中國攻克氫燃料電池瓶頸技術躋身世界前三 為了氯鹼產業的“中國心”東岳集團全氟離子膜產業實現完全國產化
德國212A型潛艇使用的120千瓦燃料電池模塊
中國是當今世界氯鹼產能第一大國，但全球第一的光環並不能掩飾中國氯鹼人的一塊心病。
離子膜電解法是目前最先進的氯鹼生產工藝，離子膜電解槽是氯鹼工業的核心裝置，而其中發揮關鍵作用的是安裝在電解槽上的全氟磺酸羧酸離子膜（簡稱全氟離子膜）。這張薄如蟬翼的離子膜被認為是氯鹼裝置的“心臟”。一直以來，全氟離子膜生產技術被美國和日本壟斷，中國氯鹼裝置安裝的只能是洋“心臟”。從“六五”時期起，我國一代代化工人開始了漫長的離子膜國產化征程。
全氟離子膜，這枚化學工業“皇冠上的明珠”，曾是共和國幾任化工部長、幾代化工人未償的夙願。
全氟離子膜，這張含金量極高的薄膜，曾經阻滯了多少氯鹼人自主自強、實現完全國產化的腳步。
直到2010年6月30日，一個民營科技化工企業——山東東岳集團100％國產化的全氟離子膜，在萬噸級氯鹼裝置上一次通電成功。從此，中國氯鹼行業終於有了“中國心”！
一次偶然的相遇開創了一段艱辛的探索
東岳集團與離子膜結緣始於一個偶然。 2003年，在杭州的一次會議上，東岳集團總裁劉傳奇作了一個報告，介紹了東岳集團聚四氟乙烯產品的發展情況。當時中國聚四氟乙烯還徘徊在低檔次、小規模水平，能大規模涉足的企業並不多。聽著劉傳奇的報告，有一個人心潮澎湃，他就是當時上海交通大學化工學院張永明博士，如今的上海交通大學教授和東岳集團離子膜項目首席專家。當時張永明正在從事全氟離子膜研究，東岳集團要做的聚四氟乙烯的單體四氟乙烯也正好是離子膜的關鍵原料之一。並且張永明覺得劉傳奇“這個山東人講話很實在，擲地有聲”，而且東岳集團還有一位退伍軍人——張建宏任董事長，合作乾一番事業的念頭已然在胸中升起。
2003年7月12日，張永明懷著試試看的心情給劉傳奇打電話，談了自己想與東岳集團合作搞離子膜研發的想法。沒料到第二天，東岳集團的劉傳奇總裁和張恆副總裁就代表公司來到了上海，邀請張永明去東岳集團進行離子膜產業化工作。張永明提出了幾個去東岳的前提條件，包括為其準備實驗室和實驗條件等。當時東岳的科研基礎條件比較艱苦，張永明認為要達到他提出的實驗要求，東岳怎麼也得準備幾個月。再次出乎意料，東岳在一星期內打電話來，說籌建好了他要求的實驗室。張永明半信半疑地第一次來到東岳。當他看到東岳為他創造的科研條件，特別是感受到張建宏那種愛才惜才的熱情時，心里便認定要在東岳把離子膜的產業化進行到底。
說起兩人的第一次會面，張永明教授記憶猶新：“董事長給我的見面禮很大，一個是讓我享受國家的部長生活待遇。再一個是給我'三定大權'：項目研發用什麼樣的人、安排什麼工作崗位、給予什麼樣的工資待遇，完全由我決定。”2003年8月，張永明在第一次接觸劉傳奇短短的20多天后，便滿懷激情地來到了東岳投身離子膜事業。
有了這個一拍即合的開始，接下來的路怎麼走？為了爭取國家方面的支持，2003年底，張建宏、張永明、張恆等赴京參加科技部的專家項目論證會。也正是在這次會議上，張建宏進一步了解了離子膜項目科技攻關的難度之大、意義之重。上世紀八九十年代，我國也曾嘗試引進國外技術，但遭到斷然拒絕。外國公司看家的本領怎能輕易轉讓給中國？自己攻克難關，成為中國人唯一的選擇。當時，這個項目已經由國家組織了“六五”、“七五”兩個5年重大科技攻關計劃，由於技術和工程難度實在太大，一直沒能成功產業化。會上，很多專家善意提醒張建宏放棄，不要冒這個險。因為“一個民營企業想攻下離子膜項目，簡直比登天還難”。
一時間，外界也出現了眾多質疑的聲音。有人說這是東岳打著科技創新旗號的一次自我炒作。質疑，東岳的當家人張建宏和劉傳奇並非第一次遇到。他們的幾次重大決策，幾乎都飽受爭議。 1998年，當他們與清華大學合作，開發環保型製冷劑時，被人稱為“老鄉結皇親”，但事實證明，他們的決策是正確而超前的。由於搶先一步，東岳成為全球最大的環保製冷劑生產企業。 2000年，東岳決定要上3000噸/年“塑料王”——聚四氟乙烯項目時，有人竟說“東岳要建3000噸的聚四氟乙烯，我還要造原子彈呢”。但2002年4月，經過僅僅11個月的建設，東岳3000噸/年聚四氟乙烯裝置投產了。第二年，東岳就把產能規模擴大到了6000噸/年。張建宏欣慰地說：“我們一舉走了中國聚四氟乙烯過去50年的路。”
正是有了之前每次決策的底氣，這次張建宏認准了全氟離子膜項目。因為一方面全氟離子膜是四氟乙烯的下游高端產品，符合東岳延伸產業鏈實現高附加值的發展思路；另一方面中國是氯鹼生產第一大國，其核心材料全氟離子膜掌控在外國人手裡是可怕的，中國市場迫切需要國產的離子膜。 “因此離子膜是個好東西，一定要做。”
儘管飽受質疑，但事情還是有了轉機。由於離子膜項目事關中國氯鹼產業的自主性，所以為了明確全氟離子膜項目的可行性，科技部專門派人到東岳進行現場考察，當他們看到東岳已經取得的成果和科技人員的艱苦攻關時，還是對這個項目給予了肯定。 2004年1月，這一項目成為緊急啟動的國家“863”重大項目。
東岳集團全氟離子膜項目正式上路了……
一段艱辛的探索換取了一個難忘的時刻
全氟離子膜從一塊普通的螢石開始，到能夠滿足氯鹼生產選擇性要求，中間要經歷氫氟酸、四氟乙烯、全氟磺酸單體和樹脂、全氟羧酸單體和樹脂，再到全氟離子膜的過程，這需要進行幾十步的複雜反應和分離過程。張永明說：“全氟離子膜的生產設備擺起來有幾千米長。”
高自宏，北京大學化學專業的博士後，5年前從北京來到東岳離子膜項目組做研究工作。她只是東岳離子膜項目上百人研發團隊中的一員。當記者問起她的研發經歷，她沒有驚人之語，只說自己年復一年、日復一日總是在一遍遍摸索實驗條件，一次次改變反應路徑，一點點提高產物收率。她早已記不清自己做了多少次嘗試，記不得實驗失敗了多少回。以至於最後的成功在她看來就是“水到渠成的事”。 “因為我們上百人的科研團隊的探索，早已摸清了複雜反應的每一個環節。”
張永明數不清自己在實驗室度過了多少個不眠之夜，自己遇到了多少棘手的難題。他感到自己時常會遇到一個個難以邁過去的坎兒，自己總是在黑暗中摸索、時常碰壁。他每每帶著負疚的心情去見張建宏，張建宏總是安慰他說：“做成了算你的，做不成算東岳的。”
張建宏把壓力攬到了自己身上，是想讓科研團隊放下思想包袱。他自己承受的壓力無疑是巨大的，難怪他說：“有幾次我也不想乾了，感到特別孤立無援，找不到出路，很痛苦。”在全氟離子膜關鍵材料羧酸樹脂試車時進展很不順利，頭三批料都沒有成功。一天晚上，在試車現場的車間裡，員工們看見張建宏在牆角一直用力地踢牆壁，可想而知他的壓力有多大。張建宏坦言，在離子膜研發和產業化過程中，自己每天就像走在鋼絲上。
在一次次的探索中，東岳離子膜研發的環境也有改善。 2005年9月8日，山東省人民政府召開東岳集團離子膜項目產業化現場辦公會，離子膜項目被列為舉全省之力支持的山東省高新技術一號工程；2006年3月19日，東岳離子膜研究項目順利通過國家“863計劃”驗收；2006年12月18日，全氟離子膜工程技術研究被列為國家“十一五”科技支撐計劃重大項目。胡錦濤、溫家寶、李克強、李源潮等黨和國家領導人先後視察東岳，對東岳自主創新特別是離子膜研發給予充分肯定。
2009年9月22日，是值得東岳人銘記的日子。這一天凌晨2點，1.35米×2.65米工業規格的全氟離子膜在東岳集團成功下線。當看見離子膜緩緩走下生產線時，東岳人眼裡充滿了喜悅的淚水。這時候，所有的科研人員體力已經完全透支。張永明更是由於長時間的科研工作，眼睛已經看不清東西，當產品成功下線時，他已經暈倒在地。
一個難忘的時刻成就了一樁偉大的事業
離子膜下線後，東岳集團對產品的性能進行了全面檢測分析，同時為大規模工業化應用作準備。張永明說：“2009年9月22日之後，我們在工程化、標準化過程中又解決了48個難題，其中主要是設備難題。由於中國設備製造水平有限，有的這兒不合適，有的那兒不合適，所以我們一直在改造。”
當然，國產離子膜最關鍵的還是要在氯鹼工業裝置上獲得應用。 2010年5月，同樣經過艱苦努力將離子膜電解槽成功國產化的藍星（北京）化工機械有限公司，同意在其設在中化集團滄州大化黃驊氯鹼公司5000噸級的實驗裝置上試用東岳離子膜，做了“第一個吃螃蟹”的人。
當時在黃驊氯鹼公司現場5000噸級裝置上主持試驗工作的藍星（北京）化機公司服務總監蘇克勤心裡也是犯嘀咕的：此前20多年，曾有科研機構和企業為此做過不懈努力，但由於諸多原因未能工業化。這次東岳做出來的離子膜，真的就能成？蘇克勤坦言，為了防止發生意外，確保實驗裝置和整個廠區的安全，他們做好了最壞的打算和最周全的預案。
2010年5月14日，黃驊氯鹼廠採用東岳離子膜的氯鹼生產裝置正式開車。開車的結果，大大出乎所有人的意料。東岳離子膜在黃驊氯鹼公司實驗裝置上一次通電成功，並且生產出合格的工業產品。從運行的結果來看，東岳離子膜與某外國公司的同類型離子膜性能相當。蘇克勤長長地鬆了一口氣，他說：“開車成功的那一刻，先前的擔心被巨大的開心和喜悅取代了。”
此後，東岳集團又花一個多月時間，在集團內自建了一套萬噸級氯鹼生產裝置。萬噸級已經是氯鹼裝置的最大單套生產規模。該生產裝置採用的是藍星（北京）化機公司的離子膜電解槽和東岳集團的離子膜，實現了所有的裝備、原料、技術的100％國產化。 2010年6月30日晚9點48分，東岳離子膜在完全國產化的萬噸級工業氯鹼生產裝置上一次通電成功，產出合格的工業產品。
至此，中國成為除美國、日本外世界上第三個掌握離子膜電解法燒鹼整套複雜生產技術的國家。
今年6月30日，山東東岳集團向全世界宣告，由“東岳”自主研發的氯鹼用全氟離子膜實現國產化。在我國新材料、新能源、新環保等戰略性新興產業的攻堅陣地上，“東岳”插上了一面五星紅旗！
歷經8年科研攻關，東岳集團100%國產化的全氟離子膜，在萬噸級氯鹼裝置上一次通電成功，打破了美國、日本長期對該項技術的壟斷，長了民族志氣。這標誌著我國成為全球第三個擁有氯鹼離子膜核心技術和生產能力的國家。
這是“東岳”人自主創新創造的奇蹟！
政產學研“結合”的力量
“別小看這張膜，它關係到我們國家的經濟安全。”8月29日，東岳集團董事長張建宏在接受科技日報採訪時表示。據他介紹，全氟離子膜是氯鹼行業和未來新能源利用的關鍵材料，被稱為化學工業“皇冠上的明珠”，誰摘下了它，誰就掌握了國家戰略“制高點”。
離子膜，一直是中國人的一個“心結”。作為氟鹼行業不可替代的重要材料，我國一直對離子膜實行零關稅進口。張建宏介紹，為了消除這一威脅國家經濟安全的隱患，從1980年開始，我國曾將這一技術列入國家“六五”“七五”重大科技攻關計劃，先後投入幾億元資金進行科技攻關。但由於我國基礎新材料的落後和投入機制等問題制約，該項目一直沒有研製成功，被專家稱之為“中國人心中永遠的痛”，攻克該項技術寄託著幾代化工人的追求與探索。
核心技術受制於人的結果不難預料。一張成品“離子膜”，薄如蟬翼，分量卻“重如泰山”。張建宏說，中國現有氯鹼工業裝置規模超過3800萬噸，成為全球第一氯鹼生產大國。 “東岳”離子膜產業化以前，中國離子燒鹼所用的核心材料離子膜100%依賴進口，成為中國基礎產業氯鹼工業安全運行和健康發展的瓶頸。
對此，張建宏十分痛心。這位全國優秀退伍軍人帶領“東岳”團隊開始了離子膜國產化征程。
2009年9月22日，“東岳”成功研製出的氯鹼工業用大面積全氟離子膜成功下線；今年5月14日到6月30日，全氟離子膜成功應用於中化集團滄州大化黃驊氯鹼廠、藍星（北京）化工機械廠和東岳集團氯鹼裝置，實現市場化應用和國產化替代。
上世紀60年代，美國杜邦公司開始研發，15年後研發成功。日本旭硝子公司從杜邦交換到部分生產權，但沒有自主知識產權。 30多年來，這一世界尖端技術一直控制在美國、日本兩國手中。
新材料、新能源一直是黨和國家領導人最關注的行業。張建宏告訴科技日報記者，“東岳”全氟離子膜的研發工作受到了黨和國家領導人的高度關注，近3年多來，胡錦濤、溫家寶、李克強、李源潮、萬鋼等黨和國家領導人一直重視“東岳”的“離子膜”研究，親臨現場視察指導。
“我們自主研發的氯鹼離子膜、燃料電池膜、太陽能封裝膜，以及水立方用的ETFE膜，就是政產學研結合的成果。”東岳集團黨委副書記李玉文說，在“東岳”的政產學研結合體系中，政府是第一推動力。東岳氟矽材料產業園區是經國家發改委、山東省政府批准設立的高新技術產業園區，園區佔地5.6平方公里。這些年來，科技部、國家發改委等給予了“東岳”強有力的政策支持，直接資金支持達1.3個億。
“東岳”的離子膜研發與產業化一直牽動著科技部領導的心。張建宏說，全國政協副主席、科技部部長萬鋼，科技部黨組書記、副部長李學勇等非常關注和支持東岳的發展，近年來多次到東岳考察項目進展。
由於離子膜項目事關中國氯鹼產業的自主性，為了明確全氟離子膜項目的可行性，科技部專門派人到“東岳”現場考察，對這個項目給予了肯定和支持：“全氟離子交換膜材料研究”項目被列為國家863計劃重大項目，“全氟離子膜工程技術研究”被列為國家“十一五”科技支撐計劃重大項目。
“東岳”人記得，山東省委、省政府，山東省科技廳主要領導幾次專程到“東岳”調研，親自抓各項政策的落實。 2005年9月8日，山東省政府加快東岳離子膜項目現場辦公會提出，將“東岳”離子膜項目列為山東省高新技術“一號工程”，舉全省之力支持離子膜項目產業化。
這些年來，淄博市委書記劉慧晏、市長周清利等市領導多次到“東岳”現場辦公，協調解決困難。 2006年3月27日，在淄博市科技大會上，淄博市委、市政府獎勵“東岳”科技扶持資金5000萬元。
正是靠著“政產學研”的完美結合，成就了今天的“東岳”。
敢問世間“膜”為何物
離子膜，一個讓人心動的詞，它是中國企業一直想做但卻沒有誰真正做好的事情。
談到“東岳”離子膜，張建宏風趣地說自己是“王婆賣瓜，自賣自誇”。
讓張建宏高興的是論資源優勢，中國氟化工資源得天獨厚。
離子膜的原材料是螢石，螢石主要成分是氟化鈣，屬不可再生的戰略資源，是發展氟化工的源頭。全球螢石資源儲量約6億噸，中國儲量就佔了54%，居全球第一。張建宏解釋說，由於離子膜電解法因兼有環保和節能等特性，採用離子膜電解法是當今世界最先進的燒鹼生產工藝。離子膜電解槽和離子膜是氯鹼裝置的核心裝置，而其中發揮關鍵作用的是安裝在電解槽上的全氟磺酸羧酸離子膜（簡稱全氟離子膜）。
山東東岳集團完成的用於製造氫燃料電池核心材料磺酸樹脂離子膜，年產500噸的生產裝置已經建成投產，解決了氫燃料電池生產的重大瓶頸技術，中國由此成為世界第二個擁有該項技術和產業化能力的國家。
什麼是氫燃料電池：隨著制氫技術的發展，氫燃料電池離我們的生活越來越近。它將為人們創造舒適的生活環境，減輕繁重的生活事務。但願這種清潔方便的新型能源——氫燃料電池早日在人們日常生活中 。氫燃料電池是使用氫這種化學元素，製造成儲存能量的電池。其基本原理是電解水的逆反應，把氫和氧分別供給陰極和陽極，氫通過陰極向外擴散和電解質發生反應後，放出電子通過外部的負載到達陽極。
氫燃料電池汽車發展：氫燃料電池汽車是利用氫氣在燃料電池中與氧氣發生反應，產生出驅動電動機的電力，推動汽車前進。因此，其是電動汽車的一種，而並非傳統的內燃機汽車。目前世界上結構最緊湊、動力強勁的新款燃料電池是通用汽車公司研究的。它的動力密度達到每升1.75千瓦，創造了新的世界紀錄。該電池組的體積為819×140×508毫米（58升），重量為82公斤，持續動力輸出為102千瓦。該電池組還可應付更高的峰值要求，在短時間內提供高達129千瓦的電力。這個尺寸比一般的內燃機還要小。
氫燃料電池汽車的優勢毋庸置疑，劣勢也是顯而易見。隨著科技的進步，曾經困擾氫燃料電池發展的諸如安全性、氫燃料的貯存技術等問題已經逐步攻克並不斷完善，然而成本問題依然是阻礙氫燃料電池車發展的最大瓶頸。目前氫燃料電池的成本是普通汽油機的100倍，這個價格是市場所難以承受的。據悉，這批氫燃料電池車，最大輸出功率高達60千瓦，燃料消耗僅為每百公里1.2公斤氫氣，大約相當於4升93號汽油。
全氟離子膜
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