2021年度江蘇省科學技術獎提名項目公示內容

項目名稱：氫燃料電池用高性能超薄復合質子交換膜的研發(fā)及產業(yè)化

主要完成單位: 江蘇科潤膜材料有限公司、淮陰師范學院、廈門大學、中國科學院

上海有機化學研究所、北京化工大學常州先進材料研究院

主要完成人: 楊大偉、李梅生、肖吉昌、董全峰、鄭明森、賀建蕓

項目簡介：

  1．主要技術內容

  質子交換膜是氫燃料電池汽車的“心臟”。本項目主要是結合雙面輻射制膜技術和傳統(tǒng)流延制膜工藝，通過改進傳統(tǒng)制膜凝膠漿料配方，引入石墨烯衍生物和湮滅劑進行樹脂改性，溶融復合膨體聚四氟乙烯（ePTFE）微孔膜支撐層，研發(fā)出適合燃料電池使用的高質子傳導率、低氫滲透率、耐強酸強堿、壽命長、成本低的超薄復合質子交換膜和連續(xù)化制備技術，主要技術創(chuàng)新如下：

①首創(chuàng)質子交換膜制膜過程中溶融復合超高分子量聚四氟乙烯微孔膜的工藝和方法，用帶有微孔的超高分子量聚四氟乙烯膜對全氟磺酸膜進行宏觀增強，優(yōu)選微孔膜表面處理技術，改進復合膜結構，解決增強材料與全氟磺酸樹脂長時間使用和不同環(huán)境轉換過程中的分層問題，有效降低膜厚度，從而減小膜電阻，提高機械強度。

②通過在全氟磺酸樹脂合成過程中填充功能化氧化石墨烯，優(yōu)化膜內水環(huán)境，促進微相分離，提升高溫下的保水性能，解決填充材料與樹脂的結合問題，進一步提高質子交換膜的導電性和穩(wěn)定性，降低膜的燃料滲透率。

③優(yōu)選合適的功能化湮滅劑、納米添加劑、助劑，解決燃料電池用質子交換膜現存的耐熱性差及環(huán)境劇烈變化下穩(wěn)定性差的缺陷，擴大應用環(huán)境。

④采用超臨界流體技術制備出一種新型高度均勻分散、穩(wěn)定性好的納米級離聚物水醇體系的分散制膜液。

⑤研發(fā)出高精度低張力控制的微孔膜覆膜結構和控溫精準的自動化流延制膜成套量產設備，獲得高精度、高品質、穩(wěn)定性好的復合質子交換膜。

  2．授權知識產權情況
  項目技術為公司自主研發(fā)，擁有自主知識產權（所有專利均為江蘇科潤和母公司蘇州科潤，蘇州科潤已做專利授權）。已擁有授權專利50件，其中授權發(fā)明專利12項（含授權PCT國際專利1項），授權實用新型專利25項。圍繞相關技術及生產，公司形成了系列質量體系文件，制定了企業(yè)標準1項，參與制定《全釩液流電池維護要求》（NB/T 42144-2018）、《全釩液流電池安裝技術規(guī)范》（NB/T 42145-2018）和《鋅溴液流電池 電極、隔膜、電解液測試方法》（NB/T 42146-2018）等行業(yè)標準；參與制定《質子交換膜測試方法》、《全釩液流電池系統(tǒng)設計導則》、《全釩液流電池可靠性評價方法》等國家標準以及《全釩液流電池用離子交換膜通用技術條件和測試方法》行業(yè)標準（正在進行中）。
  3．技術指標
  質子交換膜性能優(yōu)越，其厚度為12.2μm，電導率為0.134 S/cm，縱向和橫向拉伸強度分別為50 Mpa和54 Mpa，氣體透過率為0.005 cm3/cm2·min，縱向和橫向溶脹率分別為1.6%和TD%。
  4．應用推廣及效益情況
  產品在國內首家通過國家汽車強檢報告和工信部上車公告，成功應用在廣東喜馬拉雅氫能、上海神力、江蘇清能、蘇州擎動、寧波中科科創(chuàng)新能源等公司的燃料電池電堆及MEA膜電極中。并與上汽、上海重塑、雄川氫能等公司簽訂了長期戰(zhàn)略合作協(xié)議，正在進行國產化替代工作。公司近兩年新增銷售5000余萬，新增利稅1500余萬元，產品應用單位近兩年新增銷售3.1億元，新增利潤7100萬元。公司已完成年產100萬平米超薄復合質子交換膜的生產線建設，正在進行大規(guī)模市場推廣工作，預計5年內可實現銷售10億元，利稅3億元。

  專利:

[1]成之陽,楊大偉,董全峰,詹東平,鄭明森,魏永. 增強型全氟離子膜流延機[P]. 江蘇：CN204725751U,2015-10-28.

[2]成之陽,楊大偉,董全峰,鄭明森. 一種流延用全氟離子膜的漿料保溫脫泡輸送管道[P]. 江蘇：CN205606063U,2016-09-28.

[3]楊大偉,賀建蕓,苑會林,朱工,趙長松,康維佳,羅錫丹,劉振文. 磺化石墨烯改性全氟磺酸離子復合膜及其制備方法[P]. 江蘇省：CN106589443B,2019-05-28.

[4]楊大偉,賀建蕓,苑會林,高啟秀,鄭明森,董全峰. 石墨烯摻雜的全氟磺酸-羧酸復合膜及其雙層共擠吹塑及拉伸成型方法[P]. 江蘇?。篊N109280196B,2020-12-18.

[5]賀建蕓,楊大偉,苑會林. 納米碳纖維摻雜的全氟磺酸/全氟羧酸復合膜及其連續(xù)流延制備方法[P]. 江蘇?。篊N109280197B,2021-01-12.

[6]李梅生,趙宜江,周守勇,張文,裴宇航,褚效中,薛愛蓮. 凹凸棒粘土/聚合離子液體復合催化劑的制備方法[P]. 江蘇：CN104399527A,2015-03-11.

[7]周守勇,李業(yè)洋,趙宜江,薛愛蓮,李梅生,楊大偉,張艷,邢衛(wèi)紅,張玉潔,胡磊,許家興,張莉莉. 一種季銨鹽功能化聚砜-納米凹凸棒石雜化陰離子交換膜及其制備方法[P]. 江蘇?。篊N110433673B,2021-02-12.

[8]賀建蕓,張景慧,羅錫丹,何振文,趙長松,李嘉維,康維嘉,楊衛(wèi)民,丁玉梅. 一種氧化石墨烯改性的LED導熱灌封膠及其制備方法[P]. 北京市：CN106753208B,2020-01-14.

[9]楊大偉,成之陽,熊竹,賀建蕓,董全峰,鄭明森. 具有啟閉功能的離子膜鋼帶流延機的流延刀[P]. 江蘇：CN105818307A,2016-08-03.

[10]楊大偉,成之陽,熊竹,賀建蕓,董全峰,鄭明森. 一種全氟離子膜鋼帶流延機的剝膜裝置[P]. 江蘇：CN105773890A,2016-07-20.

  代表性論文：

[1]楊大偉,董燕青,范鏡敏,鄭明森,董全峰.全釩液流電池磺化石墨烯/Nafion復合膜的研究[J].電化學,2015,21(05):407-410.

[2]Yong Z ,  Xiong Q ,  Xiong J , et al. Effects of chelating agents on electrochemical behavior and microstructure of phosphate conversion coatings on magnesium alloy AZ91D. international journal of electrochemical science, 2014.

[3]趙長松,賀建蕓,楊大偉,謝鵬程,苑會林.鋰離子電池隔膜用UHMWPE微孔膜的制備及性能[J].塑料工業(yè),2018,46(09):44-47+57.

[4]Zhang Jianwen,Gao Dongxia,Li Yachao,He Jianyun. Study on micromixing and reaction process in a rotating packed bed[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer,2016,101.

[5]魏志凱,張煥,鄭明森,董全峰.基于石墨烯的功能化復合材料及其在電化學儲能中的應用[J].廈門大學學報(自然科學版),2014,53(05):640-651.