• 論文
                        主辦單位:煤炭科學研究總院有限公司、中國煤炭學會學術期刊工作委員會

                        氫燃料電池技術發展現狀及未來展望

                        2022-03-24 免費下載

                          一、前言

                          

                          當前人類建立在以消耗煤炭、石油、天然氣為主的不可再生能源基礎之上的經濟發展模式,導致了日益突出的環境污染和溫室效應問題。為實現人類社會可持續發展,建立人與自然的和諧關系,發展風能、水能、太陽能、生物質能、地熱能、海洋能等綠色能源,成為世界各國高度關注的課題。多數可再生能源所固有的間隙性、隨機與波動性,導致了嚴重的棄風、棄光、棄水等現象。氫能作為可存儲廢棄能源并推動由傳統化石能源向綠色能源轉變的清潔能源,其能量密度(140 MJ/kg)是石油的 3 倍、煤炭的 4.5 倍,被視為未來能源革命的顛覆性技術方向 [1]。

                          

                          氫燃料電池是以氫氣為燃料,通過電化學反應將燃料中的化學能直接轉變為電能的發電裝置,具有能量轉換效率高、零排放、無噪聲等優點,相應技術進步可推動氫氣制備、儲藏、運輸等技術體系的發展升級。在新一輪能源革命驅動下,世界各國高度重視氫燃料電池技術,以支撐實現低碳、清潔發展模式 [2,3]。發達國家或地區積極發展“氫能經濟”,制定了《全面能源戰略》(美國)、《歐盟氫能戰略》(歐盟)、《氫能 / 燃料電池戰略發展路線圖》(日本)等發展規劃,推動燃料電池技術的研發、示范和商業化應用。我國也積極跟進氫能相關發展戰略,2001 年確立了 863 計劃中包括燃料電池在內的“三縱三橫”戰略;《能源技術革命創新行動計劃(2016—2030)》《汽車產業中長期發展規劃》(2017 年)等國家政策文件均明確提出支持燃料電池汽車發展。2020 年,科技部啟動了國家重點研發計劃“可再生能源與氫能技術”重點專項,將重點突破質子交換膜、氣體擴散層碳紙、車用燃料電池催化劑批量制備技術、空壓機耐久性、高可靠性電堆等共性關鍵技術。國家能源局將氫能及燃料電池技術列為“十四五”時期能源技術裝備重點任務。

                          

                          研究表明,氫能及氫燃料電池技術有望大規模應用在汽車、便攜式發電和固定發電站等領域 [3],也是航空航天飛行器、船舶推進系統的重要技術備選方案,但面臨低生產成本(電解質、催化劑等基礎材料)、結構緊湊性、耐久性及壽命三大挑戰。美國能源部燃料電池技術項目研究認為 [4],燃料電池電動汽車是減少溫室氣體排放、降低石油使用量的最有效路徑之一,隨著技術進步,全過程生產成本和氫燃料成本將與其他類型車輛及燃料相當。優化系統控制策略、開發催化劑及其抗腐蝕載體等新型基礎材料,是提高系統耐久性和壽命、進而促成氫燃料電池技術大規模商業化應用的有效路徑 [5]。近期的綜述性研究工作 [6~10],報道了氫燃料電池系統在雙極板、氣體擴散層、催化劑、膜電極、流場設計與分析等材料或組件方面的新進展。

                          

                          我國提出了將于 2030 年實現碳達峰、2060 年實現碳中和的發展愿景。積極發展氫能,引導高碳排放制氫工藝向綠色制氫工藝轉變,是能源革新發展,實現碳達峰、碳中和的重要舉措。氫能將是我國能源領域的戰略性新興產業,氫燃料電池技術是實現氫能利用的先決條件。為了促進我國氫燃料電池技術產業鏈的全面發展,本文依托中國工程院咨詢項目的支持,分析國內外氫燃料電池技術關鍵材料、核心組件的研發與應用現狀,凝練我國發展氫燃料電池技術面臨的問題,梳理未來相關技術發展方向并提出保障措施建議,以期為行業技術發展提供基礎性參考。

                          

                          二、氫燃料電池技術體系及發展現狀

                          

                          氫燃料電池與常見的鋰電池不同,系統更為復雜,主要由電堆和系統部件(空壓機、增濕器、氫循環泵、氫瓶)組成。電堆是整個電池系統的核心,包括由膜電極、雙極板構成的各電池單元以及集流板、端板、密封圈等。膜電極的關鍵材料是質子交換膜、催化劑、氣體擴散層,這些部件及材料的耐久性(與其他性能)決定了電堆的使用壽命和工況適應性。近年來,氫燃料電池技術研究集中在電堆、雙極板、控制技術等方面,氫燃料電池技術體系及部分相關前沿研究如圖 1 所示。

                          

                          圖 1 氫燃料電池技術體系

                          

                         ?。ㄒ唬┠る姌O組件

                          

                          膜電極(MEA)是氫燃料電池系統的核心組件,通常由陰極擴散層、陰極催化劑層、電解質膜、陽極催化劑層和陽極氣擴散層組成,直接決定了氫燃料電池的功率密度、耐久性和使用壽命。根據 MEA 內電解質的不同,常用的氫燃料電池分為堿性燃料電池(AFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)、質子交換膜燃料電池(PEMFC)等。各類型燃料電池具有相應的燃料種類、質量比功率和面積比功率性能,其中質子交換膜燃料電池以啟動時間短(~1 min)、操作溫度低(<100 ℃)、結構緊湊、功率密度高等成為研究熱點和氫燃料電池汽車邁入商業化進程的首選。MEA 裝配工藝有熱壓法(PTFE 法)、梯度法、CCM(catalyst coated-membrane)和有序化方法等。熱壓法是第一代技術;目前廣泛使用的是第二代的 CCM 方法,包括轉印、噴涂、電化學沉積、干粉噴射等,具有高鉑利用率和耐久性的優點;有序化方法可使 MEA 具有最大反應活性面積及孔隙連通性,以此實現更高的催化劑利用率,是新一代 MEA 制備技術的前沿方向。

                          

                          1. 質子交換膜(PEM)

                          

                          全氟磺酸膜是常用的商業化 PEM,屬于固體聚合物電解質;利用碳氟主鏈的疏水性和側鏈磺酸端基的親水性,實現 PEM 在潤濕狀態下的微相分離,具有質子傳導率高、耐強酸強堿等優異特性。代表性產品有美國杜邦公司的 Nafion 系列膜、科慕化學有限公司的 NC700 膜、陶氏集團的 Dow 膜、3M 公司的 PAIF 膜,日本旭化成株式會社的 Aciplex 膜、旭硝子株式會社的 Flemion 膜,加拿大巴拉德動力系統公司的 BAM 膜,這些膜的差異在于全氟烷基醚側鏈的長短、磺酸基的含量有所不同。我國武漢理工新能源有限公司、新源動力有限公司、上海神力科技有限公司、東岳集團公司已具備全氟磺酸 PEM 產業化的能力。

                          

                          輕薄化薄膜制備是降低 PEM 歐姆極化的主要技術路線,膜的厚度已經從數十微米降低到數微米,但同時也帶來膜的機械損傷、化學降解問題。當前的解決思路,一是采用氟化物來部分或全部代替全氟磺酸樹脂,與無機或其他非氟化物進行共混(如加拿巴拉德動力系統公司的 BAM3G 膜,具有非常低的磺酸基含量,工作效率高、化學穩定性和機械強度較好,價格明顯低于全氟類型膜);二是采用工藝改性全氟磺酸樹脂均質膜,以多孔薄膜或纖維為增強骨架,浸漬全氟磺酸樹脂得到高強度、耐高溫的復合膜(如美國科慕化學有限公司的 NafionXL-100、戈爾公司的 Gore-select 膜、中國科學院大連化學物理研究所的 Nafion/PTFE 復合膜與碳納米管復合增強膜等 [11])。值得一提的是,戈爾公司掌握了 5.0 μm 超薄質子交換膜的制備技術, 2019 年投產世界首條氫燃料電池車用 PEM 專用生產線,在日本豐田汽車公司的 Mirai 汽車上獲得使用。此外,為了耐高溫、抗無水并具有較高的高質子傳導率,高溫 PEM、高選擇性 PEM、石墨烯改性膜、熱穩定 PEM、堿性陰離子交換膜、自增濕功能復合膜等成為近年來的研究熱點。

                          

                          2. 電催化劑

                          

                          在氫燃料電池的電堆中,電極上氫的氧化反應和氧的還原反應過程主要受催化劑控制。催化劑是影響氫燃料電池活化極化的主要因素,被視為氫燃料電池的關鍵材料,決定著氫燃料電池汽車的整車性能和使用經濟性。催化劑選用需要考慮工作條件下的耐高溫和抗腐蝕問題,常用的是擔載型催化劑 Pt/C(Pt 納米顆粒分散到碳粉載體上),但是 Pt/ C 隨著使用時間的延長存在 Pt 顆粒溶解、遷移、團聚現象,活性比表面積降低,難以滿足碳載體的負載強度要求 [11]。Pt 是貴金屬,從商業化的角度看不宜繼續作為常用催化劑成分,為了提高性能、減少用量,一般采取小粒徑的 Pt 納米化分散制備技術。然而,納米 Pt 顆粒表面自由能高,碳載體與 Pt 納米粒子之間是弱的物理相互作用;小粒徑 Pt 顆粒會擺脫載體的束縛,遷移到較大的顆粒上被兼并而消失,大顆粒得以生存并繼續增長;小粒徑 Pt 顆粒更易發生氧化反應,以鉑離子的形式擴散到大粒徑鉑顆粒表面而沉積,進而導致團聚。為此,人們研制出了 Pt 與過渡金屬合金催化劑、Pt 核殼催化劑、Pt 單原子層催化劑,這些催化劑最顯著的變化是利用了 Pt 納米顆粒在幾何空間分布上的調整來減少Pt用量、提高Pt利用率,提高了質量比活性、面積比活性,增強了抗 Pt 溶解能力。通過碳載體摻雜氮、氧、硼等雜質原子,增強 Pt 顆粒與多種過渡金屬(如 Co、Ni、Mn、Fe、Cu 等)的表面附著力,在提升耐久性的同時也利于增強含 Pt 催化劑的抗遷移及團聚能力。

                          

                          為了進一步減少 Pt 用量,無 Pt 的單 / 多層過渡金屬氧化物催化劑、納米單 / 雙金屬催化劑、碳基可控摻雜原子催化劑、M-N-C 納米催化劑、石墨烯負載多相催化劑、納米金屬多孔框架催化劑等成為領域研究熱點;但這些新型催化劑在氫燃料電池實際工況下的綜合性能,如穩定性、耐腐蝕性、氧還原反應催化活性、質量比活性、面積比活性等,還需要繼續驗證。美國 3M 公司基于超薄層薄膜催化技術研制的 Pt/Ir(Ta) 催化劑,已實現在陰極、陽極平均低至 0.09 mg/cm2 的鉑用量,催化功率密度達到 9.4 kW/g (150 kPa 反應氣壓)、11.6 kW/g (250 kPa 反應氣壓)[12]。德國大眾汽車集團牽頭研制的 PtCo/ 高表面積碳(HSC)也取得重要進展,催化功率密度、散熱能力均超過了美國能源部制定的規劃目標值(2016—2020 年)[13]。后續,減少鉑基催化劑用量、提高功率密度(催化活性)及基于此目標的 MEA 優化制備,仍是降低氫燃料電池系統商用成本的重要途徑。

                          

                          3. 氣體擴散層

                          

                          在氫燃料電池的電堆中,空氣與氫氣通入到陰、陽極上的催化劑層還需要穿越氣體擴散層(GDL)。 GDL 由微孔層、支撐層組成,起到電流傳導、散熱、水管理、反應物供給的作用,因此需要良好的導電性、高化學穩定性、熱穩定性,還應有合適的孔結構、柔韌性、表面平整性、高機械強度;這些性能對催化劑層的電催化活性、電堆能量轉換至關重要,是 GDL 結構和材料性能的體現。微孔層通常由碳黑、憎水劑構成,厚度為 10~100 μm,用于改善基底孔隙結構、降低基底與催化層之間的接觸電阻、引導反應氣體快速通過擴散層并均勻分布到催化劑層表面、排走反應生成的水以防止“水淹” 發生。因編織碳布、無紡布碳紙具有很高的孔隙率、足夠的導電性,在酸性環境中也有良好的穩定性,故支撐層材料主要是多孔的碳纖維紙、碳纖維織布、碳纖維無紡布、碳黑紙。碳纖維紙的平均孔徑約為 10.0 μm,孔隙率為 0.7~0.8 [14],制造工藝成熟、性能穩定、成本相對較低,是支撐層材料的首選;在應用前需進行疏水處理,確保 GDL 具有適當的水傳輸特性,通常是將其浸入到疏水劑(如 PTFE)的水分散溶液中,當內部結構被完全浸透后轉移至高溫環境中進行干燥處理,從而形成耐用的疏水涂層。為進一步提高碳纖維紙的導電性,可能還會進行額外的碳化、石墨化過程。

                          

                          在功能角度看,GDL 均勻地將反應氣體從流場引導至催化劑層,確保組件的機械完整性,并以一定的速度排除陰極上的反應產物(水),防止陰極催化劑層發生“水淹”,也避免因失水過多導致陰極組件干燥而降低各離子的傳導率。因此,發生在 GDL 上的過程有:熱轉移過程、氣態輸運過程、兩相流過程、電子輸運過程、表面液滴動力學過程等。GDL 是燃料電池的水管理“中心”,通過對水的有效管理,提高燃料電池的穩定性、經濟性;燃料電池對水的控制可以通過水管理系統的增濕器或自增濕 PEM 來部分實現,但主要還靠 GDL 的作用。 GDL 的厚度、表面預處理會影響傳熱和傳質阻力,是整個氫燃料電池系統濃差極化、歐姆極化的主要源頭之一;通常以減小 GDL 厚度的方式來降低濃差極化、歐姆極化,但也可能導致 GDL 機械強度不足。因此,研制親疏水性合理、表面平整、孔隙率均勻且高強度的 GDL 材料,是氫燃料電池關鍵技術。對 GDL 的研究,除了材料制備,還有關于壓縮、凍融、氣流、水溶造成的機械降解以及燃料電池啟動、關閉及“氫氣饑餓”時的碳腐蝕造成的化學降解等的性能退化研究。此外,為促進 GDL 材料設計與開發,研究者利用中子照相技術、X-ray 電子計算機斷層描繪技術、光學可視化技術、熒光顯微術等手段來可視化 GDL 材料結構和表面水的流動狀態,并利用隨機模型法、兩相流模型數字化重構 GDL 宏觀形貌(孔隙)結構;為研究 GDL 氣 – 液兩相流行為,較多運用雙流體模型、多相混合模型、格點 Boltzmann 方法、孔隙網絡模型、流體體積(VOF)法等。

                          

                          GDL 技術狀態成熟,但面臨挑戰是大電流密度下水氣通暢傳質的技術問題和大批量生產問題,生產成本依然居高不下;商業穩定供應的企業主要有加拿大巴拉德動力系統公司、德國 SGL 集團、日本東麗株式會社和美國 E-TEK 公司。日本東麗株式會社早在 1971 年開始進行碳纖維產品生產,是全球碳纖維產品的最大供應商,其他公司主要以該公司的碳產品為基礎材料。

                          

                         ?。ǘ╇p極板

                          

                          氫燃料電池中的雙極板(BPs)又稱流場板,起到分隔反應氣體、除熱、排出化學反應產物(水)的作用;需滿足電導率高、導熱性和氣體致密性好、機械和耐腐蝕性能優良等要求?;诋斍吧a能力, BPs 占整個氫燃料電池電堆近 60% 的質量、超過 10% 的成本 [15]。根據基體材料種類的不同,BPs 可分為石墨 BPs、金屬 BPs、復合材料 BPs。石墨 BPs 具有優異的導電性和抗腐蝕能力,技術最為成熟,是 BPs 商業應用最為廣泛的碳質材料,但機械強度差、厚度難以縮小,在緊湊型、抗沖擊場景下的應用較為困難。因此,更具性能和成本優勢的金屬 BPs 成為了發展熱點 [16],如主流的金屬 BPs 厚度不大于 0.2 mm,體積和質量明顯減少,電堆功率密度顯著增加,兼具延展性良好、導電和導熱特性優、斷裂韌性高等特點;當前,主流的氫燃料電池汽車公司(如本田、豐田、通用等品牌)都采用了金屬 BPs 產品。

                          

                          也要注意到,金屬 BPs 耐腐蝕性較差,在酸性環境中金屬易溶解,浸出的離子可能會毒化膜電極組件;隨著金屬離子溶解度的增加,歐姆電阻增加,氫燃料電池輸出功率降低。為解決耐腐蝕問題,一方面可在金屬 BPs 表面涂覆耐腐蝕的涂層材料,如貴金屬、金屬化合物、碳類膜(類金剛石、石墨、聚苯胺)等;另一方面是研制復合材料 BPs。復合材料 BPs 由耐腐蝕的熱固性樹脂、熱塑性樹脂聚合物材料、導電填料組成,導電填料顆??杉毞譃榻饘倩鶑秃喜牧?、碳基復合材料(如石墨、碳纖維、炭黑、碳納米管等)。新型聚合物 / 碳復合材料 BPs 成本低、耐腐蝕性好、質量輕,是金屬 BPs、純石墨 PBs 的替代品。為了降低 BPs 的生產成本以滿足實際需求,發展和應用了液壓成形、壓印、蝕刻、高速絕熱、模制、機械加工等制造方法 [17]。BPs 供應商主要有美國 Graftech 國際有限公司、步高石墨有限公司,日本藤倉工業株式會社,德國 Dana 公司,瑞典 Cellimpact 公司,英國 Bac2 公司,加拿大巴拉德動力系統公司等。

                          

                         ?。ㄈ淙剂想姵叵到y部件

                          

                          為了維持電堆的正常工作,氫燃料電池系統還需要氫氣供應系統、水管理系統、空氣系統等外部輔助子系統的協同配合,對應的系統部件有氫循環泵、氫瓶、增濕器、空氣壓縮機。燃料電池在工作狀態下會產生大量的水,過低的水含量會產生“干膜”現象,阻礙質子傳輸;過高的水含量會產生“水淹”現象,阻礙多孔介質中氣體的擴散,導致電堆輸出電壓偏低 [11]。從陰極側穿透到陽極的雜質氣體(N2)不斷積累,阻礙氫氣與催化劑層的接觸,造成局部“氫氣饑餓”而引起化學腐蝕。因此,水的平衡對 PEM 氫燃料電池的電堆壽命具有重要意義,解決途徑是在電堆中引入氫氣循環設備(循環泵、噴射器)來實現氣體吹掃、氫氣重復利用、加濕氫氣等功能。

                          

                          氫氣循環泵可根據工況條件實時控制氫氣流量,提高氫氣利用效率,但在涉氫、涉水的環境下易發生“氫脆”現象,在低溫下的結冰現象可能導致系統無法正常工作;因此,氫循環泵需要具有耐水性強、輸出壓強穩定、無油的性能,制備難度較大,制造成本昂貴。為此發展出了單引射器、雙引射器方案,前者在高 / 低負載、系統啟停、系統變載等工況下不易保持工作流的穩定性,后者能適應不同工況但結構復雜、控制難度大 [18]。還有一些引射器與氫循環泵并聯、引射器加旁通氫循環泵方案,也有著鮮明的優缺點。2010 年,美國技術咨詢公司提出了一種氫循環系統設計方案,利用回流的尾氣對注入氫氣加濕(無需陽極增濕器),這代表了未來氫循環設備的發展方向。

                          

                          氫燃料電池系統中的空氣壓縮機,可提供與電堆功率密度相匹配的氧化劑(空氣),壓比高、體積小、噪聲低、功率大、無油、結構緊湊 [19],常見的車載燃料電池空壓機有離心式、螺桿式、渦旋式等類型。目前使用較多的是螺桿式空氣壓縮機,但離心式空氣壓縮機因密閉性好、結構緊湊、振動小、能量轉換效率高等特點,較具應用前景 [20]。在空氣壓縮機的關鍵部件中,軸承、電機是瓶頸技術,低成本、耐摩擦的涂層材料也是開發重點。美國通用電氣公司、聯合技術公司、普拉格能源公司,德國 Xcellsis 公司,加拿大巴拉德動力系統公司,日本豐田汽車公司等都擁有商業化的空氣壓縮機產品系列。

                          

                         ?。ㄋ模┫到y控制策略

                          

                          氫燃料電池系統的壽命或耐久性,與系統控制策略密切相關 [21~23]。氫燃料電池汽車在啟動時需要實時開啟動力電源以獲得足夠的壓力和反應氣體;而在怠速或停止運轉時,為了吹掃電堆內未反應完全的氣體和產生的水,也需要開啟動力電源,規避“水淹”“氫脆”、化學腐蝕等情況的出現。因此,在氫燃料電池汽車的啟動 / 停止、怠速、高 / 低負載等隨機性變化的工況條件下,應基于現有系統構造、燃料電池衰減機理,優化控制策略來確保負載正常工作,進而維持氫燃料電池系統燃料(氫氣、空氣)供應流的均勻性、穩定性、熱能與水平衡。近年來,在氫燃料電池系統(如 PEMFC)控制方面發展或應用了諸如模糊邏輯控制、神經網絡控制、模糊邏輯 – 比例積分微分控制(FLC-PID)等方法,操作簡單、低成本、不增加計算負擔,是優化控制策略的前瞻方向。

                          

                          三、我國氫燃料電池技術研發進展及重點發展方向

                          

                         ?。ㄒ唬╆P鍵材料及組件研發進展

                          

                          近年來,我國的氫燃料電池技術基礎研究較為活躍,在一些技術方向具備了與發達國家“比肩” 的條件;但整體來看,所掌握的核心技術水平、綜合技術體系尚不及具有領先地位的國家,如我國在1998 年才出現首個氫燃料電池發明專利,目前相關核心專利數僅占世界的 1% 左右。先發國家在氫燃料電池系統、組件、控制技術、電極等方面發展相對均衡,一些國際性企業在燃料電池系統、電池組件與加工、控制技術等方面居于世界領先地位(見圖 2、圖 3)。

                          

                          圖 2 主要國家在氫燃料電池方面的研發重心分布

                          

                          圖 3 氫燃料電池代表性企業的研發重心布局

                          

                          在儲氫方面,高壓氣態儲氫技術在國內外獲得普遍使用,低溫液態儲氫在國外有較大發展,而國內暫限于民用航空領域的小范圍使用。液氨、甲醇、氫化物、液體有機氫載體(LOHC)儲氫在國外已有成熟產品和項目應用,而國內仍處于小規模實驗階段。催化劑、GDL 等關鍵零部件或材料處在研究與小規模生產階段,批量化產品的可靠性、耐久性還需要長期驗證,主要技術為國外公司所掌握。中山大洋電機股份有限公司、思科渦旋科技(杭州)有限公司、上海漢鐘精機股份有限公司等國內企業,均處于氫氣循環泵的產品研發驗證階段,部分公司已實現小批量產品供貨。碳紙、碳布是制備 GDL 的關鍵材料,基礎材料是碳纖維;我國碳纖維研制從 20 世紀 80 年代中期才開始,目前尚處于小規模生產階段,生產的碳纖維很難同時滿足電堆對于低電阻、高滲透性、機械強度大等的要求,與國外高性能碳纖維材料相比仍有較大差距。上海河森電氣公司、上海濟平新能源科技公司均有小批量的碳紙生產能力。我國已將碳纖維列為重點支持的戰略性新興產業,相關技術在產業政策扶持下有望加速發展。

                          

                          石墨 BPs 已實現國產化,金屬 BPs 實現小批量供貨,但耐久性、可靠性有待繼續檢驗;相關研究單位或企業有中國科學院大連化學物理研究所、武漢理工大學、新源動力股份有限公司、國鴻氫能科技有限公司、上海弘楓實業有限公司等。上海重塑能源科技有限公司、上海捷氫科技有限公司、新源動力股份有限公司等氫燃料電池電堆供應商,產品功率達到國際先進水平,建成了自動化生產線;金屬 BPs 電堆功率密度達到 3.8 kW/L,可在 –30 ℃低溫條件下自啟動,完成 6000 h 實車工況耐久性測試 [24]。安徽明天氫能科技股份有限公司、雄韜電源科技有限公司已經建成電堆自動化生產線。貴研鉑業股份有限公司、中國科學院大連化學物理研究所、上海交通大學、清華大學等從事催化劑研究,其中中國科學院大連化學物理所制備的 Pt3Pd/C 合金催化劑已應用于燃料電池發動機 [11]。PEM 已具有國產化能力,年產能可達數萬平方米,但高端產品還依賴進口??諝鈮嚎s機技術起步晚,2018 年實現國產化并有小批量生產,但缺少低功耗、高速、無油的空氣壓縮機產品。

                          

                          在產業發展方面,珠江三角洲、長江三角洲、京津翼地區涌現出了數百家氫燃料電池公司;氫燃料電池商用車(客車、叉車)已實現批量生產,燃料電池乘用車尚處在應用示范階段。國產乘用車、商用車的電堆功率與國外產品大致相當,但系統可靠性、耐久性、比功率、綜合壽命方面還需工況驗證。國內一些企業掌握了氫燃料電池系統研發技術,相關產品的冷啟動、功率密度等性能顯著提升,具有年產萬臺的批量化生產能力。然而與國際先進水平相比,國產電池系統核心零部件及系統的耐久性與可靠性仍存在一定差距。

                          

                         ?。ǘ┲攸c發展方向

                          

                          1. 關鍵材料與核心組件的性能及產能提升

                          

                          膜電極、BPs、氫氣循環泵、空氣壓縮機、 GDL 等核心組件,PEM、催化劑等關鍵材料,均已實現小規模自主生產,為未來大規模商業化生產儲備了技術基礎條件。氫燃料電池系統的國產化程度已從 2017 年的 30% 提高到 2020 年的 60%。預計到 2025 年,金屬 BPs 可完全國產化,低功耗、高速、無油的空氣壓縮機進入小規模自主生產階段;機械強度高、孔隙率均勻、抗碳腐蝕的碳纖維制備技術有望取得突破,大電流密度條件下的 GDL 水氣通暢傳質問題有望得到解決。

                          

                          在技術應用方面,從現階段重點發展氫燃料電池客車、卡車等商用車,逐步推廣到乘用車、有軌電車、船舶、工業建筑、分布式發電等領域。隨著關鍵材料的物理性能改進,各組件熱學、力學、電化學穩定性提高,氫燃料電池系統的穩定性、綜合壽命將有明顯改善。預計到 2035 年,燃料電池系統功率密度將由當前約 3.1 kW/L 全面提升到約 4.5 kW/L,乘用車、商用車電堆壽命將由當前的 5000 h、15 000 h 分別增加到 6000 h、20 000 h。

                          

                          2. 生產成本的顯著下降

                          

                          氫燃料電池系統的成本必然隨著技術進步、生產規模的擴大而下降,預計未來 10 年生產成本將降低至目前的 50%。燃料電池系統各部件的成本構成,若按照年產量為 5×105 套、凈功率為 80 kW/套計算,可建立分析模型 [25]:膜電極成本占比為 27%,BPs 成本占比為 12.4%,空氣循環子系統(含空氣壓縮機、質量監控傳感器、溫度傳感器、過濾器等)成本占比為 25.8%,冷卻回路(含高低溫回路、空氣預冷器、電子組件等)成本占 11.2%,其他成本占 23.6%。雙極板和催化劑分別占整個電池電堆成本的 28% 和 41%,而氣體擴散層、電解質膜、膜電極骨架三者成本大體相當,約占電堆成本的 6%~8%;各部件在系統成本中的占有比例隨著生產規模和各自的技術水平而變化。該分析結果雖具有模型依賴性并建立在豐田 Mirai 車型數據及一些前提假設基礎上,但揭示了未來提高氫燃料電池電堆功率密度、降低氫燃料電池系統制造成本的途徑。應重點發展低成本、低 Pt 或無 Pt 的電催化劑,低成本、輕薄型、高性能復合材料 BPs,盡快發布產業政策和技術規范,在條件成熟區域擴大燃料電池系統生產規模。

                          

                          美國能源部計劃在 2025 年實現氫燃料電池系統(功率為 80 kW)成本目標 40 美元/kW,為遠期的 30 美元/kW 目標奠定基礎,進而達到與內燃機汽車的生產成本可比性。按照我國現有的技術儲備條件,根據中國氫能聯盟《中國氫能源及燃料電池產業白皮書》(2019 年、2020 年)預測,2035 年我國氫燃料電池系統的生產成本將降至當前的 1/5(約 800 元/kW);到 2050 年降低至 300 元/kW [26];屆時燃料電池汽車擁有量將超過 3×107 輛,加氫站數量達到 1×104 座,氫能消耗占終端總能源消耗的 10%。雖然不排除因我國研究機構與企業之間的深度協作而帶來技術快速提升,到 2035 年氫燃料電池汽車成本將具有與內燃機汽車同等的競爭力 [27] 并基本接近國外先進水平,但就目前的技術狀態而言,需著力提升氫燃料電池電堆材料制備和部件制造技術,大幅度降低相關系統的生產成本。

                          

                          四、對策建議

                          

                         ?。ㄒ唬娀茪浼夹g攻關,降低氫氣燃料使用成本

                          

                          降低氫燃料成本有利于氫燃料電池技術的推廣應用,而大規模的氫燃料電池技術利用將進一步降低相關系統的成本。建議切實推動與氫燃料電池技術產業鏈配套的制氫、儲運氫 [28,29]、加氫站的發展,穩步降低氫氣燃料使用成本;重點發展并應用碳捕獲與封存技術,通過風能、水能、太陽能、生物質能等可再生能源,傳統谷電能實施大規模綠色制氫;對標當前國際先進水平的 2~3 mg/cm2 催化劑 Pt 載量、3.7 美元 /kg 產氫成本的指標 [30],重點采用 PEM 電解槽制氫技術路線,積極發展高溫固體氧化物電解水制氫技術。

                          

                         ?。ǘ┘涌礻P鍵材料和核心組件的技術攻關與轉化應用

                          

                          為進一步降低氫能的生產和利用成本,無論是氫燃料電池還是電解水制氫,需要大力開展碳纖維/ 布、PEM、催化劑、GDL、BPs 等關鍵材料或核心組件的制備技術研究與轉化應用。建議構建 “研究機構 / 實驗室 – 企業 – 產業園”的協同創新機制,鼓勵原創的突破性研究成果進入企業開展 “先行先試”,及早接受市場考驗;在有條件的地區建設氫能產業園區,注重產業集群建設以形成規?;?,從而促進氫燃料電池系統及氫氣成本的技術性下降;支持自主研發企業的產品進駐氫能產業園區進行培育示范,國家級實驗平臺應側重支持企業進行產品論證和工況測試。多渠道、全方位引入社會資本參與加氫站、儲運氫基礎設施建設,通過項目試點和示范運營,助推氫燃料電池全產業鏈的穩健發展。

                          

                         ?。ㄈ┛茖W制定產業規劃,構建政策保障體系

                          

                          建議研究制定有關氫能、氫燃料電池技術的中長期發展規劃,做好系統的頂層設計。關鍵技術的突破與創新,穩定的專業人才隊伍是關鍵,建議在 2021—2035 年周期內持續設立氫燃料電池國家級專項課題,提供穩定的經費支持,鼓勵氫能及氫燃料電池研究隊伍傾力投入研究。合理保持對氫燃料電池產業鏈的投入,從土地、稅收、技術標準等諸多方面給予積極支持,鼓勵和引導氫燃料電池企業從事研發與產業化應用活動。有關技術標準體系的構建,是引導企業安全有序開展研發和市場活動的重要前提,建議系統研究制定加氫站等基礎設施的安全標準建設文件,車輛、船舶、發電站等應用場景下氫燃料電池系統的技術和檢測標準,出臺法規文件縮短加氫站及氫燃料電池項目從審批、建設到運營的時間歷程。

                          

                          致謝

                          

                          感謝中國科學院蘭州文獻情報中心白光祖副研究員、鄭玉榮副研究員、靳軍寶博士在文獻檢索與情報分析方面的幫助;感謝湘潭大學材料科學與工程學院王莆森、劉福家兩位碩士研究生所做的系統性調研工作。


                        論文鏈接
                          責任編輯:宮在芹
                        今日專家
                        亮點論文

                        通過對湘中坳陷邵陽市泉塘村、隆回縣北山和邵陽市黃亭等地露頭觀察及漣源縣龍場建新村和漣源縣七星街龍潭組、大隆組頁巖露頭剖面實測、取樣和測試分析,重點研究了...

                        今日企業

                        主辦單位:煤炭科學研究總院有限公司 中國煤炭學會學術期刊工作委員會

                        ©版權所有2015 煤炭科學研究總院有限公司 地址:北京市朝陽區和平里青年溝東路煤炭大廈 郵編:100013
                        京ICP備05086979號-16  技術支持:云智互聯
                        国产成人免费无庶挡视频