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少了三种关键材料 燃料电池商业化难成文章

2018-06-14 07:54 来源:科技日报

  前段时间,国务院总理李克强在日本丰田汽车北海道工厂参观考察了氢燃料电池车。这一举动,被解读为对氢燃料电池车产业释放出利好信号。

  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。

(责任编辑:王蔚)

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