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

　　一张小小的膜，却在山东东岳集团的展厅占据了绝对C位。“别小看了这张膜，它可是整个氢能系统的‘芯片’。正是这张膜所代表的全新结构全氟磺酸树脂及全套成膜技术，为我国氢能产业的发展提供了核心关键材料的战略安全保障。”在展厅，山东东岳集团研究院首席科学家张永明教授如是说。

　　氢能是具有重大战略意义的新能源，但作为氢能开发与应用过程中的核心关键材料——全氟质子膜却长期成为核心“卡脖子”难题。

　　张永明教授说，氢燃料电池发电系统是整个氢能开发利用中的关键所在，其“心脏”是质子膜，并被誉为整个系统的“芯片”。目前全氟聚合物电解质膜是国际上公认的最高端并被唯一实际使用的质子膜，但此前被美国和日本等西方国家垄断，成为我国发展氢能和氢能高效利用的核心“卡脖子”难题，是我国必须在战略层面打破的发展瓶颈。

　　为了打破这一瓶颈，张永明教授带领研发团队成员们开始二十年磨一剑的艰辛历程。他们从基础研究入手，立志要另辟蹊径，创新发明全新结构全氟磺酸树脂及全套成膜技术。

　　前十年的研发工作集中在打基础，近十年则是追赶和超越。从2003年开始，他们这一研究先后多次被纳入国家“863”计划和重点研发计划。在发明的新结构全氟磺酸树脂、磺酸根植入型聚四氟乙烯微孔膜、非迁移大分子自由基淬灭剂三类关键原料基础上，通过溶液制膜方式成功制备出具有多重空间增强网络的新一代高性能燃料电池质子膜，整体发明内容全部实现工程化应用，建成了完整的产业链。

　　二十年间，他们的研发与产业化攻关，突破了关键单体、新型高交换容量全氟磺酸树脂、新型增强材料、高效添加剂等一系列技术难题，形成了从单体、树脂到质子膜的工程化装备与产业化技术体系，实现高性能氢燃料电池质子膜的批量制备与应用推广，为我国氢能产业的发展提供了核心关键材料的战略安全保障。

　　目前，研发的相关产品已批量应用于国产氢燃料电池汽车，经过了实际应用工况的充分验证，所形成的整套技术体系体现了我国氢能领域的核心竞争力。

　　在6月20日山东省委、省人民政府召开的科技创新大会上，由山东东岳未来氢能材料股份有限公司独立完成的《全新全氟磺酸聚合物合成及增强网络与高性能氢燃料电池质子膜制备》项目更是荣获了山东省技术发明奖特等奖。

　　全氟磺酸树脂(Nafion-H)是已知的最强固体超强酸，具有耐热性能好、化学稳定性和机械强度高等特点。全氟磺酸树脂作为绿色固体酸催化剂，对许多反应有较好的催化活性和选择性。

　　据张永明教授介绍，全氟磺酸质子交换膜是一种氢离子良导体，电子绝缘体的高分子聚合物。由于其具有优良的机械、热、化学和电化学稳定性，已被广泛地用于氢氧燃料电池，电解水制备臭氧、电解水制备氢气和氧气、有机电合成和气体传感器等。

　　杜邦公司开发的以长支链全氟磺酸聚合物树脂(Nafion-H)为原料制成的均质燃料电池质子膜是市场的主流。2010年后，美国Gore公司将膨体聚四氟乙烯微孔膜作为增强材料与树脂(Nafion-H)复合，制成了强度更高、厚度更薄的Nafion-H型燃料电池质子膜，显著提高了燃料电池质子膜的强度和质子导电性。

　　然而，随着燃料电池的不断迭代发展，特别是在重载车辆等领域应用，高功率输出、长寿命已成为质子膜的发展趋势，传统Nafion-H系列质子聚合物及其质子膜已无法满足发展要求。

　　项目团队在深入研究超强酸全氟质子膜的非平衡态成膜过程基础上，对超强酸树脂合成、膜凝聚态结构与性能演变及形貌调控进行了系统研究，形成完善的含氟功能膜材料知识体系，突破了关键原料、中间体、单体、成膜聚合物和成膜技术壁垒，于2022年建成全球最为完整的超强酸质子膜产业链。

　　奔驰和福特公司对包括杜邦公司、3M公司的全球10多家从事氢燃料电池质子膜的研发企业所提供的燃料电池质子膜进行了长达10多年的考评，最终通过考评的仅有两家，东岳便是其中一家，并且综合实力第一，公司颁发奖励证书给予肯定。

　　如今，项目团队发明的全新燃料电池质子膜具有完全的自主知识产权，而且以其全新的结构在实际氢燃料电池中表现出优异性能，引起社会的广泛关注，得到国家和科技主管部门的充分肯定。

　　该质子膜被广泛应用于各种燃料电池汽车，实际行驶路程超过2000万千米，单车行驶里程超过11万千米，表现出令人信服的高性能和安全可靠性。其中，发明的DMR100x系列质子膜产品已经被北汽福田、宇通客车、北京亿华通、上海重塑科技等单位在公交车、大巴车、物流车、重卡、叉车等不同车型上规模装车运营，平稳、安全、可靠、环保。在2021年国家财政部、发改委、科技部等五部委发布的《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一一家参与5个示范城市群的质子膜产品。

　　张永明教授表示，项目团队以实现产业化为研发目标，满足国家燃料电池行业对核心材料的需求，支撑我国在氢能领域的健康发展。

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