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淺析燃料電池:少了三種關鍵材料商業化難成

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系教授王海江指出,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,只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并在催化作用下與氧反應生成水。

看起來似乎只是初中化學知識。但實際上,燃料電池的運作,是一個系統工程。

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系統,氧化劑供應子系統,水熱管理子系統以及熱管理和控制系統……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志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,一切尚處于起步階段。

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并產生電流;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,這些材料我國并非完全沒有,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面,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℃以上的高溫才能制備,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制問題。它和實驗室制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,實驗室制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制,確保催化活性比表面積;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。”邵志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。于是,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”,涉及到氫能系統、燃料電池發電系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范還不健全,需要強鏈、補鏈,帶動新材料、新能源、汽車高端裝備制造成長,才能促進燃料電池商業化提速。”王誠強調。

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