，把技术层面的关注点跟大家做一些分享，主要介绍三个方面。

首先关于公司，行业内的同仁们对我们有一定了解，国氢科技目前在全国形成了“1+6”全产业链布局，其中关键材料的布局主要涉及三地，北京，武汉和佛山。北京主要布局催化剂产品，包括所有产品的研发平台；武汉主要聚焦质子交换膜产品；佛山主要聚焦质子交换膜上游的ePTFE原材料和碳纸两类产品。

国氢关键材料事业部涉及关键材料类的主要是四类，催化剂、碳纸GDL，还有两张质子交换膜。两张膜一个是用于燃料电池，一个是用于水电解。催化剂从几年前开始，每年大概有百公斤及以上的应用。至于碳纸和GDL，GDL一直是自主化的生产，碳纸方面，佛山绿动通过两年多的努力，今年已实现卷材的薄款和厚款两类产品下线。质子交换膜是聚焦于燃料电池用和水电解用，也是今天我要讲的主要重点。

国氢科技质子交换膜的发展，其实相较于行业同仁起步还不算很早。我们是承接了与武汉理工大学的合作基础，在国氢科技进行了5—6年的技术攻关、3年生产，也取得了车辆运行的反馈，通过北京、武汉、佛山三地团队协同，取得了一些相关产品研发和生产的进展。

我们的质子交换膜主要有两大产品系，一个是燃料电池用，一个是制氢用。涉及的相关核心技术有几大类：一个是原料自主化的筛查理解，包括遴选和设计开发；第二个是整个过程控制，包括从原料到工艺的一致性控制，精密的制成技术，测控，还有整个过程体系的质量控制。

就产品来讲，质子交换膜的技术参数主要体现在三个方面：高性能、高耐久、低成本。一般来说性能不会太差，但是对于耐久性和成本，一直以来是国产化材料在批量化应用上的一个瓶颈。

我们这几年一直在关注两方面的问题，一方面是耐久性，一方面是一致性。质子交换膜是在运行过程中决定燃料电池和PEM制氢槽耐久性最关键的一个环节。质子交换膜最终的破损或者衰减其实有很多是上游原料类和膜本身的原因。质子交换膜的下游，包括膜电极、槽和系统的设计和运行调整，对膜的要求都非常高。质子交换膜本身能够提供一个基本壁垒，为上下游的环节提供一定的控制。从车用角度来讲，质子交换膜几千小时以后可能会出现一些裂纹，树脂层脱落，包括树脂的分解分层，原因是在这些电化学条件下或者膜本身从强度或者设计上存在一些短板。

在一致性上，我们比较关注批量化产品的厚度，包括复合型膜三层结构的一致性，整个树脂的均匀性，浸润的一致性，这些都对内阻一致性有较大的影响。同时膜对温湿度敏感，不同的批次或者一卷内不同的位置都会存在不一致。

就技术上来讲，为了解决耐久性或者一致性，我们的关注点非常多，可能有十几项甚至几十项，今天我给大家分享几个点。

一个是树脂层面本身。因为膜是从树脂溶解之后，再构成相结构，同时和ePTFE耦合。首先我们要对树脂的结构，还有一些参数进行理解。在理解基础上，同一种树脂的不同应用条件也能影响树脂层本身的结果。比如说通过溶剂的变化，利用小角测试，可以表征和实现微观上纳米级别的一些团簇结构的调整，使树脂结构得到增强。正如PPT中所展示拉曼图的表征结果，树脂在ePTFE中是一个互相耦合浸润的过程，如果一致性不好，在不同区域的浸润效果就是有差异的。如果整个产品的一致性，从浆料到ePTFE本身的物象都非常稳定的话，结构就会相对稳定。在膜的化学耐久方面，使用不同的助剂和添加剂有利于质子膜抵抗自由基的攻击。

在一致性控制方面，如果想控制好整张膜的结构或者耦合，浆料本身溶解度参数或者极性的控制非常重要。首先是理解不同的浆料体系下一些参数的耦合，同时浸润到三层之后关注到界面的影响，包括界面耦合的力、界面浸润的效果和整张膜一致性的表现。

膜的两大关键原料是树脂和ePTFE。行业内我们跟很多同仁都有关于树脂深入的交流和合作。在ePTFE方面，佛山绿动有一个团队负责跟进这方面的技术进展，虽然ePTFE在国内不同的行业已经非常成熟了，但是我认为在氢能行业的应用目前要求到了微观级，对它的微观结构，洁净度和很多方面都有了更高的要求。

水电解膜来讲，目前行业内普遍有两类制备方式，一类是干法，将树脂通过熔融直接挤出的方式制成一张膜，另外一种方式是湿法，用树脂构成溶液，类似于车用质子交换膜的做法。在我们的市场调研过程中，这两类制备方法形成的产品都是多种多样的，目前我认为是一个百花齐放的状态，究竟未来会怎么选择，这个可能要交给时间去回答。通常来讲，熔融挤出制备的产品有两种，分别是均质型和增强型，用得最多的是均质型，增强型一般是用网布制备而成，网布的种类和材质变化多样。溶液湿法制备也会用到网布，也有多层增强结构。国氢科技为这件事做了两方面的准备，一方面是有熔融挤出法，通过熔融挤出法建立了国内首台套连续化后处理设备，这个使得国氢成为了目前国内唯一一家可以提供卷材料熔融挤出连续卷材产品的企业。对于连续增强型的溶液法，其实我们也是有很多探索，一种是用网布型的，一种是用ePTFE增强型的。

关于这两个技术路径的选择，其实今天我并没有带来答案，因为这和技术的理解和下游的应用条件是非常相关的。就目前行业来讲，利用均质法使用数万小时的应用经验都有，但是对于溶液法市场上缺乏一个长时间的确认。就我们测试经验来讲，熔融法温度比较高，经常是200—300多度的制程，但是溶液法温度一般是一百来度，相对较低，这对于树脂主链或者侧链的构象影响很大。从电化学反应的角度考虑，一个是燃料电池，一个是水电解，这两种电化学反应运行环境的湿度不一样，对树脂层构成的影响非常大。

至于未来的发展和展望，从车用膜来讲，未来的发展目标主要是高质子传导率，高耐久，后续需要关注的是对温度的探索和如何有效的对质子膜进行减薄。对于制氢膜来讲，大家之前的均质膜都是在100微米以上，之后肯定要进入100微米以下的时代。制备100微米以下的质子膜需要考虑路线、制程和增强的选择，可能有很多功能化跟差异化的要求，这些都是需要在膜电极设计，甚至系统本身设计上进行多方考量。

总而言之，我认为国产化材料，特别是膜、碳纸几类关键国产化材料还是有很多的内容需要去挖掘，我们国氢在这一点上希望跟大家一起努力，坦诚合作，无论是产品上或者技术上都欢迎大家来跟我们进行交流。

我的汇报就到这里，谢谢大家！