燃料電池商業化需攻克三種關鍵材料核心技術

前段時間，中華人民共和國國務院總理李克強在日本豐田北海道工廠參觀檢查了氫燃料電池汽車。此舉被解讀為氫燃料電池汽車行業的一個良好信號。一個尷尬的現實是，國外的燃料電池汽車已經量產，但中國的汽車燃料電池仍處于技術驗證階段。中國南方科技大學機械與能源工程系教授王海江指出，中國汽車燃料電池的現狀是，幾乎沒有零部件制造商，沒有汽車電池堆生產公司，只有少數商用燃料電池汽車。燃料電池是“一個團隊”。一般來說，單個燃料電池的電壓較低，而電流較高。在實際應用中，有必要通過串聯連接多個燃料電池來形成電池組，以提高輸出電壓。氫燃料電池的動力源是氫和氧，它們將在燃料電池中開始它們的“幻想”之旅：氫在陽極的催化下被氧化，產生質子和電子；電子確實通過外部電路工作并到達陰極；質子通過質子交換膜從電池內部輸送到陰極，質子和電子在陰極相遇，在催化作用下與氧氣反應生成水。這似乎只是初中化學知識。但事實上，燃料電池的運行是一個系統工程。與普通電池不同，燃料電池更像是發電機——它們“飲用”燃料和氧化劑并發電。因此，燃料電池除了有電堆外，還有燃料供應子系統、氧化劑供應子系統，水熱管理子系統和熱管理與控制系統等。總之，人們是一個團隊在戰斗。“燃料電池汽車是一種新能源汽車，是未來的發展方向之一。”中國科學院大連化學研究所燃料電池研究部主任邵志剛告訴記者，2014年底，日本豐田公司宣布燃料電池汽車商業化；在國內，一切都還處于初級階段。關鍵材料仍然缺乏大規模生產線的車用燃料電池，一般是質子交換膜燃料電池。它有兩個關鍵部件，一個叫做膜電極組件，另一個叫做雙極板。前者實際上由三個兄弟組成：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質子傳輸、反應氣體分離和電子絕緣。它負責“關上門”，將質子放在過去，并阻止電子；催化劑層主要負載催化劑，可以促進氫氣和氧氣在電極上的氧化還原過程并產生電流；氣體擴散層由基層和微孔層組成，對導電性、導熱性和疏水性要求較高。這些關鍵材料決定了燃料電池的壽命和性能。“聰明的女人做飯離不開大米。我們的關鍵材料長期依賴外國。一旦外國禁止銷售，中國的燃料電池行業將沒有物質基礎支持。”清華大學氫燃料電池實驗室主任王成說。事實上，這些材料在中國并非完全沒有，一些實驗室結果甚至達到了國際水平。然而，在沒有大規模生產線的情況下，燃料電池產業鏈仍然受阻。特別是在氣體擴散層的大規模生產技術方面，我國還處于空白。“這是因為氣體擴散層的石墨化過程需要在2000℃以上的高溫下進行制備，但關鍵設備高溫爐技術仍掌握在國外手中。”王成解釋道。要實現材料的大規模生產，我們必須解決一致性和成本控制問題。這與實驗室準備的難度不同。以催化劑為例，王成告訴科技日報記者，目前商業化的燃料電池催化劑仍為鉑基催化劑，實驗室制備水平一般為毫克級，量產技術需要千克級。批量生產應突破三大關鍵技術：一是反應條件的均勻性，確保批量穩定性；

其次，鉑顆粒的納米尺寸控制確保了催化活性的比表面積；三是提高碳載體的穩定性，達到車輛工況下的使用壽命。實驗室結果工業化是一項關鍵技術，需要企業的介入。“長期以來，我國燃料電池的研發主要由高校和研究院所進行。企業持觀望態度，參與較少，加入較晚。”邵志剛所在的大連化工學院從1994年開始進行車用燃料電池的研究。然而，基礎研究和應用之間的脫節使關鍵材料的工業化成為一個障礙。為了實現商業化，有必要加強和修復這條鏈條。王海江此次回國，帶著團隊多年在燃料電池領域的深厚經驗，在深圳打造燃料電池產業鏈。首先是南科燃料電池有限公司有限公司，主要從事煙囪關鍵部件的生產、煙囪集成和測試。然而，如果煙囪的原材料需要從國外進口，成本太高。因此，該團隊成立了另一家公司，專注于氣體擴散層、質子交換膜和催化劑三種關鍵材料的國產化。“到那時，燃料電池的成本可以降低三分之一。”王海江說。目前，中國的電抗器和產業鏈企業數量正在逐步增加。預計2018年國內電抗器產能將超過40萬千瓦。“近年來，純電動汽車取得了巨大進步，為燃料電池的應用創造了非常好的條件。”王成說，“此時，我們需要專注于燃料電池核心創新。”要打破發達國家長期的技術壟斷，就需要加大對燃料電池核心材料產業化的投資。受訪專家指出，燃料電池產業鏈“非常長”，涉及氫能系統、燃料電池發電系統和汽車等終端產品。“國內零部件、氫能基礎設施和標準規范仍不完善。要強鏈補鏈，帶動新材料、新能源和高端汽車裝備的制造業增長，加快燃料電池的商業化。”王成強調。前段時間，中華人民共和國國務院總理李克強在日本豐田北海道工廠參觀檢查了氫燃料電池汽車。此舉被解讀為氫燃料電池汽車行業的一個良好信號。一個尷尬的現實是，國外的燃料電池汽車已經量產，但中國的汽車燃料電池仍處于技術驗證階段。中國南方科技大學機械與能源工程系教授王海江指出，中國汽車燃料電池的現狀是，幾乎沒有零部件制造商，沒有汽車電池堆生產公司，只有少數商用燃料電池汽車。燃料電池是“一個團隊”。一般來說，單個燃料電池的電壓較低，而電流較高。在實際應用中，有必要通過串聯連接多個燃料電池來形成電池組，以提高輸出電壓。氫燃料電池的動力源是氫和氧，它們將在燃料電池中開始它們的“幻想”之旅：氫在陽極的催化下被氧化，產生質子和電子；電子確實通過外部電路工作并到達陰極；

質子通過質子交換膜從電池內部輸送到陰極，質子和電子在陰極相遇，在催化作用下與氧氣反應生成水。這似乎只是初中化學知識。但事實上，燃料電池的運行是一個系統工程。與普通電池不同，燃料電池更像是發電機——它們“飲用”燃料和氧化劑并發電。因此，燃料電池除了有電堆外，還有燃料供應子系統、氧化劑供應子系統，水熱管理子系統和熱管理與控制系統等。總之，人們是一個團隊在戰斗。“燃料電池汽車是一種新能源汽車，是未來的發展方向之一。”中國科學院大連化學研究所燃料電池研究部主任邵志剛告訴記者，2014年底，日本豐田公司宣布燃料電池汽車商業化；在國內，一切都還處于初級階段。關鍵材料仍然缺乏大規模生產線的車用燃料電池，一般是質子交換膜燃料電池。它有兩個關鍵部件，一個叫做膜電極組件，另一個叫做雙極板。前者實際上由三個兄弟組成：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質子傳輸、反應氣體分離和電子絕緣。它負責“關上門”，將質子放在過去，并阻止電子；催化劑層主要負載催化劑，可以促進氫氣和氧氣在電極上的氧化還原過程并產生電流；氣體擴散層由基層和微孔層組成，對導電性、導熱性和疏水性要求較高。這些關鍵材料決定了燃料電池的壽命和性能。“聰明的女人做飯離不開大米。我們的關鍵材料長期依賴外國。一旦外國禁止銷售，中國的燃料電池行業將沒有物質基礎支持。”清華大學氫燃料電池實驗室主任王成說。事實上，這些材料在中國并非完全沒有，一些實驗室結果甚至達到了國際水平。然而，在沒有大規模生產線的情況下，燃料電池產業鏈仍然受阻。特別是在氣體擴散層的大規模生產技術方面，我國還處于空白。“這是因為氣體擴散層的石墨化過程需要在2000℃以上的高溫下進行制備，但關鍵設備高溫爐技術仍掌握在國外手中。”王成解釋道。要實現材料的大規模生產，我們必須解決一致性和成本控制問題。這與實驗室準備的難度不同。以催化劑為例，王成告訴科技日報記者，目前商業化的燃料電池催化劑仍為鉑基催化劑，實驗室制備水平一般為毫克級，量產技術需要千克級。批量生產應突破三大關鍵技術：一是反應條件的均勻性，確保批量穩定性；其次，鉑顆粒的納米尺寸控制確保了催化活性的比表面積；

三是提高碳載體的穩定性，達到車輛工況下的使用壽命。實驗室結果工業化是一項關鍵技術，需要企業的介入。“長期以來，我國燃料電池的研發主要由高校和研究院所進行。企業持觀望態度，參與較少，加入較晚。”邵志剛所在的大連化工學院從1994年開始進行車用燃料電池的研究。然而，基礎研究和應用之間的脫節使關鍵材料的工業化成為一個障礙。為了實現商業化，有必要加強和修復這條鏈條。王海江此次回國，帶著團隊多年在燃料電池領域的深厚經驗，在深圳打造燃料電池產業鏈。首先是南科燃料電池有限公司有限公司，主要從事煙囪關鍵部件的生產、煙囪集成和測試。然而，如果煙囪的原材料需要從國外進口，成本太高。因此，該團隊成立了另一家公司，專注于氣體擴散層、質子交換膜和催化劑三種關鍵材料的國產化。“到那時，燃料電池的成本可以降低三分之一。”王海江說。目前，中國的電抗器和產業鏈企業數量正在逐步增加。預計2018年國內電抗器產能將超過40萬千瓦。“近年來，純電動汽車取得了巨大進步，為燃料電池的應用創造了非常好的條件。”王成說，“此時，我們需要專注于燃料電池核心創新。”要打破發達國家長期的技術壟斷，就需要加大對燃料電池核心材料產業化的投資。受訪專家指出，燃料電池產業鏈“非常長”，涉及氫能系統、燃料電池發電系統和汽車等終端產品。“國內零部件、氫能基礎設施和標準規范仍不完善。要強鏈補鏈，帶動新材料、新能源和高端汽車裝備的制造業增長，加快燃料電池的商業化。”王成強調。

標簽：豐田

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