燃料電池是一個開放系統，處於電壓不斷變化的氧化環境，酸度比硫酸高出很多，身處其中的核心材料質子交換膜容易被腐蝕；同時，在燃料電池的使用過程中，水量及溼度在不斷變化，膜尺寸也會隨之發生變化，容易損壞。這導致質子交換膜的技術門檻非常高。
截至目前，涉足質子交換膜研發的以杜邦、日本旭硝子、日本旭化成、日本大金、3M、美國戈爾、美國道化學、意大利蘇維、德國巴斯夫等國外公司為主。目前戈爾佔據的全球市場份額最高，國內燃料電池熱浪掀起以後，有多家企業瞄準商機開始進入質子交換膜領域，但目前僅有在該領域技術沉澱多年的東嶽集團進入批量化試產階段。
1月11-13日，以“汽車革命與交通、能源、城市協同發展”為主題的中國電動汽車百人會論壇(2019)在北京釣魚臺國賓館舉行。作為汽車革命的重要技術路線之一，燃料電池是本次百人會上的一個重要議題，權威專家對於燃料電池產業發展方向做了重要預判。
山東東嶽化工集團公司研究院首席科學家、上海交通大學教授張永明圍繞質子交換膜的技術難點及發展趨勢、東嶽集團的研發生產進展發表了精彩演講。
演講伊始，張永明強調了質子交換膜在燃料電池中的重要地位。
他說道：“鉛酸電池裡有膜，是硫酸液體膜在起作用；鋰電池裡有隔膜，採用PE、PP材料經過拉伸的膜，浸了電解液以後成為傳導鋰離子的膜；幾乎所有電池都需要中間的膜，燃料電池更加需要這個膜。我們甚至用膜來給燃料電池命名——質子膜燃料電池。”
學術界研究了很多膜，到底哪種膜適合在氫燃料電池裡用？經過多年實踐，只有全氟的質子膜最合適。這種膜材料的高分子骨架是一個很穩定的全氟骨架，特別適應惡劣的電化學環境。
張永明強調，全氟質子膜的性能是最佳的，但不是說沒有缺陷。性能最佳主要體現在：一是電導率，同等工況下全氟質子膜表現最好；二是隔絕電子，可以導質子但不允許電子通過；三是壽命長……所以現在日常跑的車幾乎都是採用基於全氟質子膜的燃料電池。
全氟的高分子材料是不是隻有一種？遠遠不是，有很多種。各種成膜的聚合物都可以拿來用，呈現出氟交鏈、打結等各種各樣的結構，各家用的情況也都不一樣。從分子結構來看，目前能夠傳導質子的“小點”含量非常少，含氟的成膜材料還有很大的發展空間。
鏈再短一點，傳導質子的“集團”就會增加，分子結構中間的氟都可以帶上支鏈，這將是全氟質子膜的發展方向，未來電堆實現每升6千瓦、7千瓦、8千瓦都有可能。
膜的孔道也值得深入研究。膜的外觀看似平整光亮，但細看表面卻粗糙不一。由於質子要從膜的一面傳遞到另一面，所以必須弄清楚膜孔道的微觀結構。其大小、形狀、數量、磺酸根的密度、分佈對膜的性能都有影響，非常複雜。
這是一個非常有趣的研究領域，很多學者發表了很多相關文章，也提出了各種不同的模型。需注意的是，這些都只是模型，而不是實際得到的結果。這裡面就像是“黑箱”，各家說各話，裡邊到底是什麼，有待進一步釐清。這對未來膜的發展是非常有意義。
整體而言，膜在電堆裡扮演著極其關鍵的作用，自身技術提升空間非常大，打造更高性能、更長壽命、更低成本的膜是業界努力的方向。
在會議上，張永明還介紹了東嶽在全氟質子膜方面的研發進展。
東嶽集團質子交換膜發展歷程(資料來源於網絡)
“東嶽是唯一一家擁有完善產業鏈的企業。目前公司有一條5萬平方米的試驗線，通過這條試驗線積累了很多的經驗，為批量化生產打下基礎。”張永明說，接下來東嶽要建設50萬平方米的生產線，期待今後膜性能和質量能夠滿足中國乃至國外燃料電池的發展需求。
閱讀更多 高工鋰電網 的文章
