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膜电极双面直涂工艺将成未来主流?

作者:中国储能网新闻中心 来源:高工氢燃料电池 发布时间:2020-03-26 浏览:
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国内燃料电池行业虽已发展多年,但是膜电极产业化经验至今尚未成熟,整体制备水平效率不高,多项工艺难点还有待突破。

“从当前的膜电极制造工艺来看,还存在着反应过程中催化层结构不够稳定,Pt颗粒易脱落等问题,这会影响到膜电极的使用寿命。”国内一家电堆企业高层告诉高工氢电,当前的膜电极制备工艺还需要进一步改良。

不过,这种局面正随着国产膜电极制备工艺的进步而逐渐改观,尤其是一些国产膜电极设备企业的出现对于改进制备工艺起到了至关重要的作用。

“双面直涂工艺已经成为业内共识,未来会是膜电极涂布工艺的主流方向。”魔方新能源项目总监刘坤告诉高工氢电,随着市场需求的扩大,效率更高的双面直涂工艺将会在未来1到2年内快速推广起来。

国产膜电极涂布工艺的现状

涂布质量的好坏在很大程度上影响着MEA的最终性能。由于工艺突破难度大,目前MEA多采用第一代双面转印CCM工艺,存在生产效率不高、质子交换膜因热压转移产生机械损伤导致寿命降低等问题。

事实上,对处于起步阶段的燃料电池行业来说,MEA市场需求尚待挖掘,不同工艺路线适应不同的市场需求,现阶段第一代“双面转印”与第二代“阴极直涂阳极转印”工艺仍然有发展和提升的空间。

但在政策的扶持下,国产电堆的迎来爆发期,MEA成本压力将日益上升,燃料电池企业逐步向上游MEA核心技术延伸,一些新进企业希望占据未来技术制高点,他们在积极跨越2年左右来投资建设第三代产线。

“从制造效率来看,双面直涂工艺更能满足自动化批量制造的需求。”刘坤告诉高工氢电,按照一般的喷涂转印工艺,完成1片膜电极的涂布需要一分钟左右,双面直涂一分钟可以做到15片以上(按照一米膜电极3片计算)。

除了效率的提升,双面直涂工艺的另一个优势在于能有效解决膜电极的溶胀难题。

目前业界针对膜电极的双面直涂主要有两种方案,一种是以直接通过设备工艺改造和配方的改良实现双面直涂,日本的screen株式会社是其中杰出的代表。但是这种设备价格昂贵,单次投入成本较高。

另一种则是抗溶胀膜的路线,抗溶胀膜作为一种耗材在膜电极涂布过程中使用,魔方新能源采用的这是这种路线。

“这种抗溶胀膜能和催化层相贴合,涂完之后可以很好的脱落下来,不会影响催化层的结构,也不会产生残余,并且这层抗溶胀膜能在膜电极涂第二面的时候会起到很好的支撑作用。”刘坤认为,更高的效率,更有效的解决热效应对质子交换膜的影响,让双面直涂工艺成为膜电极批量制造的最优选项。

国产膜电极涂布设备企业的精进

由于膜电极制备工艺尚处于探索阶段,每家膜电极厂商的制备工艺都不相同,国内几乎看不到合适的“通用”设备,这需要膜电极厂家提“需求”给设备厂商去定制开发。而国内的膜电极涂布设备企业也是在这种背景下发展起来。

目前,国内涉足膜电极涂布业务的设备企业中,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术沉淀深厚的研发团队。公司核心技术团队来自武汉理工,而武汉理工是国内燃料电池领域最具权威的研究机构之一,开发出了国内最早之一的燃料电池汽车,在燃料电池核心材料质子交换膜、催化剂、MEA等方面研发超过20年,孵化出了MEA出货量全国第一、全球前三的武汉理工氢电。

魔方新能源打造MEA全新产线

“魔方新能源针对MEA制备难点,结合最新的纳米分散、涂布、膜贴工艺,开发了第三代MEA产线。”魔方新能源董事长蒋中林博士透露,公司技术团队在锂电涂布工艺有多年的经验,并结合自身在材料领域的优势,专门开发出了MEA制备所需的关键材料,最终经过多次反复实验,打通了核心工艺。

“目前国内已经有2家膜电极制造商在尝试魔方的双面直涂设备,正在进行调试工作。”刘坤告诉高工氢电,除了膜电极厂商,国内一些自产膜电极的电堆厂也在了解双面直涂工艺。

跟魔方新能源的路径类似,浩能科技也是从锂电池设备行业进入燃料电池膜电极涂布设备领域,同样主打双面直涂工艺。

“浩能的涂布设备在涂布吸附背辊、干燥箱体、涂布角度及支撑膜的结构上进行创新,从而有效解决涂覆过程中质子交换膜存在与溶剂接触而产生小孔或起皱的问题。” 浩能科技事业部总经理魏洪波表示,双面涂布工艺的突破,使得整个涂覆及传送过程中质子交换膜的溶胀或收缩难题得到有效化解。

2019年,浩能科技推出的膜电极涂布机,实现了质子交换膜制膜环节和正负极涂布方面的技术应用,目前其燃料电池膜电极涂布设备已经交付多家国内外膜电极生厂商。

浩能科技的卷对卷膜电极涂布机

“今年计划交付5条双面直涂膜电极生产线。” 魏洪波表示,业内很看好双面直涂设备的应用前景,浩能也在不断迭代相关的工艺和技术。

双面直涂技术的突破,使得国产膜电极产品在性能、寿命及效率的提升,在很大程度上,不仅加速了全国燃料电池产业化的全面布局,更增加了国产设备在国际中的竞争力。

值得注意的是,除了技术上的突破,较低的成本也为为我国燃料电池大规模商业应用奠定坚实基础。

“如果采购进口的膜电极双面直涂设备,价格高达4000万以上,一条国产膜电极涂布线的价格还不到2台进口涂布机的一半。”国内一家膜电极公司高层认为,国产双面直涂设备的成本优势明显,随着不断的改进调试,未来在各项性能上有望对标国际先进水平。

关键字:氢能

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