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)驗至今尚未成熟，整體制備水平效率不高，多項工藝難點還有待突破。
“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，這會影響到膜電極的使用壽命。”國內(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，未來會是膜電極涂布工藝的主流方向?！蹦Х叫履茉错椖靠偙O(jiān)劉坤告訴高工氫電，隨著市場需求的擴(kuò)大，效率更高的雙面直涂工藝將會在未來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。
事實上，對處于起步階段的燃料電池行業(yè)來說，MEA市場需求尚待挖掘，不同工藝路線適應(yīng)不同的市場需求，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，他們在積極跨越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片計算）。
除了效率的提升，雙面直涂工藝的另一個優(yōu)勢在于能有效解決膜電極的溶脹難題。
目前業(yè)界針對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現(xiàn)雙面直涂，日本的screen株式會社是其中杰出的代表。但是這種設(shè)備價格昂貴，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，不會影響催化層的結(jié)構(gòu)，也不會產(chǎn)生殘余，并且這層抗溶脹膜能在膜電極涂第二面的時候會起到很好的支撐作用?！眲⒗ふJ(rèn)為，更高的效率，更有效的解決熱效應(yīng)對質(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。
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。公司核心技術(shù)團(tuán)隊來自武漢理工，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MEA制備難點，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?！蹦Х叫履茉炊麻L蔣中林博士透露，公司技術(shù)團(tuán)隊在鋰電涂布工藝有多年的經(jīng)驗，并結(jié)合自身在材料領(lǐng)域的優(yōu)勢，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)實驗，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?！眲⒗じ嬖V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。
浩能科技的卷對卷膜電極涂布機(jī)
“今年計劃交付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)備在國際中的競爭力。
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)用奠定堅實基礎(chǔ)。
“如果采購進(jìn)口的膜電極雙面直涂設(shè)備，價格高達(dá)4000萬以上，一條國產(chǎn)膜電極涂布線的價格還不到2臺進(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)勢明顯，隨著不斷的改進(jìn)調(diào)試，未來在各項性能上有望對標(biāo)國際先進(jìn)水平。
