國內(nèi)燃料電池行業(yè)雖已發(fā)展多年，但是膜電極產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗(yàn)至今尚未成熟，整體制備水平效率不高，多項(xiàng)工藝難點(diǎn)還有待突破。
“從當(dāng)前的膜電極制造工藝來看，還存在著反應(yīng)過程中催化層結(jié)構(gòu)不夠穩(wěn)定，Pt顆粒易脫落等問題，這會(huì)影響到膜電極的使用壽命?！眹鴥?nèi)一家電堆企業(yè)高層告訴高工氫電，當(dāng)前的膜電極制備工藝還需要進(jìn)一步改良。
不過，這種局面正隨著國產(chǎn)膜電極制備工藝的進(jìn)步而逐漸改觀，尤其是一些國產(chǎn)膜電極設(shè)備企業(yè)的出現(xiàn)對(duì)于改進(jìn)制備工藝起到了至關(guān)重要的作用。
“雙面直涂工藝已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)共識(shí)，未來會(huì)是膜電極涂布工藝的主流方向。”魔方新能源項(xiàng)目總監(jiān)劉坤告訴高工氫電，隨著市場(chǎng)需求的擴(kuò)大，效率更高的雙面直涂工藝將會(huì)在未來1到2年內(nèi)快速推廣起來。
國產(chǎn)膜電極涂布工藝的現(xiàn)狀
涂布質(zhì)量的好壞在很大程度上影響著MEA的最終性能。由于工藝突破難度大，目前MEA多采用第一代雙面轉(zhuǎn)印CCM工藝，存在生產(chǎn)效率不高、質(zhì)子交換膜因熱壓轉(zhuǎn)移產(chǎn)生機(jī)械損傷導(dǎo)致壽命降低等問題。
事實(shí)上，對(duì)處于起步階段的燃料電池行業(yè)來說，MEA市場(chǎng)需求尚待挖掘，不同工藝路線適應(yīng)不同的市場(chǎng)需求，現(xiàn)階段第一代“雙面轉(zhuǎn)印”與第二代“陰極直涂陽極轉(zhuǎn)印”工藝仍然有發(fā)展和提升的空間。
但在政策的扶持下，國產(chǎn)電堆的迎來爆發(fā)期，MEA成本壓力將日益上升，燃料電池企業(yè)逐步向上游MEA核心技術(shù)延伸，一些新進(jìn)企業(yè)希望占據(jù)未來技術(shù)制高點(diǎn)，他們?cè)诜e極跨越2年左右來投資建設(shè)第三代產(chǎn)線。
“從制造效率來看，雙面直涂工藝更能滿足自動(dòng)化批量制造的需求?！眲⒗じ嬖V高工氫電，按照一般的噴涂轉(zhuǎn)印工藝，完成1片膜電極的涂布需要一分鐘左右，雙面直涂一分鐘可以做到15片以上（按照一米膜電極3片計(jì)算）。
除了效率的提升，雙面直涂工藝的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于能有效解決膜電極的溶脹難題。
目前業(yè)界針對(duì)膜電極的雙面直涂主要有兩種方案，一種是以直接通過設(shè)備工藝改造和配方的改良實(shí)現(xiàn)雙面直涂，日本的screen株式會(huì)社是其中杰出的代表。但是這種設(shè)備價(jià)格昂貴，單次投入成本較高。
另一種則是抗溶脹膜的路線，抗溶脹膜作為一種耗材在膜電極涂布過程中使用，魔方新能源采用的這是這種路線。
“這種抗溶脹膜能和催化層相貼合，涂完之后可以很好的脫落下來，不會(huì)影響催化層的結(jié)構(gòu)，也不會(huì)產(chǎn)生殘余，并且這層抗溶脹膜能在膜電極涂第二面的時(shí)候會(huì)起到很好的支撐作用。”劉坤認(rèn)為，更高的效率，更有效的解決熱效應(yīng)對(duì)質(zhì)子交換膜的影響，讓雙面直涂工藝成為膜電極批量制造的最優(yōu)選項(xiàng)。
國產(chǎn)膜電極涂布設(shè)備企業(yè)的精進(jìn)
由于膜電極制備工藝尚處于探索階段，每家膜電極廠商的制備工藝都不相同，國內(nèi)幾乎看不到合適的“通用”設(shè)備，這需要膜電極廠家提“需求”給設(shè)備廠商去定制開發(fā)。而國內(nèi)的膜電極涂布設(shè)備企業(yè)也是在這種背景下發(fā)展起來。
目前，國內(nèi)涉足膜電極涂布業(yè)務(wù)的設(shè)備企業(yè)中，魔方新能源和浩能科技是其中的突出代表。
魔方新能源的突出成就得益于技術(shù)沉淀深厚的研發(fā)團(tuán)隊(duì)。公司核心技術(shù)團(tuán)隊(duì)來自武漢理工，而武漢理工是國內(nèi)燃料電池領(lǐng)域最具權(quán)威的研究機(jī)構(gòu)之一，開發(fā)出了國內(nèi)最早之一的燃料電池汽車，在燃料電池核心材料質(zhì)子交換膜、催化劑、MEA等方面研發(fā)超過20年，孵化出了MEA出貨量全國第一、全球前三的武漢理工氫電。
魔方新能源打造MEA全新產(chǎn)線
“魔方新能源針對(duì)MEA制備難點(diǎn)，結(jié)合最新的納米分散、涂布、膜貼工藝，開發(fā)了第三代MEA產(chǎn)線。”魔方新能源董事長(zhǎng)蔣中林博士透露，公司技術(shù)團(tuán)隊(duì)在鋰電涂布工藝有多年的經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合自身在材料領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，專門開發(fā)出了MEA制備所需的關(guān)鍵材料，最終經(jīng)過多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)，打通了核心工藝。
“目前國內(nèi)已經(jīng)有2家膜電極制造商在嘗試魔方的雙面直涂設(shè)備，正在進(jìn)行調(diào)試工作。”劉坤告訴高工氫電，除了膜電極廠商，國內(nèi)一些自產(chǎn)膜電極的電堆廠也在了解雙面直涂工藝。
跟魔方新能源的路徑類似，浩能科技也是從鋰電池設(shè)備行業(yè)進(jìn)入燃料電池膜電極涂布設(shè)備領(lǐng)域，同樣主打雙面直涂工藝。
“浩能的涂布設(shè)備在涂布吸附背輥、干燥箱體、涂布角度及支撐膜的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行創(chuàng)新，從而有效解決涂覆過程中質(zhì)子交換膜存在與溶劑接觸而產(chǎn)生小孔或起皺的問題?！?浩能科技事業(yè)部總經(jīng)理魏洪波表示，雙面涂布工藝的突破，使得整個(gè)涂覆及傳送過程中質(zhì)子交換膜的溶脹或收縮難題得到有效化解。
2019年，浩能科技推出的膜電極涂布機(jī)，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)子交換膜制膜環(huán)節(jié)和正負(fù)極涂布方面的技術(shù)應(yīng)用，目前其燃料電池膜電極涂布設(shè)備已經(jīng)交付多家國內(nèi)外膜電極生廠商。
浩能科技的卷對(duì)卷膜電極涂布機(jī)
“今年計(jì)劃交付5條雙面直涂膜電極生產(chǎn)線。” 魏洪波表示，業(yè)內(nèi)很看好雙面直涂設(shè)備的應(yīng)用前景，浩能也在不斷迭代相關(guān)的工藝和技術(shù)。
雙面直涂技術(shù)的突破，使得國產(chǎn)膜電極產(chǎn)品在性能、壽命及效率的提升，在很大程度上，不僅加速了全國燃料電池產(chǎn)業(yè)化的全面布局，更增加了國產(chǎn)設(shè)備在國際中的競(jìng)爭(zhēng)力。
值得注意的是，除了技術(shù)上的突破，較低的成本也為為我國燃料電池大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
“如果采購進(jìn)口的膜電極雙面直涂設(shè)備，價(jià)格高達(dá)4000萬以上，一條國產(chǎn)膜電極涂布線的價(jià)格還不到2臺(tái)進(jìn)口涂布機(jī)的一半?！眹鴥?nèi)一家膜電極公司高層認(rèn)為，國產(chǎn)雙面直涂設(shè)備的成本優(yōu)勢(shì)明顯，隨著不斷的改進(jìn)調(diào)試，未來在各項(xiàng)性能上有望對(duì)標(biāo)國際先進(jìn)水平。
