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少了三种关键材料,燃料电池商业化难成文章

作者:  2018年06月14日   来源:科技日报    

  一个有些尴尬的现实是,国外的燃料电池车已实现量产,但我国车用燃料电池还处在技术验证阶段。南方科技大学机械与能源工程系教授王海江指出,我国车用燃料电池的现状是——几乎无部件生产商,无车用电堆生产公司,只有极少量商业运行燃料电池车。

  燃料电池是“一支队伍”

  一般来说,单节燃料电池的电压偏低、电流偏大,在实际应用中需要由多节燃料电池串联形成电堆,以提升输出电压。

  氢燃料电池的动力来源是氢气和氧气,两者会在燃料电池中开始它们的“奇幻”旅程:氢在阳极催化作用下氧化,生成质子和电子;电子经外电路做功,到达阴极;而质子通过质子交换膜从电池内部传输到阴极,质子与电子在阴极汇合并在催化作用下与氧反应生成水。

  看起来似乎只是初中化学知识。但实际上,燃料电池的运作,是一个系统工程。

  燃料电池不像普通蓄电池,反而更像发电机——把燃料和氧化剂“喝”进去,将电发出来。所以,除了电堆,燃料电池还有燃料供应子系统,氧化剂供应子系统,水热管理子系统以及热管理和控制系统……总之,人家是团队作战。

  “燃料电池车是新能源车的一种,它是未来的发展方向之一。”中科院大连化物所燃料电池研究部部长邵志刚告诉科技日报记者,2014年年底,日本丰田公司宣布实现燃料电池车的商业化;而在国内,一切尚处于起步阶段。

  关键材料还缺批量生产线

  车用燃料电池,一般为质子交换膜燃料电池。

  它有两大关键部件,一个叫膜电极组件,一个叫双极板。前者其实是由“三兄弟”构成:质子交换膜、催化层和气体扩散层。

  质子交换膜的主要功能是传输质子,分隔反应气体以及电子绝缘。它负责“把门”,把质子放过去,把电子拦下来;催化层主要搭载的是催化剂,催化剂可以促进氢、氧在电极上的氧化还原过程并产生电流;气体扩散层则由基底层和微孔层组成,它要求具有高导电性、导热性和疏水性。

  这些关键材料,决定着燃料电池的寿命和性能。

  “巧妇难为无米之炊。我们的关键材料长期依赖国外,一旦国外禁售,我国的燃料电池产业便没有了材料基础支撑。”清华大学氢燃料电池实验室主任王诚说。

  其实,这些材料我国并非完全没有,有些实验室成果甚至已达到国际水平。但是,没有批量生产线,燃料电池产业链依然梗阻。特别是在气体扩散层量产技术方面,我国还是空白。“这是因为气体扩散层的石墨化工序需要经过2000℃以上的高温才能制备,但关键设备高温炉技术还掌握在国外手中。”王诚解释。

  要实现材料的批量生产,就得解决一致性和成本控制问题。它和实验室制备的难度不可同日而语。以催化剂为例,王诚告诉科技日报记者,目前商用的燃料电池催化剂仍是铂基催化剂,实验室制备水平一般为毫克级,量产技术需公斤级水平。批量生产要突破三项关键技术:一是反应条件的均一,确保批次稳定性;二是铂颗粒纳米尺寸控制,确保催化活性比表面积;三是提升碳载体的稳定性,达到车用工况下的使用寿命。

  将实验室成果进行工业化放大是一项关键技术,需要企业介入。“长期以来,我国燃料电池的研发主要由高校和科研院所进行。企业持观望态度,参与得少,加入得晚。”邵志刚所在的大连化物所从1994年就开始开展车用燃料电池研究。但基础研究和应用之间的断裂,使得关键材料的工业化成为一道坎。

  要商业化,还得强链、补链

  王海江此番回国,就是想带着在燃料电池领域深耕多年的经验,和团队在深圳建成燃料电池产业链。

  先有了南科燃料电池有限公司,主要做电堆关键部分生产、电堆集成和测试。但如果电堆原材料均需从国外进口,成本太高。于是,团队又成立了一家公司,主攻气体扩散层、质子交换膜和催化剂三种关键材料的国产化。“到时,燃料电池的成本能下降三分之一。”王海江说。

  目前,我国电堆及产业链企业数量逐渐增长,预计2018年国内电堆产能将超过40万kW。“纯电动汽车近几年有很大进步,为燃料电池的应用创造了非常好的条件。”王诚表示,“此时,我们就更需要聚焦燃料电池内核创新。”

  要打破发达国家的长期技术垄断,就得加大对燃料电池核心材料产业化的投入。接受采访的专家均指出,燃料电池产业链“非常长”,涉及到氢能系统、燃料电池发电系统以及汽车等终端产品。“国内零部件、氢基础设施以及标准规范还不健全,需要强链、补链,带动新材料、新能源、汽车高端装备制造成长,才能促进燃料电池商业化提速。”王诚强调。

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