中国攻克氢燃料电池重大瓶颈技术 跻身世界第二

2010年09月02日

山东东岳化工集团创建于1987年，是全国重点高新技术企业和国家新材料产业化基地骨干企业，是国家863计划和国家重点火炬计划项目实施基地。（资料图）
编者按 我国科研院所和高校聚集了大批科研人员，新的科研成果不断涌现，但在如何实现产业化上，始终存在着一些困难和问题，急需在调整成果评价体系，打造转化平台和专业化中介队伍，发挥舆论作用争夺国际话语权等环节上破解瓶颈。本报从今天起将开辟《推进科技成果产业化》专栏，集中报道各地在依靠科技转变经济发展方式实践中的新思路、新措施和新成效。今天刊发的《“东岳”靠什么拿下“离子膜”？》则是成功的范本。
今年6月30日，山东东岳集团向全世界宣告，由“东岳”自主研发的氯碱用全氟离子膜、燃料电池膜实现国产化。在我国新材料、新能源、新环保等战略性新兴产业的攻坚阵地上，“东岳”插上了一面五星红旗！
历经8年科研攻关，东岳集团100%国产化的全氟离子膜，在万吨级氯碱装置上一次通电成功，打破了美国、日本长期对该项技术的垄断，长了民族志气。这标志着我国成为全球第三个拥有氯碱离子膜核心技术和生产能力的国家。
与此同时，“东岳”完成的用于制造燃料电池核心材料磺酸树脂离子膜，年产500吨的生产装置已经建成投产，解决了氢燃料电池生产的重大瓶颈，我国由此成为世界上第二个拥有该项技术和产业化能力的国家。
随着“东岳”氯碱用离子膜产业化的完成，离子膜进口价格从每平方米800美元降到450美元以下。美国杜邦公司多次到“东岳”洽商合作事项，日本旭硝子等世界500强企业也主动到“东岳”参观考察、寻求技术合作。
这是“东岳”人自主创新创造的奇迹！
政产学研“结合”的力量
“别小看这张膜，它关系到我们国家的经济安全。”8月29日，东岳集团董事长张建宏在接受科技日报采访时表示。据他介绍，全氟离子膜是氯碱行业和未来新能源利用的关键材料，被称为化学工业“皇冠上的明珠”，谁摘下了它，谁就掌握了国家战略“制高点”。上世纪60年代，美国杜邦公司开始研发，15年后研发成功。日本旭硝子公司从杜邦交换到部分生产权，但没有自主知识产权。30多年来，这一世界尖端技术一直控制在美国、日本两国手中。
离子膜，一直是中国人的一个“心结”。作为氟碱行业不可替代的重要材料，我国一直对离子膜实行零关税进口。张建宏介绍，为了消除这一威胁国家经济安全的隐患，从1980年开始，我国曾将这一技术列入国家“六五”“七五”重大科技攻关计划，先后投入几亿元资金进行科技攻关。但由于我国基础新材料的落后和投入机制等问题制约，该项目一直没有研制成功，被专家称之为“中国人心中永远的痛”，攻克该项技术寄托着几代化工人的追求与探索。
核心技术受制于人的结果不难预料。一张成品“离子膜”，薄如蝉翼，分量却“重如泰山”。张建宏说，我国现有氯碱工业装置规模超过3800万吨，成为全球第一氯碱生产大国。“东岳”离子膜产业化以前，我国离子烧碱所用的核心材料离子膜100%依赖进口，成为我国基础产业氯碱工业安全运行和健康发展的瓶颈。
对此，张建宏十分痛心。这位全国优秀退伍军人带领“东岳”团队开始了离子膜国产化征程。

全氟磺酸离子膜树脂的挤出流延薄膜（资料图）
2009年9月22日，“东岳”成功研制出的氯碱工业用大面积全氟离子膜成功下线；今年5月14日到6月30日，全氟离子膜成功应用于中化集团沧州大化黄骅氯碱厂、蓝星（北京）化工机械厂和东岳集团氯碱装置，实现市场化应用和国产化替代。
“离子膜”的研制，美国用了15年，而“东岳”仅用了8年。张建宏认为，“东岳”成功的根本原因在于建立人才、项目与技术紧密结合的“政产学研”合作新模式和新机制。
新材料、新能源一直是党和国家领导人最关注的行业。张建宏告诉科技日报记者，“东岳”全氟离子膜的研发工作受到了党和国家领导人的高度关注，近3年多来，胡锦涛、温家宝、李克强、李源潮、万钢等党和国家领导人一直重视“东岳”的“离子膜”研究，亲临现场视察指导。
“我们自主研发的氯碱离子膜、燃料电池膜、太阳能封装膜，以及水立方用的ETFE膜，就是政产学研结合的成果。”东岳集团党委副书记李玉文说，在“东岳”的政产学研结合体系中，政府是第一推动力。东岳氟硅材料产业园区是经国家发改委、山东省政府批准设立的高新技术产业园区，园区占地5.6平方公里。这些年来，科技部、国家发改委等给予了“东岳”强有力的政策支持，直接资金支持达1.3个亿。
“东岳”的离子膜研发与产业化一直牵动着科技部领导的心。张建宏说，全国政协副主席、科技部部长万钢，科技部党组书记、副部长李学勇等非常关注和支持东岳的发展，近年来多次到东岳考察项目进展。
由于离子膜项目事关中国氯碱产业的自主性，为了明确全氟离子膜项目的可行性，科技部专门派人到“东岳”现场考察，对这个项目给予了肯定和支持：“全氟离子交换膜材料研究”项目被列为国家863计划重大项目，“全氟离子膜工程技术研究”被列为国家“十一五”科技支撑计划重大项目。
“东岳”人记得，山东省委、省政府，山东省科技厅主要领导几次专程到“东岳”调研，亲自抓各项政策的落实。2005年9月8日，山东省政府加快东岳离子膜项目现场办公会提出，将“东岳”离子膜项目列为山东省高新技术“一号工程”，举全省之力支持离子膜项目产业化。
这些年来，淄博市委书记刘慧晏、市长周清利等市领导多次到“东岳”现场办公，协调解决困难。2006年3月27日，在淄博市科技大会上，淄博市委、市政府奖励“东岳”科技扶持资金5000万元。
正是靠着“政产学研”的完美结合，成就了今天的“东岳”。

燃料电池具有很高的军用价值。图为世界上第一艘以燃料电池为AIP动力的德国U-31号潜艇。（资料图）
敢问世间“膜”为何物
离子膜，一个让人心动的词，它是中国企业一直想做但却没有谁真正做好的事情。
谈到“东岳”离子膜，张建宏风趣地说自己是“王婆卖瓜，自卖自夸”。
让张建宏高兴的是论资源优势，中国氟化工资源得天独厚。
离子膜的原材料是萤石，萤石主要成分是氟化钙，属不可再生的战略资源，是发展氟化工的源头。全球萤石资源储量约6亿吨，我国储量就占了54%，居全球第一。张建宏解释说，由于离子膜电解法因兼有环保和节能等特性，采用离子膜电解法是当今世界最先进的烧碱生产工艺。离子膜电解槽和离子膜是氯碱装置的核心装置，而其中发挥关键作用的是安装在电解槽上的全氟磺酸羧酸离子膜（简称全氟离子膜）。
进军离子膜技术攻关，是“东岳”战略，也是国家战略。张建宏自信地说，下决心攻克离子膜技术始于8年前的一个“偶然”。
2003年7月，在杭州的一次会议上，东岳集团总裁刘传奇介绍了东岳集团聚四氟乙烯产品的发展情况。当时中国聚四氟乙烯还徘徊在低档次、小规模水平，能大规模涉足的企业并不多。“东岳”聚四氟乙烯的单体四氟乙烯正好是离子膜的关键原料之一。他乡遇故知，听完刘传奇的报告，正在从事全氟离子膜研究的上海交通大学化工学院张永明博士动了心。7月12日，张永明给刘传奇打电话，谈了自己想与“东岳”合作搞离子膜研发的想法。第二天，刘传奇和副总裁张恒就来到了上海，邀请张永明来“东岳”进行离子膜研发和产业化工作。
“最重要的是要有实验室和实验设备等条件。”张永明提出了几个去“东岳”的前提条件。尽管当时“东岳”的科研基础条件比较艰苦，但“东岳”还是一口保证，一切“应有尽有”。一星期内，长途电话从“东岳”打到上海，张建宏说筹建好了张永明要求的实验室。几天后，张永明第一次来到“东岳”，当他看到“东岳”为他创造的科研条件，特别是感受到张建宏那种爱才惜才的热情时，暗下决心在“东岳”把离子膜产业化进行到底。
两人第一次会面，张永明十分感动：“张建宏给我的‘见面礼’很大，一个是让我享受非常高的生活待遇；再一个是给我‘三定大权’：项目研发用什么样的人、安排什么工作岗位、给予什么样的工资待遇，完全由我决定。”2003年8月，把家从上海搬到了“东岳”，张永明满怀激情地投身离子膜事业。
2003年年底，北京乍暖还寒，离子膜科研的春天悄然来临。张建宏、张永明、张恒组成的“张家军创新团队”赴京参加科技部的专家项目论证会，“东岳”提交了一份关于离子膜研究报告。
“东岳”带去的项目报告虽然经过了精心充分的准备，但还是难以打动与会专家。理由只有一个，如此尖端的科研项目，不可能批准让一个成立仅十几年的“东岳”来参与。

聚四氟乙烯，具有耐高温、抗酸抗碱、几乎不溶于所有的溶剂的特点（在王水中煮沸也不起变化），而且摩擦系数极低，绝缘性好，因此被称为“塑料王”。虽然这种材料数十年前就已经发明，但制造难度和成本很高，产量也极小，一般仅用于涂层。
会上，“张家军创新团队”听到更多的是反对声，这让主持项目的科技部官员左右为难。一位极力反对的专家，曾参加过长达10年的离子膜攻关。他深更半夜敲开张建宏的房门，劝他放弃，不要冒这个险。这位专家情绪激动地说：“如果你们‘东岳’能攻下这个科技难题，我头朝下走给你看。”
一时间，质疑声音不断，但这却没有吓退张建宏。认准了就一定要干好！张建宏坚定地说。
2000年，“东岳”决定要上3000吨/年“塑料王”聚四氟乙烯项目时，有人说“‘东岳’要建3000吨的聚四氟乙烯，我还要造原子弹呢”。2002年4月，经过仅仅11个月的建设，“东岳”3000吨/年聚四氟乙烯装置投产了。第二年，“东岳”就把产能规模扩大到了6000吨/年。张建宏欣慰地说：“我们一举走了中国聚四氟乙烯过去50年的路。”
“东岳”人有干好的信心！
谈到“东岳”的离子膜与国外的不同，李玉文说：“我们自主研制出了两张膜，一张是氯碱用离子膜，这是我们的‘争气膜’。另一张事关未来能源利用的燃料电池膜，这是我们的‘争光膜’，燃料电池膜使我们走在了世界前列。”
8年艰辛寂寞“啃下硬骨头”
“当时有个念头让我们很激动：如果一旦成功，我们将是中国第一批为氯碱工业和新能源汽车工业制造心脏的人。在最艰难的时候，这个想法一直鼓舞着我们。可以说，‘自信’和‘志气’支撑整个团队啃下了这块硬骨头。”回顾8年来艰辛和寂寞的研发之路，张永明说。
怀揣这样的信念，张永明团队演绎了一幕又一幕的创新故事。
作为离子膜项目的首席科学家，作为“离子膜”项目组的“带头大哥”，张永明一边带领大家竭尽全力、由浅入深地补习离子膜技术开发的一切理论，一边要进行离子膜技术设计的探索——包括原料、中间体、功能单体、聚合物、功能膜、测试方法、工程技术和装备技术流程。
8年来，“东岳”离子膜项目研发团队从基础理论研究开始，先后解决了科学、技术、装备和工程等一系列难题，攻克了全氟离子膜项目核心技术，在原料、中间体、功能单体、聚合物、功能膜、测试方法、工程技术、装备技术等方面获得授权发明专利140余项。
“‘东岳’把我扶上骏马，我的选择只有飞奔。”张永明说。
每天早晨6点多，张永明提前两个多小时便来到东岳研究院。留在实验室十四五个小时，即使是休息日，也几乎都是如此。他已经数不清自己在实验室度过了多少个不眠之夜，自己遇到了多少棘手的难题。每当遇到难以迈过去的坎儿，张建宏总是安慰他说：“做成了算你的，做不成算‘东岳’的。”
“离子膜成功研发和产业化的头功，不是我和我们的科研团队，应该是董事长张建宏。”张永明说，“东岳”能够干成这件事，舍得投入，将每年销售收入的10%用于研发。而花费在科研以外的精力和时间绝对比科研本身多得多。

全氟磺酸离子交换树脂，可制备各种电解装置中所需离子交换导电膜、燃料电池离子膜，有机合成中使用的超强酸催化剂，超稳定性离子交换剂等。（资料图）
在“张家军创新团队”中，东岳研究院院长张恒是“东岳”土生土长的专家。5年时间，他带领团队将聚四乙烯高分子材料做到超过日本和美国的企业，有29项发明专利创造，其中有6项已拿到国家专利证书。
2006年3月19日，“东岳”承担的国家863计划“全氟离子交换膜材料研究”课题，经过3年艰苦攻关，通过了专家验收。项目负责人张永明与张恒，一个是上海交通大学的博士生导师、业内知名专家，一个只是自学成才的企业技术负责人。可是在张永明眼中，缺了张恒，离子膜项目不会成功。
全氟磺酰单体的生产是全氟离子交换膜生产过程中的重要一环。东岳集团神舟新材料有限公司副总经理高洪光说：“在这个全氟磺酰单体的生产过程中，张恒根据他多年的经验，以及查阅大量的资料，自行设计、自行画图、安装，攻克了磺酰单体这个重要的设备，才使下面我们有了高纯的单体，做出了好的树脂。如果说没有这一步，那么离子膜的成功是不可能的。因为国外只出售给中国全氟磺酸树脂，不出售生产全氟磺酸树脂的原料，所以没有这个设备，就没有这个原料的生产，也就谈不上全氟磺酸树脂的生产成功。”
创造奇迹的张永明团队，其实只是“东岳”5000人队伍之中的一支劲旅。“东岳”集中了一批离子膜科研“国家队”，为“中国膜产业基地”桂冠镶嵌上一颗颗璀璨的珍珠。
高自宏，北京大学博士，“东岳”离子膜项目百人研发团队中的一员。谈及自己在“东岳”的研发经历，她说已经记不清做了多少次设计，实验失败了多少回。但她始终坚信成功是“水到渠成的事”。“因为我们上百人的科研团队的探索，早已摸清了复杂反应的每一个环节。”
“以价值体现价值，用财富回报财富。让创造价值的人在‘东岳’能够实现人生价值，让创造财富的人在‘东岳’能成为财富的拥有者。”张建宏说，正是这个人才观，让“东岳”从一个仅有两只小转炉的小作坊，成长为亚洲规模最大的氟硅材料生产基地。
8月24日，在淄博市人才工作会议上，东岳集团含氟功能膜材料创新团队等淄博市优秀创新团队分别被奖励20万元，获得“淄博市杰出人才奖”的张永明等被市委、市政府每人重奖50万元；早在今年2月4日，东岳集团总结表彰大会重奖离子膜项目开发团队，以张永明、张恒为代表的离子膜研发团队荣获100万元的“董事长总裁特别奖”。张永明还荣获2009年山东省科技发明一等奖，被授予山东省人才最高荣誉“泰山学者”。
“东岳”，因离子膜而兴，张永明团队以离子膜而名。“东岳”的下一个8年必将更精彩！（记者 王建高 通讯员 毕雪峰 何意光 马玉华）


燃料电池可广泛应用于军事领域，其中使用燃料电池的AIP潜艇可较长时间在水下航行，性能大大优于普通潜艇。图为德国U212A潜艇使用的燃料电池发动机。（资料图）

b                                
氢燃料电池的军事用途十分广泛，世人最熟悉的就是采用这种电池的AIP潜艇。图为中国新型潜艇概念模型。（资料图）


除潜艇外，燃料电池还可用于各种作战平台，其中美国军方已经在考虑为M1主战坦克配装燃料电池组件。（资料图）


使用燃料电池作为动力的新型美国军用越野车（资料图）


采用燃料电池的双足步行机器人（资料图）