中国商用汽车总站网
市场 • 应用 • 技术
搜索
当前位置:主页 > 新闻资讯 >

刘文:戈尔“膜”法助力燃料电池汽车产业化

时间:  2019-10-10 23:35  来源:  汽车总站网   作者:  佚名

  氢能如皋,倾城如歌。2019年9月26日-28日,第四届国际氢能与燃料电池汽车大会(FCVC 2019)如约在“氢能小镇”江苏如皋汽车文化馆盛大启幕。本次大会聚集了来自全球氢能与燃料电池技术的开发者、燃料电池汽车制造商、氢能燃料电池领域投资者和政府政策的制定者,共有1500名嘉宾参与,111家展商带来新技术、新产品。
  
  美国戈尔公司电化极产品前期技术总监刘文在27日分会场E——燃料电池堆和关键零部件论坛发表讲话,内容实录如下:
  
  大家早上好,我是刘文,美国戈尔公司负责电化极产品的前期技术总监。今天非常荣幸猛攻和大家在这里一起分享我们戈尔公司20多年以来致力于燃料电池质子膜的研究和成果。
  
  戈尔公司自1958创建以来已经走过了60多年的历史,在这期间我们已经发展成为全球性的公司,我们在世界各地有10000多名同事,虽然到了规模,我们还一直保持着私有制式。主要的原因是因为我们所有的同事和企业创始人都非常希望我们公司能够以长期的企业目的作为投资的项目评选标准,不仅仅是因为短期的股东利益或者是投资回报。
  
  在60多年的历史以来,戈尔公司最注重是产品的质量和整体性,所谓的整体性对我们来说要求我们在对产品实际应用过程中它所遇到的困难和障碍,以及我们产品会如何表现做极其细致的分析,能够保障我们的产品在最恶劣的环境下说到做到。
  
  在60多年以来,一直有上千名的基础科研人员,从事对含铂材料从结构、合成、膜加工的工艺到做成产品性能的方面,做大量的基础性研究。这导致了我们有上千多种创新产品,为改善人类生活作出了贡献。我们的产品可以用在工业、纺织甚至医疗,大家也可能都知道,我们的产品可以在外星球探险、航空、航天、室外甚至是人体体内的搭架、支桥、人造血管这都是我们的产品。
  
  我们戈尔公司的燃料电池质子交换膜也是基于含铂集合物的专长所研制出来的高端产品。现在大家一定都知道,质子交换膜对燃料电池的电堆和系统它的镍耐久性和性能起到决定作用,所以称它为燃料电池汽车的心脏,一点都不过分。
  
  如果大家仔细看中间这一层就是质子交换膜,这一层稍微发白的东西已经被离子交换数据浸透的ETTIB的加固层。你看这一层大概只有几个微米的厚度,对膜的性能和耐久性起到了决定性的作用。
  
  我还跟大家简单介绍一下我们戈尔做质子交换膜的历史。我们这个团队是从1995年开始建成,三年期间有很多科研人员扎在一起就是装电池,装堆、研制测试条件,问题就是我们到底能不能做成好的质子膜和膜电极,装车的电池能不能正常发电,很简单的问题但是我们用了三年的时间去认真研究。
  
  从2003年开始,我们和世界各地主要的汽车厂进行了认真的合作,当时这些汽车厂都开始组建燃料电池汽车攻关小组,我们跟他们科研的团建立很深的关系,一直想要回答这个问题。我们戈尔的膜和膜电极到底对他们有没有用处?当得到了肯定答案之后,2007年我们又和他们进行了深入的研究,当时的问题是这个质子交换膜到底需不需要加固层,如果需要什么加固层是最好的,当时做了很多试验。
  
  加固层、加固纤维,用的量用的种类非常多,就想研制到底一批EPTIV的加固层是不是最好的,这个答案一直是研究了三四年,这个答案还是肯定的。我们都注意到了燃料电池汽车在世界行业开始有所发展,各公司包括电池汽车厂和戈尔开始注重这个企业的发展明显引导这个企业的发展,每个公司的立足点是什么?我们怎么样合作才能做到共赢,是探讨的方式。
  
  2014年我们开始认识到,这个行业确实是要起来了,我们在戈尔内部从我们产业链制造工艺做一些研究,当时的问题是我们可以做小批量产品没问题大家都很喜欢,但是我们有没有量产的能力和基本技术。
  
  2017年到现在,我们公司开始对量产化大量投入,从产业外的质量上到大型仪器、大型机器、人员、物力上都做了很大的投资,以迎接未来20年这个行业的挑战。经过这么多年的努力,我们现在已经为丰田、本田、现代和上汽的燃料电池汽车提供质子交换膜。
  
  我还要向大家宣布,我们的生产基地位于日本冈山市,目前全球首条燃料电池车用百万平米级大规模质子交换生产线已经在我们的生产基地正式投产,产量已经马上接近最高设计量。这条生产线积累了戈尔25年以来对膜电极生产工艺最佳设计,可以显著降低成本,减少人力和物力的浪费。
  
  这条生产线还通过全球最严格的汽车厂家严格审核,包括本田、丰田、现代多次来这里进行审核。我们的冈山市生产基地已经通过ISO9001和ISO1400的认可,在整个认可过程中我们产业链的每一个细节都受到了严格的审核,可以保证我们产品供应更严格,质量更一致,性能更可靠。
  
  降低整车成本是燃料电池汽车实行产业化必不可少的前提,在这个问题上,我们戈尔的价值主张是以技术为主,量产为辅。所谓的技术就是用更薄更强的技术来降低燃料汽车系统的总体成本,下面几页就这个问题大家也是十分关注的问题,做一些比较详细的解答。
  
  第一点,大家觉得很自然很明显的事。电池的功率和膜的薄厚的关系。这个横轴是我燃料电池本身的温度,测试温度,纵轴是在电流密度下的电压,电压越高自然电池的功率越大,在我做这个试验的时候,我保持加湿的温度是一致的,总是不变的,所以在电池温度提高的时候自然而然我的湿度就会逐渐下降。
  
  你们看,到了110度的时候,这是一个十分干燥的含量,可以说很恶劣的工作条件,高温度、低湿度。如果我用18微米的膜,最高温度只能达到90度,你再往上升5度,整个电池就跨掉了。通过膜厚度的不断降低,到了5微米的时候,即使在110度极干燥的条件下,这个电池还可以维持,所以这是很浅显的道理,降低膜的厚度以后我可以有效提升电流密度,有效提升耐温性能。
  
  当然,刚才那个朋友问的问题和潘教授都提到了,膜薄了耐久性会不会受到影响?按常理讲应该会的,但是这也正是我们戈尔的长处。通过用EPTIC作物理加固层,并且通过这个结构的不断优化,我们可以提示物理耐久性和机械性能间的权衡。这张图表达了物理耐久性测试的时间和电池的功率的这么一种权衡表征。我们用第一代的EPTIC做的质子交换膜,膜的厚度是15-25微米,这个权衡点并不是十分理想。
  
  我们用了第二代的EPTIC加固膜,我可以把膜的厚度减到15-20微米,这些性能好了无可争议,更可喜是它的机械性能大大提高了。到了第三代EPTIC我的膜厚度降到了7-8微米,功能高了,机械性能反而好了。这是我下一代的EPTIC,正在做研发工作。
  
  你看在这张表征图片上,用这个EPTIC所做的质子交换膜的物理耐久性和性能之间又有一个质变的台阶,所以说膜越薄越不结实,这个说法是很不完全的,在某些膜上可能对的,但戈尔的膜因为我们可以在EPTIC的结构做先进的改进,我们可以做越薄性能越好,耐久性也越好。
  
  下面一个问题很自然,化学的耐久性,膜薄了会不会被腐蚀快了,很快也就破了。我们戈尔也进行大量的研究,不断改进添加剂的技术,添加剂主要机理是放在膜里面和自由机结合起来产生水,而这个自由机就不会再去攻击你膜最关键的物质。大家看这张图表,这是我化学耐久性加速实验的结果,如果这个比量越高,说明膜降解的速度越快,化学耐久性就越不好。
  
  用了戈尔第一代表化形添加剂,虽然当时这个膜可以被一些汽车厂家试验车在路上跑,结果还是有待改进的。到用了第二代和现在正在研制的化形添加剂的时候这个膜的降解率降低了50-100倍,还不止,所以膜做得更薄,如果采用先进的化学添加剂技术耐久性也会更好。
  
  这张图像大家具体解释一下为什么薄的技术会降低成本。膜薄了大家都很自然能够想到,我的质子电阻就给降低,整个电池功率就会提高,在每平方米电池功率提高的时候,你装电池系统的时候就可以少用单片,本来你要400片,现在你可能300片就可以做了,这样节省不仅仅是膜的用量还有你电极的用量,气体扩散层的用量和你装机板的用量,都会大大减少,这是降低总成本很大的一个原因。
  
  第二个原因,膜薄了,水的扩散率会高。大家知道在燃料电池反映里阴极是产水,阳极缺水,如果膜薄,阴极产生的水会很快扩散到阳极,保持一个平衡反映,这个优点能够使你在高温低湿度的情况下仍然正常工作。在你设计整个性能的时候就可以不加湿或者少加湿,对你系简化做出了很大的贡献,这也是降低成本的一个办法。
  
  再一个膜薄了用的原材料就少了,很自然成本也会低。刚才也讲到,通过加固层和化学添加剂的研究,你可以把机械耐久性和化学耐久性做得非常好,这样整个系统的寿命长对于你客户使用成本也会大大降低。总的而言,通过戈尔的薄膜技术,我们可以把整个产品成本和它的性能抗衡上提高一个更新的台阶。
  
  抽一点时间向大家介绍一下我们在中国燃料电池汽车市场的产品组合。
  
  跟我们联系过的客户都知道,我们现在一直向市场介绍10微米、两个10微米和一个15微米的质子交换膜。这两年我们发现中国燃料电池产业界的技术和能力开始大大增高,基于这个认识以后,我们准备像中国市场投入更薄更坚韧性能更好的下一代产品。这个产品其中最薄的是8微米的膜,有很多客户已经还是试用。
  
  当然最大特点是薄,性能非常优越,最后的一个膜是15微米的膜,通过这个膜专门的设计,我们针对化学耐久性下了很大功夫,所以这个膜化学耐久性极其出色。
  
  我们要向中国推出的一个最新产品,专门为中国市场设计的产品,是一个12微米的质子交换膜。你别看这个膜只有12微米,比15微米要薄,根据我们的设计它的机械耐久性反而更好。同时,价格大大下跌的余地,因为它薄,在各种各方面的其它性能也是一个很好的综合。
  
  我们今天下午在我们展台进行新产品发布会,希望大家能够亲临参观指导,谢谢!
读者留言
看不清?点击更换

中国商用汽车总站

  • 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