打造氢燃料电池“主芯骨”——记全新结构全氟磺酸树脂氢燃料电池质子膜制备技术
一部小影片，却占据了山东东岳集团展厅的绝对C位。 “别小看这个膜，它是整个氢能系统的‘芯片’。正是全氟磺酸树脂的新结构以及以该膜为代表的一整套成膜技术，为我国氢能源的发展提供了保障。”氢能产业核心关键材料的战略安全保障。”山东东岳集团研究院首席科学家张永明教授在展厅内说道。
消除外资垄断的“喉结”
氢能是具有重大战略意义的新能源，但作为氢能开发应用的核心关键材料，全氟质子膜长期以来一直是核心“卡脖子”问题。
张永明教授表示，氢燃料电池发电系统是氢能开发利用的关键。 它的“心脏”是质子膜，被称为整个系统的“芯片”。 全氟聚合物电解质膜是目前国际上公认的最先进的质子膜，也是唯一实际使用的质子膜。 但此前被美国、日本等西方国家垄断，成为我国氢能发展和氢能高效利用的核心“卡脖子”。 这个问题是我国必须从战略层面突破的发展瓶颈。
为了突破这一瓶颈，张永明教授带领研发团队成员开始了二十年磨刀霍霍的艰辛历程。 他们从基础研究入手，决心另辟蹊径，创新发明新型全氟磺酸树脂结构和成套成膜技术。
前十年的研发工作重在打基础，后十年的研发工作重在赶超。 2003年以来，其研究多次被列入国家“863”计划和重点研发计划。 基于新型结构全氟磺酸树脂、磺酸盐植入聚四氟乙烯微孔膜、非迁移性大分子自由基猝灭剂三个关键原材料的发明，通过溶液制膜成功制备出具有多种性能的多层膜。 新一代空间增强网络高性能燃料电池质子膜已全部实现工程化应用，建立了完整的产业链。
二十年来，他们的研发和产业化攻克了关键单体、新型高交换容量全氟磺酸树脂、新型增强材料、高效助剂等一系列技术难题，形成了从单体、树脂等完整的产品系列。到质子膜。 工程装备和产业化技术体系实现了高性能氢燃料电池质子膜的批量制备和应用推广，为我国氢能产业发展提供核心关键材料的战略安全保障。
目前，研发的相关产品已在国内氢燃料电池汽车上批量使用，并在实际应用条件下得到充分验证。 形成的整个技术体系体现了我国氢能领域的核心竞争力。
6月20日，在山东省委、省人民政府召开的科技创新大会上，山东东岳未来氢能源材料有限公司自主完成的“新型全氟磺酸聚合物合成及增强网络及高性能氢燃料”有限公司的“电池质子膜制备”项目更荣获山东省技术发明奖特等奖。
抢占核心技术“制高点”
全氟磺酸树脂（-H）是已知最强的固体超强酸，具有耐热性好、化学稳定性好、机械强度高等特点。 全氟磺酸树脂作为一种绿色固体酸催化剂，对多种反应具有良好的催化活性和选择性。
张永明教授介绍，全氟磺酸质子交换膜是一种聚合物，是氢离子的良导体，也是电子的绝缘体。 由于其优异的机械、热、化学和电化学稳定性，已广泛应用于氢氧燃料电池、电解水产生臭氧、电解水产生氢气和氧气、有机合成和气体传感器等领域。
杜邦公司开发的以长链支化全氟磺酸聚合物树脂（-H）为原料制成的均质燃料电池质子膜是市场主流。 2010年后，美国戈尔公司采用膨体聚四氟乙烯微孔膜作为增强材料，与树脂（-H）复合，制造出更强、更薄的-H燃料电池质子膜，显着提高了燃料电池质子的强度和质子传导率膜。
但随着燃料电池的不断迭代发展，特别是在重型汽车等领域，高功率输出和长寿命已成为质子膜的发展趋势。 传统的-H系列质子聚合物及其质子膜已不能满足发展需要。 要求。
项目组在深入研究超强酸全氟质子膜非平衡成膜过程的基础上，对超强酸树脂的合成、膜缩合结构与性能演化、形貌控制等进行系统研究，形成超强酸全氟质子膜。完整的含氟功能膜。 材料知识体系突破了关键原材料、中间体、单体、成膜聚合物和成膜技术的壁垒，将于2022年建成全球最完整的超酸质子膜产业链。
奔驰和福特对全球10多家从事氢燃料电池质子膜研发的公司提供的燃料电池质子膜进行了10多年的评估，其中包括杜邦和3M。 最终，只有两家企业通过了评估。 东岳就是其中之一，综合实力排名第一。 公司颁发表彰证书。
打造氢能应用“主核”
氢能是实现“双碳目标”的根本途径之一，已纳入我国新能源体系，具有重大战略意义。
如今，项目团队发明的新型燃料电池质子膜具有完全自主知识产权，其新结构在实际氢燃料电池中表现出了优异的性能，引起了社会的广泛关注，得到了国家和国家的充分认可。科学技术当局。 。
该质子膜广泛应用于各类燃料电池汽车，实际续驶里程超过2000万公里，单车行驶里程超过11万公里，展现出令人信服的高性能、安全可靠性。 其中，发明的系列质子膜产品已在北汽福田、宇通客车、北京一华通、上海重塑等单位的公交车、客车、物流车、重卡、叉车等不同车型上大规模安装运行技术等方面，运行顺利。 ，安全、可靠、环保。 在财政部、国家发展改革委、科技部等五部委2021年发布的《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》中，本发明的燃料电池质子膜是唯一参与五个示范城市群的质子膜产品。
张永明教授表示，项目组以实现产业化为研发目标，满足国家燃料电池产业对核心材料的需求，支撑我国氢能源领域的健康发展。 （张勤业）