武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室助理研究员郭伟作主题演讲

　　郭伟：大家好！我叫郭伟，来自武汉理工大学，我从2010年开始立足于燃料电池领域，主要关注复合质子交换膜和膜电极的开发。我去年加入武汉理工大学燃料电池课题组，课题组负责人是潘牧教授，是武汉理工大学新能源公司的总经理，武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室副主任，燃料电池湖北省重点实验室主任。武汉理工大学燃料电池课题组两个部分，一部分是材料部分，下面有员工17人，其中副高级以上职称9人，另外一部分是武汉理工新能源公司。

　　这次报告主要内容，我准备介绍车用燃料电池膜电极技术及产业进展。主要从以下四方面展开：性能、耐久性、成本、膜电极的产业化。

　　首先，在介绍性能之前，我先介绍一下美国DOE燃料电池MEA技术的现状与目标。美国是燃料电池膜电极开发的一个主要国家，美国DOE燃料电池的性能指标，对我国膜电极指标的设定具有指导意义。美国DOE燃料电池的MEA的技术指标主要有以下六个方面：一个是在0.8V下的性能，一个是额定功率下的性能，一个是50万台/每年情况下的成本，整个电极的贵金属，工况情况下的耐久性和启停情况下的耐久性。现在他们的额定功率定的目标是达到810毫瓦/平方厘米，未来的目标是超过1000毫瓦/平方厘米，成本是17美金/千瓦，目标是达到小于14美金/千瓦，贵金属的铂量是0.1克/千瓦，2020年是达到0.125克/千瓦，耐久性达到2500小时，未来目标达到5000小时，启停耐久性2020年的指标是超过5000小时。

　　根据美国DOE的指标，MEI性能要达到图中的曲线。最主要的指标是0.8V情况下电流密度必须超过300毫安/平方厘米，同时在0.67V的情况下，电流密度要超过15000毫安/平方厘米。

　　现在介绍下武汉理工新能源公司的膜电极性能。武汉理工新能源公司生产的膜电极，这个膜电极测试条件是80全加速的情况下，目前的性能就是在0.8V的情况下已经超过了400毫安/平方厘米，同时最高的功率密度达到了1.14瓦/平方厘米。就是说目前在0.7V下的电流密度和最高功率密度已经达到了DOE的指标。2020年的指标，但是这个膜电极测试条件是它的铂载量在0.3克/平方厘米，目前的膜电极为了达到科技部2020年的目标，铂用量小于0.125克/千瓦，运行寿命1000小时，我们还在持续改进。如果想要增加膜电极的性能，降低膜载量，主要挑战还是传输阻力。左边图中可以看到，铂用量从0.2毫克/平方厘米降低到0.05毫克/平方厘米的时候，整个极化曲线在高电流密度情况下会出现急剧的下降，我们知道高电极密度情况下主要影响因素是容差极化。我们在超低铂载量情况下必须降低亚传输阻力，目前看主要影响因素有四个：一个是质子在质子交换膜中的传导，一个是氧气在GDL当中的传导，一个是氧气在CCL当中的传导，一个是氧气在铂表面当中的传导，其中这个占到了40%的影响因素，因此我们要降低氧在铂传导的传输阻力。下图中我们可以看到，我们目前采用的铂碳催化剂，表面会覆盖一层离子树脂，会影响氧气传输到铂的表面。

　　我下面介绍一下目前主要的方法，通用公司采用了多孔碳机体材料，可以将铂不光固定在碳机体的表面，同时会固定在碳机体的内部，因为表面会覆盖一层树脂，导致了氧传输阻力的增加。如果我们将铂陷入到铂碳催化剂的内部，会使铂和树脂之间不会直接接触，但是他们之间的距离也不会相隔太远，如果相隔太远它的质子传导会出现问题。通用公司这种方式制备了超低铂载量的性能比传统铂电极的性能增加了31%，使用改进型的碳机体材料，可以大大提高氧传输能力，也是未来铂碳催化剂发展的一个主要方向。

　　另外一个方向，3M公司。他们开发了一种高透氧树脂，可以大大提高氧气在树脂当中的传导能力，从而可以尽快传到铂的表面，提高铂的利用率。另外一种方法，通过制备永续化电极，制备纳米纤维的有序化阵列，缺点是序列传输会出现困难。

　　另外一个，对于膜电极的主要影响因素就是膜电极的耐久性。图中左边图是美国现有的膜电极的耐久性的测试数据，美国现有的膜电极在车辆实施运行中最长可以达到4100小时，比2007年的2000小时整整提高了1倍以上。它在大巴车上面已经运行了超过2.38万小时，同时这种膜电极在美国DOE的工况加速测试情况下，数据也已经达到了2500小时。影响膜电极耐久性的主要因素有两个部分：一个是膜的耐久性，一个是催化剂的耐久性。膜的耐久性主要是机械应力和化学腐蚀组成；机械部分有两种情况：一种是因为质子交换膜是在湿度不断变化中运行，这种干湿循环变化会导致膜不断膨胀收缩，达到一定次数以后就会在膜表面形成裂纹。另外一种情况，因为我们现在膜电极主要使用超薄的复合质子交换膜，厚度通常在10微米~20微米之间，因为我们使用超薄质子交换膜，在加工工艺过程中很容易在膜表面出现缺陷。如图中所示，这种缺陷经过一段时间运行会发生穿孔，导致氢气的泄漏。

　　另外一种情况，化学腐蚀。化学腐蚀是因为我们的膜长期在高电流密度下工作，高电流密度下的那种活性因子起到固基作用，会导致膜的失效。对于催化剂的退化，主要还是由于催化剂运行过程中发生了流失，同时，碳载体材料在高电压情况下受到化学腐蚀。

　　目前武汉理工新能源公司的膜电极在备用电源的实际寿命中最长超过了18000小时，同时这个膜电极在单电池寿命测试过程中有1600小时的数据，电压衰减率20.5%，这个测试还在持续过程中，目前最新的数据已经超过了2000小时。

　　另外一个影响膜电极的因素就是成本。膜电极的成本占电堆总成本的60%以上，随着批量的扩大，催化剂在燃料电池成本中占的比例会越来越大。催化剂当中最主要的影响还是铂的成本，从上图中我们可以看出，如果每年生产1千台燃料电池，铂占的整个成本只占到23%，如果每年燃料电池的产量提高到50万，铂的成本将会迅速提高到40%。因此，降低铂成本主要还是要提高燃料电池的功率密度、降低铂载量。

　　这是美国DOE提供的一个成本方面的数据报告，每年DOE根据他们的报告，如果说我们把功率密度从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。如果我们把铂载量从0.15降低到0.125克/千瓦，它的成本可以降低1美元/千瓦，所以提高膜电极的成本最主要还是要降低铂用量，提高铂在高电流密度下的催化铂性。

　　接下来介绍一下膜电极产业化的现状。目前丰田、Ballard等公司都具备批量化生产能力，但是这些公司都是自给自足，不对外生产、不对外销售。专业的膜电极供应商主要包括GM、3M、Toray等公司，这些公司都已经有不同程度的自动化生产线，年产能都在数千到数万平方米级。目前膜电极的生产主要是采用第二代膜电极技术，就是CCM技术，3M公司、GM等在研究有序化电极技术。

　　膜电极产业需要突破的主要问题，还是生产效率的提高，是如何设计自动化生产线，如何使用制作工艺生产膜电极。

　　另外一个，膜电极产业需要突破的关键问题就是质量的控制。如果不采用自动化生产线，手工生产会有很多缺陷，同时这种手工刷的涂层缺陷会导致CroosOver的增加，同时导致铂载量分布不均，所以我们现在要搭建在线监测技术和装置，降低氢气的CroosOver，让铂分布更均匀。

　　武汉理工新能源有限公司是国内最大的燃料电池MEA生产企业，燃料电池膜电极大批量出口美国、欧洲等国际市场。目前已经建立了自动化生产线，是国内首条膜电极自动化生产线，产能可以达到5000平米/年。

　　下图是一个杜邦公司提供的知名的燃料电池MEA供应商，根据它的统计，其中62%的膜电极是由于各个单位自己生产、自己使用，主要对外销售的有5家公司，杜邦公司、3M、GM、戈尔等等，国内的就是武汉理工新能源公司。武汉理工新能源公司的主要产品，根据应用可分为四个方面：车用、备用电源、电化学传感器、水电解。我们新能源公司可以根据客户的要求开发出不同的膜电极，包括氢氧膜电极、氢空膜电极等。

　　总结：燃料电池MEA主要技术指标已经可满足商业化需求，但要满足大规模商业化应用，在降低铂用量、提高MEA耐久性方面仍需攻关。燃料电池MEA已经初步具备万平米级产业化能力。MEA成本依靠规模化生产效应可满足初步商业化需求，满足大规模商业化的成本要求，仍需要技术突破。

　　（根据发言整理，未经本人审阅）