少了三種關(guān)鍵材料 燃料電池商業(yè)化難成

一個(gè)有些尷尬的現(xiàn)實(shí)是,國外的燃料電池車已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn),但我國車用燃料電池還處在技術(shù)驗(yàn)證階段。南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系教授王海江指出,我國車用燃料電池的現(xiàn)狀是——幾乎無部件生產(chǎn)商,無車用電堆生產(chǎn)公司,只有極少量商業(yè)運(yùn)行燃料電池車。

燃料電池是“一支隊(duì)伍”

一般來說,單節(jié)燃料電池的電壓偏低、電流偏大,在實(shí)際應(yīng)用中需要由多節(jié)燃料電池串聯(lián)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(zhì)子和電子;電子經(jīng)外電路做功,到達(dá)陰極;而質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜從電池內(nèi)部傳輸?shù)疥帢O,質(zhì)子與電子在陰極匯合并在催化作用下與氧反應(yīng)生成水。

看起來似乎只是初中化學(xué)知識。但實(shí)際上,燃料電池的運(yùn)作,是一個(gè)系統(tǒng)工程。

燃料電池不像普通蓄電池,反而更像發(fā)電機(jī)——把燃料和氧化劑“喝”進(jìn)去,將電發(fā)出來。所以,除了電堆,燃料電池還有燃料供應(yīng)子系統(tǒng),氧化劑供應(yīng)子系統(tǒng),水熱管理子系統(tǒng)以及熱管理和控制系統(tǒng)……總之,人家是團(tuán)隊(duì)作戰(zhàn)。

“燃料電池車是新能源車的一種,它是未來的發(fā)展方向之一?！敝锌圃捍筮B化物所燃料電池研究部部長邵志剛告訴科技日報(bào)記者,2014年年底,日本豐田公司宣布實(shí)現(xiàn)燃料電池車的商業(yè)化;而在國內(nèi),一切尚處于起步階段。

關(guān)鍵材料還缺批量生產(chǎn)線

車用燃料電池,一般為質(zhì)子交換膜燃料電池。

它有兩大關(guān)鍵部件,一個(gè)叫膜電極組件,一個(gè)叫雙極板。前者其實(shí)是由“三兄弟”構(gòu)成:質(zhì)子交換膜、催化層和氣體擴(kuò)散層。

質(zhì)子交換膜的主要功能是傳輸質(zhì)子,分隔反應(yīng)氣體以及電子絕緣。它負(fù)責(zé)“把門”,把質(zhì)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(jìn)氫、氧在電極上的氧化還原過程并產(chǎn)生電流;氣體擴(kuò)散層則由基底層和微孔層組成,它要求具有高導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和疏水性。

這些關(guān)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(guān)鍵材料長期依賴國外,一旦國外禁售,我國的燃料電池產(chǎn)業(yè)便沒有了材料基礎(chǔ)支撐。”清華大學(xué)氫燃料電池實(shí)驗(yàn)室主任王誠說。

其實(shí),這些材料我國并非完全沒有,有些實(shí)驗(yàn)室成果甚至已達(dá)到國際水平。但是,沒有批量生產(chǎn)線,燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈依然梗阻。特別是在氣體擴(kuò)散層量產(chǎn)技術(shù)方面,我國還是空白?！斑@是因?yàn)闅怏w擴(kuò)散層的石墨化工序需要經(jīng)過2000℃以上的高溫才能制備,但關(guān)鍵設(shè)備高溫爐技術(shù)還掌握在國外手中?！蓖跽\解釋。

要實(shí)現(xiàn)材料的批量生產(chǎn),就得解決一致性和成本控制問題。它和實(shí)驗(yàn)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(bào)記者,目前商用的燃料電池催化劑仍是鉑基催化劑,實(shí)驗(yàn)室制備水平一般為毫克級,量產(chǎn)技術(shù)需公斤級水平。批量生產(chǎn)要突破三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù):一是反應(yīng)條件的均一,確保批次穩(wěn)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(wěn)定性,達(dá)到車用工況下的使用壽命。

將實(shí)驗(yàn)室成果進(jìn)行工業(yè)化放大是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),需要企業(yè)介入?！伴L期以來,我國燃料電池的研發(fā)主要由高校和科研院所進(jìn)行。企業(yè)持觀望態(tài)度,參與得少,加入得晚?！鄙壑緞偹诘拇筮B化物所從1994年就開始開展車用燃料電池研究。但基礎(chǔ)研究和應(yīng)用之間的斷裂,使得關(guān)鍵材料的工業(yè)化成為一道坎。

要商業(yè)化,還得強(qiáng)鏈、補(bǔ)鏈

王海江此番回國,就是想帶著在燃料電池領(lǐng)域深耕多年的經(jīng)驗(yàn),和團(tuán)隊(duì)在深圳建成燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈。

先有了南科燃料電池有限公司,主要做電堆關(guān)鍵部分生產(chǎn)、電堆集成和測試。但如果電堆原材料均需從國外進(jìn)口,成本太高。于是,團(tuán)隊(duì)又成立了一家公司,主攻氣體擴(kuò)散層、質(zhì)子交換膜和催化劑三種關(guān)鍵材料的國產(chǎn)化。“到時(shí),燃料電池的成本能下降三分之一?！蓖鹾＝f。

目前,我國電堆及產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)數(shù)量逐漸增長,預(yù)計(jì)2018年國內(nèi)電堆產(chǎn)能將超過40萬kW?！凹冸妱悠嚱鼛啄暧泻艽筮M(jìn)步,為燃料電池的應(yīng)用創(chuàng)造了非常好的條件?！蓖跽\表示,“此時(shí),我們就更需要聚焦燃料電池內(nèi)核創(chuàng)新?！?/p>

要打破發(fā)達(dá)國家的長期技術(shù)壟斷,就得加大對燃料電池核心材料產(chǎn)業(yè)化的投入。接受采訪的專家均指出,燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈“非常長”,涉及到氫能系統(tǒng)、燃料電池發(fā)電系統(tǒng)以及汽車等終端產(chǎn)品。“國內(nèi)零部件、氫基礎(chǔ)設(shè)施以及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范還不健全,需要強(qiáng)鏈、補(bǔ)鏈,帶動新材料、新能源、汽車高端裝備制造成長,才能促進(jìn)燃料電池商業(yè)化提速?！蓖跽\強(qiáng)調(diào)。

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