衣寶廉：燃料電池和全釩液流電池在儲(chǔ)能領(lǐng)域應(yīng)用前景光明

時(shí)間回溯到20世紀(jì)90年代初，由于全球石油資源供應(yīng)日趨緊張，國(guó)際社會(huì)重新掀起了燃料電池的研發(fā)熱潮，曾參加和領(lǐng)導(dǎo)我國(guó)航天飛船“曙光一號(hào)”主電源燃料電池研究工作的衣寶廉研究員敏銳地覺(jué)察到燃料電池全新的發(fā)展機(jī)會(huì)終于來(lái)了，他開(kāi)始全力推進(jìn)中國(guó)科學(xué)院重大任務(wù)和科技部“九五”攻關(guān)任務(wù)——燃料電池技術(shù)的啟動(dòng)。20余年過(guò)去了，在衣院士的主持下，1996年，我國(guó)第一臺(tái)質(zhì)子交換膜燃料電池達(dá)到了國(guó)際同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平;2008年和2010年，具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的燃料電池汽車作為北京奧運(yùn)會(huì)和上海世博會(huì)綠色運(yùn)輸服務(wù)用車;如今，他又對(duì)全釩液流電池表現(xiàn)出了濃厚的興趣。帶著對(duì)燃料電池和全釩液流電池在儲(chǔ)能領(lǐng)域應(yīng)用前景的疑問(wèn)我們采訪了這位年逾古稀卻精神矍鑠、充滿工作激情的學(xué)界老前輩。

記者：衣院士，您二十年如一日地研究燃料電池，請(qǐng)您介紹一下當(dāng)初為什么選擇了這個(gè)研究方向?燃料電池有哪些優(yōu)缺點(diǎn)，我國(guó)目前的研究現(xiàn)狀如何，與國(guó)外相比還有哪些技術(shù)亟待突破?

衣院士：20世紀(jì)60年代末，國(guó)家航天計(jì)劃需要高比能量的燃料電池，我因?yàn)槌錾砗?，又是研究生，陪領(lǐng)導(dǎo)到北京承接了航天用燃料電池研究任務(wù)，盡管后來(lái)總?cè)蝿?wù)下馬，但我已進(jìn)行近十年燃料電池的研究，堅(jiān)信這一高效的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)對(duì)國(guó)家有用，就繼續(xù)進(jìn)行研究。

燃料電池的突出優(yōu)點(diǎn)是能量轉(zhuǎn)化效率高(高達(dá)60%～70%)，系統(tǒng)具有高的比能量，如采用液氫、液氧作燃料的堿性電池系統(tǒng)，比能量可達(dá)1 kW/kg。我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的燃料電池車已成功在2008年北京奧運(yùn)會(huì)、2010年上海世博會(huì)和美國(guó)加州示范運(yùn)行，證明我國(guó)研發(fā)的車用燃料電池系統(tǒng)已達(dá)到世界先進(jìn)水平;但電池的可靠性和耐久性與世界先進(jìn)水平相比還有差距。我們要深入研究電池衰減機(jī)理，改進(jìn)材料和部件的可靠性以及耐久性，優(yōu)化控制策略，力爭(zhēng)在可靠性和耐久性方面盡快趕上世界先進(jìn)水平。同時(shí)應(yīng)協(xié)力攻關(guān)，大幅度降低電池貴金屬鉑的用量，早日實(shí)現(xiàn)燃料電池車的大規(guī)模示范運(yùn)行。

記者：燃料電池的應(yīng)用領(lǐng)域有哪些?如果成本能夠下降，它是否能在儲(chǔ)能市場(chǎng)大展身手?降低成本的關(guān)鍵技術(shù)是什么?

衣院士：燃料電池由于成本高，首先在軍工和特種領(lǐng)域成功獲得應(yīng)用，如美國(guó)的阿波羅登月，航天飛機(jī)和德國(guó)AIP-潛艇。在汽車和民用發(fā)電領(lǐng)域正在進(jìn)行示范，但由于車用燃料電池鉑用量高達(dá) 0.8 g/kW，民用發(fā)電的MCFC(熔融碳酸鹽燃料電池)和PAFC(磷酸型燃料電池)的壽命達(dá)不到4萬(wàn)小時(shí)，也僅能在特殊領(lǐng)域應(yīng)用。因此降低電池成本，特別是低溫質(zhì)子交換膜燃料電池的鉑用量，提高各種電池的可靠性和耐久性是研究的永恒課題。我建議依據(jù)不同的應(yīng)用要求，利用已有科研成果，開(kāi)發(fā)廉價(jià)燃料電池。這種廉價(jià)燃料電池關(guān)鍵技術(shù)是非鉑電催化劑，采用廉價(jià)膜的膜電極三合一與廉價(jià)雙極板。

燃料電池進(jìn)入儲(chǔ)能領(lǐng)域的技術(shù)難點(diǎn)：一是上述的高成本，二是由于氧電極的不可逆性，雖然燃料電池發(fā)電效率高達(dá)60%～70%，但總的儲(chǔ)能效率在40%～60%，降低了燃料電池用于儲(chǔ)能的競(jìng)爭(zhēng)力。目前在這方面的研究熱點(diǎn)是利用SOFC(固體氧化物燃料電池)技術(shù)的高溫水電解和利用PEMFC(質(zhì)子交換膜燃料電池)的高壓水電解，目的均是提高系統(tǒng)的總效率。探索可逆氧電極和電催化劑是低溫燃料電池永恒的課題。

記者：衣院士，您除了研究燃料電池外還涉足了全釩液流電池領(lǐng)域，而全釩液流電池在儲(chǔ)能領(lǐng)域的示范項(xiàng)目已開(kāi)展，請(qǐng)您談?wù)勊膽?yīng)用前景如何?與其它儲(chǔ)能技術(shù)相比有何優(yōu)劣?我國(guó)目前的研究如何?

衣院士：中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所(簡(jiǎn)稱大連化物所)對(duì)儲(chǔ)能一直十分關(guān)注。在燃料電池技術(shù)基礎(chǔ)上，我“七五”期間開(kāi)展了Fe-Cr液流電池研究，組裝了1 kW的電池系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)的主要問(wèn)題有：隨循環(huán)次數(shù)增多，鉻電極極化增大，并出現(xiàn)鐵鉻互混現(xiàn)象。20世紀(jì)90年代中后期，我又安排博士后進(jìn)行多硫化鈉-溴液流電池研究，盡管該電池國(guó)外已建設(shè)示范儲(chǔ)能電站，但物質(zhì)互混是影響電池發(fā)展的最大技術(shù)問(wèn)題。同時(shí)，從日本引進(jìn)的張華民研究員安排研究生開(kāi)展全釩液流電池的研究，全釩液流電池的最大優(yōu)勢(shì)是不存在物質(zhì)互混，而電解液中釩價(jià)態(tài)的調(diào)控通過(guò)加入輔助電極很易實(shí)施。全釩液流電池電堆決定功率輸出，儲(chǔ)罐大小決定儲(chǔ)能量，二者可分開(kāi)設(shè)計(jì)，有利于用戶選擇。又因?yàn)殡姸训碾娊庖呵皇液苄。瑑?chǔ)存的氧化劑和還原劑有限，即使分離膜破碎，只要關(guān)閉電解液循環(huán)泵，就不會(huì)發(fā)生爆炸、著火等事故，即這種電池很安全。我認(rèn)為液流電池在儲(chǔ)能領(lǐng)域大有用武之地，前景很好!在張華民研究員的帶領(lǐng)下，經(jīng)過(guò)十多年的拼搏，我國(guó)的液流電池技術(shù)已處于國(guó)際領(lǐng)先地位。

從儲(chǔ)能應(yīng)用來(lái)說(shuō)，全釩液流電池與鋰離子二次電池相比，其最大優(yōu)點(diǎn)是安全，最大不足是效率比鋰離子二次電池低，系統(tǒng)復(fù)雜。因此，對(duì)液流電池，應(yīng)開(kāi)發(fā)水平衡、價(jià)態(tài)調(diào)控等控制策略;采用模塊化、機(jī)電一體化，開(kāi)發(fā)全塑料電解液循環(huán)泵等;提高電池系統(tǒng)的可靠性和耐久性;降低系統(tǒng)的漏電電流和電池極化，特別是采用電極-極板一體化來(lái)降低電池歐姆極化，提高電池和電池系統(tǒng)的效率，達(dá)到可與鋰離子二次電池比高下的狀態(tài)。

記者：衣院士，在資源與環(huán)境壓力日益增大的今天，儲(chǔ)能技術(shù)有何現(xiàn)實(shí)意義和重要性?國(guó)家、科研人員、產(chǎn)業(yè)界應(yīng)如何推動(dòng)這一領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步與產(chǎn)業(yè)繁榮?

衣院士：儲(chǔ)能在發(fā)展風(fēng)能、太陽(yáng)能與提高電網(wǎng)的安全性方面均有重要作用。在應(yīng)對(duì)環(huán)境污染、提高可再生能源利用比例、減少中心城市的用煤量、治理霧霾等領(lǐng)域均能發(fā)揮重要作用。國(guó)家應(yīng)大力支持儲(chǔ)能電池的發(fā)展，特別要提高儲(chǔ)能用鋰離子電池的安全性，提高全釩液流電池的可靠性、耐久性和總效率的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究。研究建議按官、產(chǎn)、學(xué)、研相結(jié)合的促進(jìn)方式進(jìn)行，利于企業(yè)界進(jìn)入這一有前途、利國(guó)利民的行業(yè)。

人物簡(jiǎn)介

衣寶廉，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員，大連新源動(dòng)力股份有限公司名譽(yù)董事長(zhǎng)， “十五”、“十一五”國(guó)家“863”《電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)》專家組成員和燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)責(zé)任專家。2003年當(dāng)選為中國(guó)工程院院士。

衣寶廉院士主要從事化學(xué)能與電能的相互轉(zhuǎn)化及其相關(guān)領(lǐng)域的研究與開(kāi)發(fā)。20世紀(jì)70年代參加并領(lǐng)導(dǎo)了航天堿性燃料電池系統(tǒng)的研究;80年代將燃料電池技術(shù)應(yīng)用于水溶液電解工業(yè)節(jié)能和電化學(xué)傳感器;90年代作為科技部“九五”攻關(guān)和中科院重大項(xiàng)目“燃料電池技術(shù)”的負(fù)責(zé)人，組織領(lǐng)導(dǎo)了質(zhì)子交換膜燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池的研究，在質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)方面取得突破性進(jìn)展并形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán);積極推動(dòng)大連化物所與國(guó)內(nèi)企業(yè)聯(lián)合成立了新源動(dòng)力股份有限公司，開(kāi)發(fā)批量生產(chǎn)技術(shù)并開(kāi)拓市場(chǎng);“十五”期間與燃料電池工程中心和新源動(dòng)力股份有限公司的領(lǐng)導(dǎo)一起，組織進(jìn)行30～100 kW車用燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的研制。

衣寶廉院士先后獲得國(guó)家和省部級(jí)獎(jiǎng)7項(xiàng)，專利22件，在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物發(fā)表論文124篇。撰寫出版了燃料電池專著《燃料電池——原理、技術(shù)與應(yīng)用》。先后培養(yǎng)了博士后、博士和碩士40名。