武漢理工郭偉：膜電極初具萬平米級產能 降成本仍需技術突破
武漢理工大學材料復合新技術國家重點實驗室助理研究員郭偉作主題演講
郭偉：大家好！我叫郭偉，來自武漢理工大學，我從2010年開始立足于燃料電池領域，主要關注復合質子交換膜和膜電極的開發。我去年加入武漢理工大學燃料電池課題組，課題組負責人是潘牧教授，是武漢理工大學新能源公司的總經理，武漢理工大學材料復合新技術國家重點實驗室副主任，燃料電池湖北省重點實驗室主任。武漢理工大學燃料電池課題組兩個部分，一部分是材料部分，下面有員工17人，其中副高級以上職稱9人，另外一部分是武漢理工新能源公司。
這次報告主要內容，我準備介紹車用燃料電池膜電極技術及產業進展。主要從以下四方面展開：性能、耐久性、成本、膜電極的產業化。
首先，在介紹性能之前，我先介紹一下美國DOE燃料電池MEA技術的現狀與目標。美國是燃料電池膜電極開發的一個主要國家，美國DOE燃料電池的性能指標，對我國膜電極指標的設定具有指導意義。美國DOE燃料電池的MEA的技術指標主要有以下六個方面：一個是在0.8V下的性能，一個是額定功率下的性能，一個是50萬臺/每年情況下的成本，整個電極的貴金屬，工況情況下的耐久性和啟停情況下的耐久性。現在他們的額定功率定的目標是達到810毫瓦/平方厘米，未來的目標是超過1000毫瓦/平方厘米，成本是17美金/千瓦，目標是達到小于14美金/千瓦，貴金屬的鉑量是0.1克/千瓦，2020年是達到0.125克/千瓦，耐久性達到2500小時，未來目標達到5000小時，啟停耐久性2020年的指標是超過5000小時。
根據美國DOE的指標，MEI性能要達到圖中的曲線。最主要的指標是0.8V情況下電流密度必須超過300毫安/平方厘米，同時在0.67V的情況下，電流密度要超過15000毫安/平方厘米。
現在介紹下武漢理工新能源公司的膜電極性能。武漢理工新能源公司生產的膜電極，這個膜電極測試條件是80全加速的情況下，目前的性能就是在0.8V的情況下已經超過了400毫安/平方厘米，同時最高的功率密度達到了1.14瓦/平方厘米。就是說目前在0.7V下的電流密度和最高功率密度已經達到了DOE的指標。2020年的指標，但是這個膜電極測試條件是它的鉑載量在0.3克/平方厘米，目前的膜電極為了達到科技部2020年的目標，鉑用量小于0.125克/千瓦，運行壽命1000小時，我們還在持續改進。如果想要增加膜電極的性能，降低膜載量，主要挑戰還是傳輸阻力。左邊圖中可以看到，鉑用量從0.2毫克/平方厘米降低到0.05毫克/平方厘米的時候，整個極化曲線在高電流密度情況下會出現急劇的下降，我們知道高電極密度情況下主要影響因素是容差極化。我們在超低鉑載量情況下必須降低亞傳輸阻力，目前看主要影響因素有四個：一個是質子在質子交換膜中的傳導，一個是氧氣在GDL當中的傳導，一個是氧氣在CCL當中的傳導，一個是氧氣在鉑表面當中的傳導，其中這個占到了40%的影響因素，因此我們要降低氧在鉑傳導的傳輸阻力。下圖中我們可以看到，我們目前采用的鉑碳催化劑，表面會覆蓋一層離子樹脂，會影響氧氣傳輸到鉑的表面。
我下面介紹一下目前主要的方法，通用公司采用了多孔碳機體材料，可以將鉑不光固定在碳機體的表面，同時會固定在碳機體的內部，因為表面會覆蓋一層樹脂，導致了氧傳輸阻力的增加。如果我們將鉑陷入到鉑碳催化劑的內部，會使鉑和樹脂之間不會直接接觸，但是他們之間的距離也不會相隔太遠，如果相隔太遠它的質子傳導會出現問題。通用公司這種方式制備了超低鉑載量的性能比傳統鉑電極的性能增加了31%，使用改進型的碳機體材料，可以大大提高氧傳輸能力，也是未來鉑碳催化劑發展的一個主要方向。
另外一個方向，3M公司。他們開發了一種高透氧樹脂，可以大大提高氧氣在樹脂當中的傳導能力，從而可以盡快傳到鉑的表面，提高鉑的利用率。另外一種方法，通過制備永續化電極，制備納米纖維的有序化陣列，缺點是序列傳輸會出現困難。
另外一個，對于膜電極的主要影響因素就是膜電極的耐久性。圖中左邊圖是美國現有的膜電極的耐久性的測試數據，美國現有的膜電極在車輛實施運行中最長可以達到4100小時，比2007年的2000小時整整提高了1倍以上。它在大巴車上面已經運行了超過2.38萬小時，同時這種膜電極在美國DOE的工況加速測試情況下，數據也已經達到了2500小時。影響膜電極耐久性的主要因素有兩個部分：一個是膜的耐久性，一個是催化劑的耐久性。膜的耐久性主要是機械應力和化學腐蝕組成；機械部分有兩種情況：一種是因為質子交換膜是在濕度不斷變化中運行，這種干濕循環變化會導致膜不斷膨脹收縮，達到一定次數以后就會在膜表面形成裂紋。另外一種情況，因為我們現在膜電極主要使用超薄的復合質子交換膜，厚度通常在10微米~20微米之間，因為我們使用超薄質子交換膜，在加工工藝過程中很容易在膜表面出現缺陷。如圖中所示，這種缺陷經過一段時間運行會發生穿孔，導致氫氣的泄漏。
另外一種情況，化學腐蝕。化學腐蝕是因為我們的膜長期在高電流密度下工作，高電流密度下的那種活性因子起到固基作用，會導致膜的失效。對于催化劑的退化，主要還是由于催化劑運行過程中發生了流失，同時，碳載體材料在高電壓情況下受到化學腐蝕。
目前武漢理工新能源公司的膜電極在備用電源的實際壽命中最長超過了18000小時，同時這個膜電極在單電池壽命測試過程中有1600小時的數據，電壓衰減率20.5%，這個測試還在持續過程中，目前最新的數據已經超過了2000小時。
另外一個影響膜電極的因素就是成本。膜電極的成本占電堆總成本的60%以上，隨著批量的擴大，催化劑在燃料電池成本中占的比例會越來越大。催化劑當中最主要的影響還是鉑的成本，從上圖中我們可以看出，如果每年生產1千臺燃料電池，鉑占的整個成本只占到23%，如果每年燃料電池的產量提高到50萬，鉑的成本將會迅速提高到40%。因此，降低鉑成本主要還是要提高燃料電池的功率密度、降低鉑載量。
這是美國DOE提供的一個成本方面的數據報告，每年DOE根據他們的報告，如果說我們把功率密度從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。如果我們把鉑載量從0.15降低到0.125克/千瓦，它的成本可以降低1美元/千瓦，所以提高膜電極的成本最主要還是要降低鉑用量，提高鉑在高電流密度下的催化鉑性。
接下來介紹一下膜電極產業化的現狀。目前豐田、Ballard等公司都具備批量化生產能力，但是這些公司都是自給自足，不對外生產、不對外銷售。專業的膜電極供應商主要包括GM、3M、Toray等公司，這些公司都已經有不同程度的自動化生產線，年產能都在數千到數萬平方米級。目前膜電極的生產主要是采用第二代膜電極技術，就是CCM技術，3M公司、GM等在研究有序化電極技術。
膜電極產業需要突破的主要問題，還是生產效率的提高，是如何設計自動化生產線，如何使用制作工藝生產膜電極。
另外一個，膜電極產業需要突破的關鍵問題就是質量的控制。如果不采用自動化生產線，手工生產會有很多缺陷，同時這種手工刷的涂層缺陷會導致CroosOver的增加，同時導致鉑載量分布不均，所以我們現在要搭建在線監測技術和裝置，降低氫氣的CroosOver，讓鉑分布更均勻。
武漢理工新能源有限公司是國內最大的燃料電池MEA生產企業，燃料電池膜電極大批量出口美國、歐洲等國際市場。目前已經建立了自動化生產線，是國內首條膜電極自動化生產線，產能可以達到5000平米/年。
下圖是一個杜邦公司提供的知名的燃料電池MEA供應商，根據它的統計，其中62%的膜電極是由于各個單位自己生產、自己使用，主要對外銷售的有5家公司，杜邦公司、3M、GM、戈爾等等，國內的就是武漢理工新能源公司。武漢理工新能源公司的主要產品，根據應用可分為四個方面：車用、備用電源、電化學傳感器、水電解。我們新能源公司可以根據客戶的要求開發出不同的膜電極，包括氫氧膜電極、氫空膜電極等。
總結：燃料電池MEA主要技術指標已經可滿足商業化需求，但要滿足大規模商業化應用，在降低鉑用量、提高MEA耐久性方面仍需攻關。燃料電池MEA已經初步具備萬平米級產業化能力。MEA成本依靠規模化生產效應可滿足初步商業化需求，滿足大規模商業化的成本要求，仍需要技術突破。
（根據發言整理，未經本人審閱）
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