少了三種關鍵材料,燃料電池商業化難成文章 | 亟待攻克的核心技術 - 今日頭條

少了三種關鍵材料,燃料電池商業化難成文章 | 亟待攻克的核心技術

來源:鳳凰新聞 2018-06-14 12:20:15

科技日報記者 張蓋倫

前段時間,國務院總理李克強在日本豐田汽車北海道工廠參觀考察了氫燃料電池車。這一舉動,被解讀為對氫燃料電池車產業釋放出利好信號。

一個有些尷尬的現實是,國外的燃料電池車已實現量產,但我國車用燃料電池還處在技術驗證階段。南方科技大學機械與能源工程係教授王海江指出,我國車用燃料電池的現狀是——幾乎無部件生產商,無車用電堆生產公司,隻有極少量商業運行燃料電池車。

燃料電池是“一支隊伍”

一般來說,單節燃料電池的電壓偏低、電流偏大,在實際應用中需要由多節燃料電池串聯形成電堆,以提升輸出電壓。

氫燃料電池的動力來源是氫氣和氧氣,兩者會在燃料電池中開始它們的“奇幻”旅程:氫在陽極催化作用下氧化,生成質子和電子;電子經外電路做功,到達陰極;而質子通過質子交換膜從電池內部傳輸到陰極,質子與電子在陰極匯合並在催化作用下與氧反應生成水。

看起來似乎隻是初中化學知識。但實際上,燃料電池的運作,是一個係統工程。

燃料電池不像普通蓄電池,反而更像發電機——把燃料和氧化劑“喝”進去,將電發出來。所以,除了電堆,燃料電池還有燃料供應子係統,氧化劑供應子係統,水熱管理子係統以及熱管理和控製係統……總之,人家是團隊作戰。

“燃料電池車是新能源車的一種,它是未來的發展方向之一。”中科院大連化物所燃料電池研究部部長邵誌剛告訴科技日報記者,2014年年底,日本豐田公司宣布實現燃料電池車的商業化;而在國內,一切尚處於起步階段。

關鍵材料還缺批量生產線

車用燃料電池,一般為質子交換膜燃料電池。

它有兩大關鍵部件,一個叫膜電極組件,一個叫雙極板。前者其實是由“三兄弟”構成:質子交換膜、催化層和氣體擴散層。

質子交換膜的主要功能是傳輸質子,分隔反應氣體以及電子絕緣。它負責“把門”,把質子放過去,把電子攔下來;催化層主要搭載的是催化劑,催化劑可以促進氫、氧在電極上的氧化還原過程並產生電流;氣體擴散層則由基底層和微孔層組成,它要求具有高導電性、導熱性和疏水性。

這些關鍵材料,決定著燃料電池的壽命和性能。

“巧婦難為無米之炊。我們的關鍵材料長期依賴國外,一旦國外禁售,我國的燃料電池產業便沒有了材料基礎支撐。”清華大學氫燃料電池實驗室主任王誠說。

其實,這些材料我國並非完全沒有,有些實驗室成果甚至已達到國際水平。但是,沒有批量生產線,燃料電池產業鏈依然梗阻。特別是在氣體擴散層量產技術方麵,我國還是空白。“這是因為氣體擴散層的石墨化工序需要經過2000℃以上的高溫才能製備,但關鍵設備高溫爐技術還掌握在國外手中。”王誠解釋。

要實現材料的批量生產,就得解決一致性和成本控製問題。它和實驗室製備的難度不可同日而語。以催化劑為例,王誠告訴科技日報記者,目前商用的燃料電池催化劑仍是鉑基催化劑,實驗室製備水平一般為毫克級,量產技術需公斤級水平。批量生產要突破三項關鍵技術:一是反應條件的均一,確保批次穩定性;二是鉑顆粒納米尺寸控製,確保催化活性比表麵積;三是提升碳載體的穩定性,達到車用工況下的使用壽命。

將實驗室成果進行工業化放大是一項關鍵技術,需要企業介入。“長期以來,我國燃料電池的研發主要由高校和科研院所進行。企業持觀望態度,參與得少,加入得晚。”邵誌剛所在的大連化物所從1994年就開始開展車用燃料電池研究。但基礎研究和應用之間的斷裂,使得關鍵材料的工業化成為一道坎。

要商業化,還得強鏈、補鏈

王海江此番回國,就是想帶著在燃料電池領域深耕多年的經驗,和團隊在深圳建成燃料電池產業鏈。

先有了南科燃料電池有限公司,主要做電堆關鍵部分生產、電堆集成和測試。但如果電堆原材料均需從國外進口,成本太高。於是,團隊又成立了一家公司,主攻氣體擴散層、質子交換膜和催化劑三種關鍵材料的國產化。“到時,燃料電池的成本能下降三分之一。”王海江說。

目前,我國電堆及產業鏈企業數量逐漸增長,預計2018年國內電堆產能將超過40萬kW。“純電動汽車近幾年有很大進步,為燃料電池的應用創造了非常好的條件。”王誠表示,“此時,我們就更需要聚焦燃料電池內核創新。”

要打破發達國家的長期技術壟斷,就得加大對燃料電池核心材料產業化的投入。接受采訪的專家均指出,燃料電池產業鏈“非常長”,涉及到氫能係統、燃料電池發電係統以及汽車等終端產品。“國內零部件、氫基礎設施以及標準規範還不健全,需要強鏈、補鏈,帶動新材料、新能源、汽車高端裝備製造成長,才能促進燃料電池商業化提速。”王誠強調。

來源:科技日報

編輯:陳小柒

審核:管晶晶

點擊查看原文

相關鏈接