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章俊良:质子交换膜燃料电池膜电极及催化剂的
发布时间:2020-08-23 12:16    文章作者:365平台

  2020年8月13日-15日,“2020中国汽车论坛”在上海隆重召开。该论坛是由中国汽车工业协会(CAAM)主办,世界汽车组织(OICA)、世界经济论坛(WEF)唯一支持的行业顶级论坛。本届论坛以“新变局 新挑战 新思路引领中国汽车新征程”为主题,紧扣时代脉搏, 求索突破之道,紧密围绕“十四五”规划,把控宏观产业形势,解析全球汽车产业发展动态。其中,在8月14日下午举办的“氢能产业发展及燃料电池技术创新论坛”分论坛上,上海交通大学机械与工程学院燃料电池研究所所长章俊良发表了主题演讲,以下为演讲实录:

  章俊良:各位领导、各位专家、各位嘉宾,大家下午好!首先我要非常感谢主委会的邀请以及章老师的邀请,还有同济大学老师的邀请,来参加这个会。我今天报告的题目是关于《质子交换膜、催化剂研发及应用》,我来自上海交通大学燃料系研究所。

  我的报告分为以下三个部分。首先是燃料电池产业前景及简单的原理简介。捷氢的卢总把燃料电池的前景介绍非常的深度,我就稍微补充一下。燃电池肯定跟氢能相关,其实氢能应该是未来能源解决的终极方案。在2050年之前,根据国际氢能协会、理事会的估计,氢能会占到整个能源比重的18%会减少碳能量排放,交通领域从工业能源、从发电能源都慢慢转向氢能使用。

  关于氢能,其实里面有个非常重要的环节,就是氢能的应用。当然在上游的制氢、储氢、加氢都是现在正在进行的产业。到下游所有的能源动力行业,包括汽车、潜艇、飞机、发电,还有各种民用的叉车或者是能源动力领域,都需要用到氢能。在这里,怎么样把氢能变成我们所需要的电能和动能?所以说燃料电池是属于一个中枢环节。

  国际上燃电池汽车产业已经步入了产业化的阶段,这里就不详述,无论是德国的企业,还是美国的企业,或者是韩国的企业,都有自己的燃料电池汽车在销售。它的性能已经达到了现代汽车的水平,国内也有很多品牌在开始试用或者是其他的新势力造车,都在做氢能源汽车的试生产。

  跟氢能相关的,一定要把加氢站建起来,没有加氢站汽车是走不远。2019年底国内已经建成了47座加氢站,在建设38座,预计2020年底建成100座,2025年建成300座,2030年建成1500座,也是支撑氢能产业发展的基础。

  当然燃料汽车的规模发展得益于中央政府和各级地方政府的支持,2020年预计的五千辆,2025年预计5万辆,2030年预计实现100万辆,所以发展非常快。

  刚才卢总讲了很多,燃料电池在汽车里面是什么角色?不管是轿车还是客车,它是作为替代柴油汽油机的动力技术,它会有锂电池的混动,有了非常浅的小混动,我们这方面的专家,我主要是在电车里面做一些工作。燃料电池就是在支撑汽车动力的装置,它其实包括两个方面,包括几大系统。一个是氢气、空气供给系统、DCDC转换,还有电堆,这些东西的核心就是电堆。电堆里面又包括很多的元件,还有其他的密封材料,电堆也会跟所有的部件联合起来发电,因为燃料电池是一个发电机,它的工作方式跟内燃机非常相似。

  在电堆里面,它会有膜电极,也有密封材料、端板、辅助部件,所有的电池是通过串联的方式结合起来的,简单讲它用氢气、空气、氧气,在两个电极上发生反应,中间是质交的膜,所以我们叫质交膜燃料电池,它的效率非常高,能量密度比锂电池,看跑的路途有多远,可以达到5倍以上,它的三分钟可以跑五百公里以上。

  在国际上,其实氢能源电池的产业链相对比较成熟,从原材料,比如催化剂、质极膜、密封材料、到所有的辅助部件,已经成为比较成熟的产业链。在我们国内的话,相对来说后端可能会更成熟一些,应该是从电堆开始到系统、到车做得更多,但是膜电极产业和质子膜、催化剂、密封材料、双极板现在已经有不错的产业,实际上双极板的产品是很大的问题,在前端的产业链需要加大培育力度。

  它发展的阶段,国际上燃料电池寿命已经达到了商用车或者乘用车的要求。在商用车已经达到了25000小时。国内的话,也是功率密度每年都在提升,已经达到了3000W以上每升,里面还需要设计、材料、部件进一步优化,现在是简单的产业介绍。

  燃料电池产业要大力度发展,它的成本还需要大幅度下降,至少达到今天的锂电池水平。要达到那个水平,一方面是规模化效益得到提升,另外一块就是部件和材料的核心技术要支撑规模化,如果说材料技术、部件技术没有达到的话,规模化只能达到一定的程度,所以说对于燃料电池,尤其是降低成本这块,它面临什么样的瓶颈和挑战?我今天和大家分享一下。第一个,它要低铂化,燃料电池最核心的是电堆,电堆里面最核心的是膜电极,膜电极最核心的是催化剂,你要降低整个燃料电池的成本,首先催化剂的成本要下降,催化剂成本要下降,就是要越来越少,在量产的时候才能体现出来。

  在燃料电池,无论是功率密度、低温启动,还是峰值的能量效率都已经达到了使用要求,唯有成本和耐久性是矛盾的,如果降低成本会带来耐久性的不足,如果说提高耐久性,成本就要上升,所以说未来的燃料电池的几个瓶颈是高性能、长寿命和低成本,一定要从原材料性能、结构设计、性能生产全方面提升。当你的生产量越来越多,它的成本会越来越集中到基本的材料,就是贵金属材料和催化剂材料。

  一个电堆里面生产的电能量是50万套,催化剂的成本会占到40%以上,你要是再加上质子膜,整个MEA的成本超过60%以上,会达到70%。另外是双极板能达到30%,所以说电堆里面催化剂成为最大的单一成本的占比。因此,下一代的燃料电池低铂或者超低铂化,或者采用非铂乃至非贵金属催化剂是我们的目标,还有提升单电池的性能。

  在未来若干年,燃料电池成本怎么下降?当然是各个方面。比如极板的功率密度,还有各个方面的优化生产,这里面1是最大的一块,就是把功率密度提高,这样你需要用的材料越来越少,还有就是把铂单量下降,这是它未来非常大的挑战。

  可喜的是,在过去20年燃料电池如果谈催化剂,它其实铂单量已经下降了80%以上,每辆车下降到2019年0.3克以下,今天的水平应该是0.25左右每千瓦,未来是不是下到0.1克以下。如果低于0.1克每千瓦,可以大批量生产。

  另外我们看看燃料电池的性能曲线。这里面有电池的极化,欧姆极化和里面的电阻,尤其是自主导电的电阻,还有里面的传质极化,现在欧姆极化越来越小了,尤其随着质子膜越来越薄,达到五个微米到八个微米,这样它的极化是原来的下降了好几倍,越来越可以忽略不计,但是电子化学的极化涉及到催化剂本质的催化活性当你用超低铂催化剂的时候,电池里面带着一些问题,这两块基本上是1:1。

  对于电化和极化,我们要找到催化剂提高催化活性。每当质量的表面积越来越大,如果专家燃电池的工作压力,气压和温度会一定程度上提高催化的活性,降低极化。

  另外一块是当燃料电池超低铂化之后,技术的瓶颈主要是来自传质。在通常的高铂载量的话,基本上是忽略不计,当铂载量低于0.1的时候,电池里面的传质达到70%。什么概念?当你采用低铂化的时候,电池里面的传质极化会超过30%,是没法用的,这是最大的问题。

  怎么样来克服这些问题?第一个问题就是怎么样提高催化活性,同时又提高表面积。交大燃料电池研究所,长期以来在催化剂做了非常多的研究,从第一代的催化剂,到第二代实现量产,非常核心的一块是磨炼你的智慧,从整个加量到成形,到封装都是非常核心的技术。

  在测试这块,也是非常关键的一块。在我们研究所从材料到膜电极到短电极的测试都可以完成。在催化剂这块,我们在第三代开发已经达到了非常高的水平,也就是说能够达到十倍的活性,当然是在小电池上面测试。

  这个主要是展示单层的核心技术,可以达到乘用车燃料电池的要求。欧姆极化主要是怎么样提高质子导电率。电极里面主要是跟膜里的导电率不一样,尤其当我们的载量下降的时候,越来越集中到某一个局域的地方,微区域的质子导电,跟厚膜的导电完全不一样。当你的膜越来越薄,到4、5个纳米,导电率会下降一个数量级以上,这是我们的研究结果,现在也正在优化。具体的内容不多说了,还有催化剂衰减行为怎么控制,在电级里面催化剂的衰减,主要是作为对非射性的设计来提高通量。

  在匹配方面,匹配低铂膜电极,我们是建议用二维把它变成三维的梯度化设计,可以提高传质的流量,这样的话,在电堆里面,可以控制它的组织方式,提高整个电池的性能。还有电堆装配压力对性能的影响,不同的组织模式、不同的膜电极都会有不同的影响。

  总之来讲就是三个方面,一个是解决了高功率密度的矛盾,还有是低铂化和长寿命之间的矛盾,还有范围运行的矛盾。根据以前的研究成果也孵化了唐锋能源科技有限公司,这个公司目前是研发人员接近40个人,年产膜电极40万片,这是我们的膜电极产品,铂载量低于0.25克每千瓦,低温启动零下30度,这个是一些指标,目前的线年随着二期生产线万片的产能。

  我给大家总结一下,在国内外燃料电池汽车产业链正在逐步成熟,已进入产业化导入期;与发达国家相比,我国燃料电池的核心原料及部件水平、以及整车耐用性及寿命仍有一定的差距。低成本燃料电池发展主要受制于超低铂催化剂及膜电极发展;膜电极、极板及电堆的匹配设计和工程化实现,协同系统控制策略及其他部件的同步开发是未来燃料电池的发展方向。谢谢大家!

  近日,住房和城乡建设部等13部门联合印发了《关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》(以下简称《指导意见》),《指导意见》提出了推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导思想、基本原则、发展目标、重点任务和保障措施。


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