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我国氢燃料电池研究获重大突破

2019-10-09   点击量:35

日前,国家电投集团中央研究院的控股子公司——国家电投集团氢能科技发展有限公司(以下简称氢能公司)总师柴茂荣博士带领的科研团队,在燃料电池开发领域取得重大突破:实现了燃料电池技术的自主化、能够对标世界上最先进的技术、同时将成本控制到了最低。我国氢能源燃料电池的研究又向前迈出了一大步。


与电能相比,氢能是更为理想的二次能源


社会得到高度发展的同时,现代人对于环境保护以及节能的意识越来越强。新的时代背景下,传统燃油汽车逐渐会被淘汰,以新能源为主要动力的汽车将成为新的市场宠儿,其中,氢燃料电池汽车与动力电池汽车最受关注。2018年5月份,丰田北海道生产线的一台Mirai氢燃料电池车以"加氢3分钟,续航600公里"的标签掀起了一阵关于氢燃料电池与动力电池哪个更有前景的讨论。毕竟电动汽车"快充20分钟,续航300公里"就已经算得上是业内翘楚。


数据面前,似乎氢燃料电池是更加被看好的那个。与动力电池相比,氢能源电池有着以下几点较为突出的优势。第一,氢能实现可再生电能到能源系统的大规模集成。比如风能电、太阳能电,直接上电网就可以用来生产氢,再通过氢能发动机发电,在军事、工程抢险以及在汽车上都能够得到运用;第二,氢允许跨地域和跨季节的能源分配,并能够为能源系统的弹性提供缓冲。而这个是电能不能做到的;第三,动力电池汽车一般适用于短距离运输和轻型车辆,而氢燃料电池汽车则能够以更轻的重量储存更多的能量,更加适合重载和长距离运输。


世界各国相继投入研发,对氢能的研究成一大趋势。


近年来,氢能作为一种清洁、高效、安全以及可持续的新型能源,越来越受到重视,世界上很多国家尤其是发达国家纷纷确立了氢能发展战略,对氢能的研究成了世界范围内的一大趋势。日本明确将"推进氢能社会"作为国家战略;美国政府成立了氢能与燃料电池办公室,并且开始实施H2USA氢能基础设施计划;德国开展Power-to-Gas(P2G)示范项目,并开始实施H2Mobility等计划;英国制定了H2MobilityRoadmap路线图;欧盟则开展了燃料电池与氢能联合项目(FCH2JU)。


近年来我国也在大力加强氢能开发战略布局。2016年氢能产业正式成为《"十三五"国家战略性新兴产业发展规划》8项发展任务之一,而作为氢能开发的关键一环燃料电池技术的开发和推广尤其受到关注;2017年氢能公司成立,该公司作为国家电控集团中央研究院的控股子公司,主要负责开展以氢燃料电池为核心的氢能关键技术开发与产业化研究;2018年2月11日,中国氢能源及燃料电池产业创新战略联盟在京成立,这是一个跨学科、跨行业、跨部门的国家级氢能产业联盟,标志着发展氢能及燃料电池产业已经达成"国家共识"。而在国家政策的扶持下,在众多科研人员不断地努力研究下,我国对于氢能源的研究取得了非常大的进展。


本次新燃料电池的三大优点:


首先就是实现了燃料电池技术的自动化。资料显示,以往我国燃料电池的研发要么是从国外购入核心技术,要么就是从不同国家购买零部件,然后运用国外的技术进行组装,其中外购产品率更是超过70%至80%,自主研发只占据其中很小的一部分。此次氢能公司不但在短时间内实现了技术突破,而且其研发的燃料电池堆在所有关键技术方面均为国产,包括催化剂载体、催化剂合成、扩散层制造、膜电极涂敷、流路设计、材料开发、成型工艺、防腐涂层与工艺、电极绝缘密封、电堆结构设计、电堆组装工艺、电堆密封工艺、水热平衡仿真、系统控制、空气泵以及其它附属设备等等方面,都实现了燃料电池全产业链的完全自主化。


其次,新的燃料电池能能够对标当前世界最先进水平。据介绍,此次开发成功的燃料电池属于第三代电堆,对标目前世界最先进水平。以燃料电池的核心部件双极板为例,新研制的非不锈钢金属双极板无论是在厚度、导电性,还是在加工成型工艺和耐腐蚀性方面均达到了世界领先水平。而以此为基础研发的燃料电池堆功率密度可大于3.0kW/L;耐久性能推计将大于10000hr;Pt用量可小于30g——Pt/120kW,这些数据指标均居于世界前列。


最后,成本优势凸显。由于是自主研发,此次研制的燃料电池堆还具有价格较低的优势,如正式投产,预计其成本会较国外进口堆大幅降低。这一点对于燃料电池迅速进入产业化阶段无疑有着重要意义。


我国氢能源电池开发起步晚,关键技术仍有差距


相比国外同行,我国氢能源燃料电池的开发起步太晚,与发达国家差距较为明显。据悉我国开始进行氢燃料电池汽车的研发工作始于2001年,首次提出氢能产业发展计划是在2016年10月发布的《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书(2016)》中,而随后发布的《中国制造2025》中才明确提出了燃料电池的汽车发展规划。在美国,通用在1966年就开始了氢能源燃料电池汽车的研发,而日本的本田也早在1992年就开始了对氢能源燃料的研究。当今社会日新月异,科技的发展甚至可以以秒来计,更不用说落后长达三十年了,而起步太晚也导致了在关键技术上与西方国家还是有较大的差距。比如"质子交换膜"是燃料电池的一大核心技术,然而到目前为止,全球能够商业化供应氢燃料电池质子交换膜材料的公司除了美国杜邦,再无他家。日本境内倒也有一家公司可以生产,但这家公司明确拒绝对任何国家销售该产品。


应加快氢能及燃料电池汽车产业化


1月12日下午,全国政协副主席、中国科学技术协会主席万钢在中国电动汽车百人论坛中表示:"发达国家把氢作为能源管理,创造了科学安全的氢加注站建设和车载氢罐技术标准及监测体系,有利推动了燃料电池汽车商业化。建议各车企及相关单位借鉴先进经验,总结试点成果,抓紧研究修订氢能、加氢站和储氢技术标准,提升检测能力,尽快破除标准检测障碍和市场准入壁垒,加强和完善氢能生产、储运和供销体系建设。"


万钢同时指出,应该及时把产业重点向燃料电池汽车拓展,我国已形成的电-电混动技术优势,适合燃料电池技术特点,也适应我国技术和产业发展的特点。据悉,我国氢能来源广泛,既有大量的工业副产氢气,又有大量的弃风弃光电、低谷电等可供制氢的存量资源,但目前还未形成可持续的商业模式。


燃料电池技术不能代替纯电动技术


尽管学界和产业界普遍认为氢能将极大地丰富未来的能源体系、各国家层面和企业层面也都对燃料电池汽车市场抱有很大的热情和希望,但是不断清洁化的传统石化能源以及更多能源储备的发掘甚至纯电动汽车的发展,都给氢能的大规模利用带来了很大的不确定性。而且核心技术、车辆和加氢站的巨大成本、安全问题等都是横跨在政府和企业面前的一道鸿沟。


另一方面,众所周知,近年来纯电动汽车的研究可谓如火如荼,无论是国外的特斯拉,还是小鹏汽车、蔚来汽车等新兴车企,在纯电动汽车这一领域,都想要分得更大的市场蛋糕,电动汽车市场也在近两年开始变得火爆起来。而反观氢能源燃料汽车,在公众面前,其更像是一个陌生人。对此,清华大学汽车研究所所长、博士生导师陈全世教授表示,对于氢能源燃料,汽车政府和车企应该联合大学等研究机构,把膜、催化剂、极板等基础问题解决了,而不是做多少辆车。同时在他看来,燃料电池技术也并不能取代纯电动技术。


钜大特种电池工程研究院

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