氫能作為可存儲(chǔ)廢棄能源并推動(dòng)由傳統(tǒng)化石能源向綠色能源轉(zhuǎn)變的清潔能源,其能量密度是石油的3倍、煤炭的4.5倍,被視為未來(lái)能源革命的顛覆性技術(shù)方向。氫燃料電池是實(shí)現(xiàn)氫能轉(zhuǎn)換為電能利用的關(guān)鍵載體,在碳中和、碳達(dá)峰目標(biāo)提出后,獲得了基礎(chǔ)研究與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用層面新的高度關(guān)注。
中國(guó)工程院歐陽(yáng)曉平院士科研團(tuán)隊(duì)在中國(guó)工程院院刊《中國(guó)工程科學(xué)》2021年第4期發(fā)表《氫燃料電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及未來(lái)展望》,分析了國(guó)內(nèi)外氫燃料電池技術(shù)關(guān)鍵材料、核心組件的研發(fā)與應(yīng)用現(xiàn)狀,凝練了我國(guó)發(fā)展氫燃料電池技術(shù)面臨的問(wèn)題,梳理了未來(lái)相關(guān)技術(shù)發(fā)展方向并提出保障措施建議,以期為行業(yè)技術(shù)發(fā)展提供基礎(chǔ)性參考。文章圍繞氫燃料電池技術(shù)體系,分析了質(zhì)子交換膜、電催化劑、氣體擴(kuò)散層等膜電極組件,雙極板,系統(tǒng)部件,控制策略等方面的研究進(jìn)展與發(fā)展態(tài)勢(shì);結(jié)合我國(guó)氫燃料電池技術(shù)領(lǐng)域國(guó)產(chǎn)化率、系統(tǒng)壽命、功率密度、制造成本等方面的發(fā)展現(xiàn)狀分析,論證提出了面向2035年我國(guó)氫燃料電池技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展方向。文章指出,為加速氫能及氫燃料電池技術(shù)應(yīng)用,應(yīng)加強(qiáng)制氫技術(shù)攻關(guān),降低氫氣燃料使用成本;加快關(guān)鍵材料和核心組件的技術(shù)攻關(guān)和轉(zhuǎn)化應(yīng)用;制定產(chǎn)業(yè)規(guī)劃并增加投入,構(gòu)建完備的政策支撐體系。
一、前言
當(dāng)前人類(lèi)建立在以消耗煤炭、石油、天然氣為主的不可再生能源基礎(chǔ)之上的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式,導(dǎo)致了日益突出的環(huán)境污染和溫室效應(yīng)問(wèn)題。為實(shí)現(xiàn)人類(lèi)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展,建立人與自然的和諧關(guān)系,發(fā)展風(fēng)能、水能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、海洋能等綠色能源,成為世界各國(guó)高度關(guān)注的課題。多數(shù)可再生能源所固有的間隙性、隨機(jī)與波動(dòng)性,導(dǎo)致了嚴(yán)重的棄風(fēng)、棄光、棄水等現(xiàn)象。氫能作為可存儲(chǔ)廢棄能源并推動(dòng)由傳統(tǒng)化石能源向綠色能源轉(zhuǎn)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(lái)能源革命的顛覆性技術(shù)方向。
氫燃料電池是以氫氣為燃料,通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)將燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電裝置,具有能量轉(zhuǎn)換效率高、零排放、無(wú)噪聲等優(yōu)點(diǎn),相應(yīng)技術(shù)進(jìn)步可推動(dòng)氫氣制備、儲(chǔ)藏、運(yùn)輸?shù)燃夹g(shù)體系的發(fā)展升級(jí)。在新一輪能源革命驅(qū)動(dòng)下,世界各國(guó)高度重視氫燃料電池技術(shù),以支撐實(shí)現(xiàn)低碳、清潔發(fā)展模式。發(fā)達(dá)國(guó)家或地區(qū)積極發(fā)展“氫能經(jīng)濟(jì)”,制定了《全面能源戰(zhàn)略》(美國(guó))、《歐盟氫能戰(zhàn)略》(歐盟)、《氫能 / 燃料電池戰(zhàn)略發(fā)展路線(xiàn)圖》(日本)等發(fā)展規(guī)劃,推動(dòng)燃料電池技術(shù)的研發(fā)、示范和商業(yè)化應(yīng)用。我國(guó)也積極跟進(jìn)氫能相關(guān)發(fā)展戰(zhàn)略,2001年確立了863計(jì)劃中包括燃料電池在內(nèi)的“三縱三橫”戰(zhàn)略;《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃(2016—2030)》《汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》(2017年)等國(guó)家政策文件均明確提出支持燃料電池汽車(chē)發(fā)展。2020年,科技部啟動(dòng)了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“可再生能源與氫能技術(shù)”重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng),將重點(diǎn)突破質(zhì)子交換膜、氣體擴(kuò)散層碳紙、車(chē)用燃料電池催化劑批量制備技術(shù)、空壓機(jī)耐久性、高可靠性電堆等共性關(guān)鍵技術(shù)。國(guó)家能源局將氫能及燃料電池技術(shù)列為“十四五”時(shí)期能源技術(shù)裝備重點(diǎn)任務(wù)。
研究表明,氫能及氫燃料電池技術(shù)有望大規(guī)模應(yīng)用在汽車(chē)、便攜式發(fā)電和固定發(fā)電站等領(lǐng)域,也是航空航天飛行器、船舶推進(jìn)系統(tǒng)的重要技術(shù)備選方案,但面臨低生產(chǎn)成本(電解質(zhì)、催化劑等基礎(chǔ)材料)、結(jié)構(gòu)緊湊性、耐久性及壽命三大挑戰(zhàn)。美國(guó)能源部燃料電池技術(shù)項(xiàng)目研究認(rèn)為,燃料電池電動(dòng)汽車(chē)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(shù)進(jìn)步,全過(guò)程生產(chǎn)成本和氫燃料成本將與其他類(lèi)型車(chē)輛及燃料相當(dāng)。優(yōu)化系統(tǒng)控制策略、開(kāi)發(fā)催化劑及其抗腐蝕載體等新型基礎(chǔ)材料,是提高系統(tǒng)耐久性和壽命、進(jìn)而促成氫燃料電池技術(shù)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的有效路徑。近期的綜述性研究工作,報(bào)道了氫燃料電池系統(tǒng)在雙極板、氣體擴(kuò)散層、催化劑、膜電極、流場(chǎng)設(shè)計(jì)與分析等材料或組件方面的新進(jìn)展。
我國(guó)提出了將于2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年實(shí)現(xiàn)碳中和的發(fā)展愿景。積極發(fā)展氫能,引導(dǎo)高碳排放制氫工藝向綠色制氫工藝轉(zhuǎn)變,是能源革新發(fā)展,實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的重要舉措。氫能將是我國(guó)能源領(lǐng)域的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè),氫燃料電池技術(shù)是實(shí)現(xiàn)氫能利用的先決條件。
為了促進(jìn)我國(guó)氫燃料電池技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈的全面發(fā)展,本文依托中國(guó)工程院咨詢(xún)項(xiàng)目的支持,分析國(guó)內(nèi)外氫燃料電池技術(shù)關(guān)鍵材料、核心組件的研發(fā)與應(yīng)用現(xiàn)狀,凝練我國(guó)發(fā)展氫燃料電池技術(shù)面臨的問(wèn)題,梳理未來(lái)相關(guān)技術(shù)發(fā)展方向并提出保障措施建議,以期為行業(yè)技術(shù)發(fā)展提供基礎(chǔ)性參考。
二、氫燃料電池技術(shù)體系及發(fā)展現(xiàn)狀
氫燃料電池與常見(jiàn)的鋰電池不同,系統(tǒng)更為復(fù)雜,主要由電堆和系統(tǒng)部件(空壓機(jī)、增濕器、氫循環(huán)泵、氫瓶)組成。電堆是整個(gè)電池系統(tǒng)的核心,包括由膜電極、雙極板構(gòu)成的各電池單元以及集流板、端板、密封圈等。膜電極的關(guān)鍵材料是質(zhì)子交換膜、催化劑、氣體擴(kuò)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(yīng)性。近年來(lái),氫燃料電池技術(shù)研究集中在電堆、雙極板、控制技術(shù)等方面,氫燃料電池技術(shù)體系及部分相關(guān)前沿研究如圖 1 所示。
圖 1 氫燃料電池技術(shù)體系
01 | 膜電極組件
膜電極(MEA)是氫燃料電池系統(tǒng)的核心組件,通常由陰極擴(kuò)散層、陰極催化劑層、電解質(zhì)膜、陽(yáng)極催化劑層和陽(yáng)極氣擴(kuò)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(jù) MEA 內(nèi)電解質(zhì)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(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)等。各類(lèi)型燃料電池具有相應(yīng)的燃料種類(lèi)、質(zhì)量比功率和面積比功率性能,其中質(zhì)子交換膜燃料電池以啟動(dòng)時(shí)間短(~1 min)、操作溫度低(<100 ℃)、結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度高等成為研究熱點(diǎn)和氫燃料電池汽車(chē)邁入商業(yè)化進(jìn)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(shù);目前廣泛使用的是第二代的CCM方法,包括轉(zhuǎn)印、噴涂、電化學(xué)沉積、干粉噴射等,具有高鉑利用率和耐久性的優(yōu)點(diǎn);有序化方法可使 MEA 具有最大反應(yīng)活性面積及孔隙連通性,以此實(shí)現(xiàn)更高的催化劑利用率,是新一代MEA 制備技術(shù)的前沿方向。
1.1、質(zhì)子交換膜(PEM)
全氟磺酸膜是常用的商業(yè)化 PEM,屬于固體聚合物電解質(zhì);利用碳氟主鏈的疏水性和側(cè)鏈磺酸端基的親水性,實(shí)現(xiàn)PEM在潤(rùn)濕狀態(tài)下的微相分離,具有質(zhì)子傳導(dǎo)率高、耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿等優(yōu)異特性。代表性產(chǎn)品有美國(guó)杜邦公司的Nafion系列膜、科慕化學(xué)有限公司的NC700膜、陶氏集團(tuán)的Dow膜、3M公司的PAIF膜,日本旭化成株式會(huì)社的Aciplex膜、旭硝子株式會(huì)社的Flemion膜,加拿大巴拉德動(dòng)力系統(tǒng)公司的BAM膜,這些膜的差異在于全氟烷基醚側(cè)鏈的長(zhǎng)短、磺酸基的含量有所不同。我國(guó)武漢理工新能源有限公司、新源動(dòng)力有限公司、上海神力科技有限公司、東岳集團(tuán)公司已具備全氟磺酸PEM產(chǎn)業(yè)化的能力。
輕薄化薄膜制備是降低PEM歐姆極化的主要技術(shù)路線(xiàn),膜的厚度已經(jīng)從數(shù)十微米降低到數(shù)微米,但同時(shí)也帶來(lái)膜的機(jī)械損傷、化學(xué)降解問(wèn)題。當(dāng)前的解決思路,一是采用氟化物來(lái)部分或全部代替全氟磺酸樹(shù)脂,與無(wú)機(jī)或其他非氟化物進(jìn)行共混(如加拿巴拉德動(dòng)力系統(tǒng)公司的 BAM3G膜,具有非常低的磺酸基含量,工作效率高、化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度較好,價(jià)格明顯低于全氟類(lèi)型膜);二是采用工藝改性全氟磺酸樹(shù)脂均質(zhì)膜,以多孔薄膜或纖維為增強(qiáng)骨架,浸漬全氟磺酸樹(shù)脂得到高強(qiáng)度、耐高溫的復(fù)合膜(如美國(guó)科慕化學(xué)有限公司的 NafionXL-100、戈?duì)柟镜腉ore-select 膜、中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所的Nafion/PTFE 復(fù)合膜與碳納米管復(fù)合增強(qiáng)膜等)。值得一提的是,戈?duì)柟菊莆樟?.0 μm超薄質(zhì)子交換膜的制備技術(shù), 2019年投產(chǎn)世界首條氫燃料電池車(chē)用 PEM 專(zhuān)用生產(chǎn)線(xiàn),在日本豐田汽車(chē)公司的Mirai汽車(chē)上獲得使用。此外,為了耐高溫、抗無(wú)水并具有較高的高質(zhì)子傳導(dǎo)率,高溫PEM、高選擇性PEM、石墨烯改性膜、熱穩(wěn)定PEM、堿性陰離子交換膜、自增濕功能復(fù)合膜等成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。
1.2、電催化劑
在氫燃料電池的電堆中,電極上氫的氧化反應(yīng)和氧的還原反應(yīng)過(guò)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(guān)鍵材料,決定著氫燃料電池汽車(chē)的整車(chē)性能和使用經(jīng)濟(jì)性。催化劑選用需要考慮工作條件下的耐高溫和抗腐蝕問(wèn)題,常用的是擔(dān)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(shí)間的延長(zhǎng)存在 Pt 顆粒溶解、遷移、團(tuán)聚現(xiàn)象,活性比表面積降低,難以滿(mǎn)足碳載體的負(fù)載強(qiáng)度要求。Pt 是貴金屬,從商業(yè)化的角度看不宜繼續(xù)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(shù)。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(huì)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(xù)增長(zhǎng);小粒徑Pt顆粒更易發(fā)生氧化反應(yīng),以鉑離子的形式擴(kuò)散到大粒徑鉑顆粒表面而沉積,進(jìn)而導(dǎo)致團(tuán)聚。為此,人們研制出了Pt與過(guò)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(diào)整來(lái)減少Pt用量、提高Pt利用率,提高了質(zhì)量比活性、面積比活性,增強(qiáng)了抗Pt溶解能力。通過(guò)碳載體摻雜氮、氧、硼等雜質(zhì)原子,增強(qiáng)Pt顆粒與多種過(guò)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(shí)也利于增強(qiáng)含 Pt 催化劑的抗遷移及團(tuán)聚能力。
為了進(jìn)一步減少Pt用量,無(wú)Pt的單 / 多層過(guò)渡金屬氧化物催化劑、納米單 / 雙金屬催化劑、碳基可控?fù)诫s原子催化劑、M-N-C 納米催化劑、石墨烯負(fù)載多相催化劑、納米金屬多孔框架催化劑等成為領(lǐng)域研究熱點(diǎn);但這些新型催化劑在氫燃料電池實(shí)際工況下的綜合性能,如穩(wěn)定性、耐腐蝕性、氧還原反應(yīng)催化活性、質(zhì)量比活性、面積比活性等,還需要繼續(xù)驗(yàn)證。美國(guó) 3M 公司基于超薄層薄膜催化技術(shù)研制的Pt/Ir(Ta) 催化劑,已實(shí)現(xiàn)在陰極、陽(yáng)極平均低至 0.09mg/cm2的鉑用量,催化功率密度達(dá)到9.4 kW/g(150kPa反應(yīng)氣壓)、11.6 kW/g(250 kPa 反應(yīng)氣壓)。德國(guó)大眾汽車(chē)集團(tuán)牽頭研制的PtCo/ 高表面積碳(HSC)也取得重要進(jìn)展,催化功率密度、散熱能力均超過(guò)了美國(guó)能源部制定的規(guī)劃目標(biāo)值(2016—2020 年)。后續(xù),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(biāo)的 MEA 優(yōu)化制備,仍是降低氫燃料電池系統(tǒng)商用成本的重要途徑。
1.3、氣體擴(kuò)散層
在氫燃料電池的電堆中,空氣與氫氣通入到陰、陽(yáng)極上的催化劑層還需要穿越氣體擴(kuò)散層(GDL)。 GDL由微孔層、支撐層組成,起到電流傳導(dǎo)、散熱、水管理、反應(yīng)物供給的作用,因此需要良好的導(dǎo)電性、高化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性,還應(yīng)有合適的孔結(jié)構(gòu)、柔韌性、表面平整性、高機(jī)械強(qiáng)度;這些性能對(duì)催化劑層的電催化活性、電堆能量轉(zhuǎn)換至關(guān)重要,是GDL結(jié)構(gòu)和材料性能的體現(xiàn)。微孔層通常由碳黑、憎水劑構(gòu)成,厚度為 10~100 μm,用于改善基底孔隙結(jié)構(gòu)、降低基底與催化層之間的接觸電阻、引導(dǎo)反應(yīng)氣體快速通過(guò)擴(kuò)散層并均勻分布到催化劑層表面、排走反應(yīng)生成的水以防止“水淹” 發(fā)生。因編織碳布、無(wú)紡布碳紙具有很高的孔隙率、足夠的導(dǎo)電性,在酸性環(huán)境中也有良好的穩(wěn)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(wú)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,制造工藝成熟、性能穩(wěn)定、成本相對(duì)較低,是支撐層材料的首選;在應(yīng)用前需進(jìn)行疏水處理,確保 GDL 具有適當(dāng)?shù)乃畟鬏斕匦?,通常是將其浸入到疏水劑(?PTFE)的水分散溶液中,當(dāng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)被完全浸透后轉(zhuǎn)移至高溫環(huán)境中進(jìn)行干燥處理,從而形成耐用的疏水涂層。為進(jìn)一步提高碳纖維紙的導(dǎo)電性,可能還會(huì)進(jìn)行額外的碳化、石墨化過(guò)程。
在功能角度看,GDL 均勻地將反應(yīng)氣體從流場(chǎng)引導(dǎo)至催化劑層,確保組件的機(jī)械完整性,并以一定的速度排除陰極上的反應(yīng)產(chǎn)物(水),防止陰極催化劑層發(fā)生“水淹”,也避免因失水過(guò)多導(dǎo)致陰極組件干燥而降低各離子的傳導(dǎo)率。因此,發(fā)生在 GDL 上的過(guò)程有:熱轉(zhuǎn)移過(guò)程、氣態(tài)輸運(yùn)過(guò)程、兩相流過(guò)程、電子輸運(yùn)過(guò)程、表面液滴動(dòng)力學(xué)過(guò)程等。
GDL 是燃料電池的水管理“中心”,通過(guò)對(duì)水的有效管理,提高燃料電池的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性;燃料電池對(duì)水的控制可以通過(guò)水管理系統(tǒng)的增濕器或自增濕 PEM 來(lái)部分實(shí)現(xiàn),但主要還靠 GDL 的作用。GDL 的厚度、表面預(yù)處理會(huì)影響傳熱和傳質(zhì)阻力,是整個(gè)氫燃料電池系統(tǒng)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(lái)降低濃差極化、歐姆極化,但也可能導(dǎo)致 GDL 機(jī)械強(qiáng)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(qiáng)度的 GDL 材料,是氫燃料電池關(guān)鍵技術(shù)。
對(duì) GDL 的研究,除了材料制備,還有關(guān)于壓縮、凍融、氣流、水溶造成的機(jī)械降解以及燃料電池啟動(dòng)、關(guān)閉及“氫氣饑餓”時(shí)的碳腐蝕造成的化學(xué)降解等的性能退化研究。此外,為促進(jìn) GDL 材料設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā),研究者利用中子照相技術(shù)、X-ray 電子計(jì)算機(jī)斷層描繪技術(shù)、光學(xué)可視化技術(shù)、熒光顯微術(shù)等手段來(lái)可視化 GDL 材料結(jié)構(gòu)和表面水的流動(dòng)狀態(tài),并利用隨機(jī)模型法、兩相流模型數(shù)字化重構(gòu) GDL 宏觀(guān)形貌(孔隙)結(jié)構(gòu);為研究 GDL 氣 – 液兩相流行為,較多運(yùn)用雙流體模型、多相混合模型、格點(diǎn) Boltzmann 方法、孔隙網(wǎng)絡(luò)模型、流體體積(VOF)法等。
GDL 技術(shù)狀態(tài)成熟,但面臨挑戰(zhàn)是大電流密度下水氣通暢傳質(zhì)的技術(shù)問(wèn)題和大批量生產(chǎn)問(wèn)題,生產(chǎn)成本依然居高不下;商業(yè)穩(wěn)定供應(yīng)的企業(yè)主要有加拿大巴拉德動(dòng)力系統(tǒng)公司、德國(guó) SGL 集團(tuán)、日本東麗株式會(huì)社和美國(guó) E-TEK 公司。日本東麗株式會(huì)社早在 1971 年開(kāi)始進(jìn)行碳纖維產(chǎn)品生產(chǎn),是全球碳纖維產(chǎn)品的最大供應(yīng)商,其他公司主要以該公司的碳產(chǎn)品為基礎(chǔ)材料。
02 | 雙極板
氫燃料電池中的雙極板(BPs)又稱(chēng)流場(chǎng)板,起到分隔反應(yīng)氣體、除熱、排出化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物(水)的作用;需滿(mǎn)足電導(dǎo)率高、導(dǎo)熱性和氣體致密性好、機(jī)械和耐腐蝕性能優(yōu)良等要求?;诋?dāng)前生產(chǎn)能力, BPs 占整個(gè)氫燃料電池電堆近 60% 的質(zhì)量、超過(guò) 10% 的成本。根據(jù)基體材料種類(lèi)的不同,BPs 可分為石墨 BPs、金屬 BPs、復(fù)合材料 BPs。石墨 BPs 具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和抗腐蝕能力,技術(shù)最為成熟,是 BPs 商業(yè)應(yīng)用最為廣泛的碳質(zhì)材料,但機(jī)械強(qiáng)度差、厚度難以縮小,在緊湊型、抗沖擊場(chǎng)景下的應(yīng)用較為困難。因此,更具性能和成本優(yōu)勢(shì)的金屬 BPs 成為了發(fā)展熱點(diǎn),如主流的金屬 BPs 厚度不大于 0.2 mm,體積和質(zhì)量明顯減少,電堆功率密度顯著增加,兼具延展性良好、導(dǎo)電和導(dǎo)熱特性?xún)?yōu)、斷裂韌性高等特點(diǎn);當(dāng)前,主流的氫燃料電池汽車(chē)公司(如本田、豐田、通用等品牌)都采用了金屬 BPs 產(chǎn)品。
也要注意到,金屬 BPs 耐腐蝕性較差,在酸性環(huán)境中金屬易溶解,浸出的離子可能會(huì)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(wèn)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(lèi)膜(類(lèi)金剛石、石墨、聚苯胺)等;另一方面是研制復(fù)合材料 BPs。復(fù)合材料 BPs 由耐腐蝕的熱固性樹(shù)脂、熱塑性樹(shù)脂聚合物材料、導(dǎo)電填料組成,導(dǎo)電填料顆??杉?xì)分為金屬基復(fù)合材料、碳基復(fù)合材料(如石墨、碳纖維、炭黑、碳納米管等)。新型聚合物 / 碳復(fù)合材料 BPs 成本低、耐腐蝕性好、質(zhì)量輕,是金屬 BPs、純石墨 PBs 的替代品。為了降低 BPs 的生產(chǎn)成本以滿(mǎn)足實(shí)際需求,發(fā)展和應(yīng)用了液壓成形、壓印、蝕刻、高速絕熱、模制、機(jī)械加工等制造方法。BPs 供應(yīng)商主要有美國(guó) Graftech 國(guó)際有限公司、步高石墨有限公司,日本藤倉(cāng)工業(yè)株式會(huì)社,德國(guó) Dana 公司,瑞典 Cellimpact 公司,英國(guó) Bac2 公司,加拿大巴拉德動(dòng)力系統(tǒng)公司等。
03 | 氫燃料電池系統(tǒng)部件
為了維持電堆的正常工作,氫燃料電池系統(tǒng)還需要?dú)錃夤?yīng)系統(tǒng)、水管理系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)等外部輔助子系統(tǒng)的協(xié)同配合,對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)部件有氫循環(huán)泵、氫瓶、增濕器、空氣壓縮機(jī)。燃料電池在工作狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生大量的水,過(guò)低的水含量會(huì)產(chǎn)生“干膜”現(xiàn)象,阻礙質(zhì)子傳輸;過(guò)高的水含量會(huì)產(chǎn)生“水淹”現(xiàn)象,阻礙多孔介質(zhì)中氣體的擴(kuò)散,導(dǎo)致電堆輸出電壓偏低。從陰極側(cè)穿透到陽(yáng)極的雜質(zhì)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(xué)腐蝕。因此,水的平衡對(duì) 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(huán)設(shè)備(循環(huán)泵、噴射器)來(lái)實(shí)現(xiàn)氣體吹掃、氫氣重復(fù)利用、加濕氫氣等功能。
氫氣循環(huán)泵可根據(jù)工況條件實(shí)時(shí)控制氫氣流量,提高氫氣利用效率,但在涉氫、涉水的環(huán)境下易發(fā)生“氫脆”現(xiàn)象,在低溫下的結(jié)冰現(xiàn)象可能導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常工作;因此,氫循環(huán)泵需要具有耐水性強(qiáng)、輸出壓強(qiáng)穩(wěn)定、無(wú)油的性能,制備難度較大,制造成本昂貴。為此發(fā)展出了單引射器、雙引射器方案,前者在高 / 低負(fù)載、系統(tǒng)啟停、系統(tǒng)變載等工況下不易保持工作流的穩(wěn)定性,后者能適應(yīng)不同工況但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制難度大。還有一些引射器與氫循環(huán)泵并聯(lián)、引射器加旁通氫循環(huán)泵方案,也有著鮮明的優(yōu)缺點(diǎn)。2010 年,美國(guó)技術(shù)咨詢(xún)公司提出了一種氫循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,利用回流的尾氣對(duì)注入氫氣加濕(無(wú)需陽(yáng)極增濕器),這代表了未來(lái)氫循環(huán)設(shè)備的發(fā)展方向。
氫燃料電池系統(tǒng)中的空氣壓縮機(jī),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(wú)油、結(jié)構(gòu)緊湊,常見(jiàn)的車(chē)載燃料電池空壓機(jī)有離心式、螺桿式、渦旋式等類(lèi)型。目前使用較多的是螺桿式空氣壓縮機(jī),但離心式空氣壓縮機(jī)因密閉性好、結(jié)構(gòu)緊湊、振動(dòng)小、能量轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn),較具應(yīng)用前景。在空氣壓縮機(jī)的關(guān)鍵部件中,軸承、電機(jī)是瓶頸技術(shù),低成本、耐摩擦的涂層材料也是開(kāi)發(fā)重點(diǎn)。美國(guó)通用電氣公司、聯(lián)合技術(shù)公司、普拉格能源公司,德國(guó) Xcellsis 公司,加拿大巴拉德動(dòng)力系統(tǒng)公司,日本豐田汽車(chē)公司等都擁有商業(yè)化的空氣壓縮機(jī)產(chǎn)品系列。
04 | 系統(tǒng)控制策略
氫燃料電池系統(tǒng)的壽命或耐久性,與系統(tǒng)控制策略密切相關(guān)。氫燃料電池汽車(chē)在啟動(dòng)時(shí)需要實(shí)時(shí)開(kāi)啟動(dòng)力電源以獲得足夠的壓力和反應(yīng)氣體;而在怠速或停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),為了吹掃電堆內(nèi)未反應(yīng)完全的氣體和產(chǎn)生的水,也需要開(kāi)啟動(dòng)力電源,規(guī)避“水淹”“氫脆”、化學(xué)腐蝕等情況的出現(xiàn)。因此,在氫燃料電池汽車(chē)的啟動(dòng) / 停止、怠速、高 / 低負(fù)載等隨機(jī)性變化的工況條件下,應(yīng)基于現(xiàn)有系統(tǒng)構(gòu)造、燃料電池衰減機(jī)理,優(yōu)化控制策略來(lái)確保負(fù)載正常工作,進(jìn)而維持氫燃料電池系統(tǒng)燃料(氫氣、空氣)供應(yīng)流的均勻性、穩(wěn)定性、熱能與水平衡。近年來(lái),在氫燃料電池系統(tǒng)(如 PEMFC)控制方面發(fā)展或應(yīng)用了諸如模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊邏輯 – 比例積分微分控制(FLC-PID)等方法,操作簡(jiǎn)單、低成本、不增加計(jì)算負(fù)擔(dān),是優(yōu)化控制策略的前瞻方向。
三、我國(guó)氫燃料電池技術(shù)研發(fā)進(jìn)展及重點(diǎn)發(fā)展方向
01 | 關(guān)鍵材料及組件研發(fā)進(jìn)展
近年來(lái),我國(guó)的氫燃料電池技術(shù)基礎(chǔ)研究較為活躍,在一些技術(shù)方向具備了與發(fā)達(dá)國(guó)家“比肩” 的條件;但整體來(lái)看,所掌握的核心技術(shù)水平、綜合技術(shù)體系尚不及具有領(lǐng)先地位的國(guó)家,如我國(guó)在1998 年才出現(xiàn)首個(gè)氫燃料電池發(fā)明專(zhuān)利,目前相關(guān)核心專(zhuān)利數(shù)僅占世界的1%左右。先發(fā)國(guó)家在氫燃料電池系統(tǒng)、組件、控制技術(shù)、電極等方面發(fā)展相對(duì)均衡,一些國(guó)際性企業(yè)在燃料電池系統(tǒng)、電池組件與加工、控制技術(shù)等方面居于世界領(lǐng)先地位(見(jiàn)圖 2、圖 3)。
圖 2 主要國(guó)家在氫燃料電池方面的研發(fā)重心分布
圖 3 氫燃料電池代表性企業(yè)的研發(fā)重心布局
在儲(chǔ)氫方面,高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)在國(guó)內(nèi)外獲得普遍使用,低溫液態(tài)儲(chǔ)氫在國(guó)外有較大發(fā)展,而國(guó)內(nèi)暫限于民用航空領(lǐng)域的小范圍使用。液氨、甲醇、氫化物、液體有機(jī)氫載體(LOHC)儲(chǔ)氫在國(guó)外已有成熟產(chǎn)品和項(xiàng)目應(yīng)用,而國(guó)內(nèi)仍處于小規(guī)模實(shí)驗(yàn)階段。催化劑、GDL 等關(guān)鍵零部件或材料處在研究與小規(guī)模生產(chǎn)階段,批量化產(chǎn)品的可靠性、耐久性還需要長(zhǎng)期驗(yàn)證,主要技術(shù)為國(guó)外公司所掌握。中山大洋電機(jī)股份有限公司、思科渦旋科技(杭州)有限公司、上海漢鐘精機(jī)股份有限公司等國(guó)內(nèi)企業(yè),均處于氫氣循環(huán)泵的產(chǎn)品研發(fā)驗(yàn)證階段,部分公司已實(shí)現(xiàn)小批量產(chǎn)品供貨。碳紙、碳布是制備 GDL 的關(guān)鍵材料,基礎(chǔ)材料是碳纖維;我國(guó)碳纖維研制從 20 世紀(jì) 80 年代中期才開(kāi)始,目前尚處于小規(guī)模生產(chǎn)階段,生產(chǎn)的碳纖維很難同時(shí)滿(mǎn)足電堆對(duì)于低電阻、高滲透性、機(jī)械強(qiáng)度大等的要求,與國(guó)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(jì)平新能源科技公司均有小批量的碳紙生產(chǎn)能力。我國(guó)已將碳纖維列為重點(diǎn)支持的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè),相關(guān)技術(shù)在產(chǎn)業(yè)政策扶持下有望加速發(fā)展。
石墨 BPs已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化,金屬BPs實(shí)現(xiàn)小批量供貨,但耐久性、可靠性有待繼續(xù)檢驗(yàn);相關(guān)研究單位或企業(yè)有中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、武漢理工大學(xué)、新源動(dòng)力股份有限公司、國(guó)鴻氫能科技有限公司、上海弘楓實(shí)業(yè)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(dòng)力股份有限公司等氫燃料電池電堆供應(yīng)商,產(chǎn)品功率達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,建成了自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn);金屬 BPs 電堆功率密度達(dá)到 3.8 kW/L,可在 –30 ℃低溫條件下自啟動(dòng),完成6000h實(shí)車(chē)工況耐久性測(cè)試。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(jīng)建成電堆自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)。貴研鉑業(yè)股份有限公司、中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、上海交通大學(xué)、清華大學(xué)等從事催化劑研究,其中中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理所制備的Pt3Pd/C 合金催化劑已應(yīng)用于燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)。PEM 已具有國(guó)產(chǎn)化能力,年產(chǎn)能可達(dá)數(shù)萬(wàn)平方米,但高端產(chǎn)品還依賴(lài)進(jìn)口??諝鈮嚎s機(jī)技術(shù)起步晚,2018 年實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化并有小批量生產(chǎn),但缺少低功耗、高速、無(wú)油的空氣壓縮機(jī)產(chǎn)品。
在產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面,珠江三角洲、長(zhǎng)江三角洲、京津翼地區(qū)涌現(xiàn)出了數(shù)百家氫燃料電池公司;氫燃料電池商用車(chē)(客車(chē)、叉車(chē))已實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn),燃料電池乘用車(chē)尚處在應(yīng)用示范階段。國(guó)產(chǎn)乘用車(chē)、商用車(chē)的電堆功率與國(guó)外產(chǎn)品大致相當(dāng),但系統(tǒng)可靠性、耐久性、比功率、綜合壽命方面還需工況驗(yàn)證。國(guó)內(nèi)一些企業(yè)掌握了氫燃料電池系統(tǒng)研發(fā)技術(shù),相關(guān)產(chǎn)品的冷啟動(dòng)、功率密度等性能顯著提升,具有年產(chǎn)萬(wàn)臺(tái)的批量化生產(chǎn)能力。然而與國(guó)際先進(jìn)水平相比,國(guó)產(chǎn)電池系統(tǒng)核心零部件及系統(tǒng)的耐久性與可靠性仍存在一定差距。
02 | 重點(diǎn)發(fā)展方向
2.1、關(guān)鍵材料與核心組件的性能及產(chǎn)能提升
膜電極、BPs、氫氣循環(huán)泵、空氣壓縮機(jī)、 GDL 等核心組件,PEM、催化劑等關(guān)鍵材料,均已實(shí)現(xiàn)小規(guī)模自主生產(chǎn),為未來(lái)大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)儲(chǔ)備了技術(shù)基礎(chǔ)條件。氫燃料電池系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化程度已從 2017 年的 30% 提高到 2020 年的 60%。預(yù)計(jì)到 2025年,金屬 BPs 可完全國(guó)產(chǎn)化,低功耗、高速、無(wú)油的空氣壓縮機(jī)進(jìn)入小規(guī)模自主生產(chǎn)階段;機(jī)械強(qiáng)度高、孔隙率均勻、抗碳腐蝕的碳纖維制備技術(shù)有望取得突破,大電流密度條件下的 GDL 水氣通暢傳質(zhì)問(wèn)題有望得到解決。
在技術(shù)應(yīng)用方面,從現(xiàn)階段重點(diǎn)發(fā)展氫燃料電池客車(chē)、卡車(chē)等商用車(chē),逐步推廣到乘用車(chē)、有軌電車(chē)、船舶、工業(yè)建筑、分布式發(fā)電等領(lǐng)域。隨著關(guān)鍵材料的物理性能改進(jìn),各組件熱學(xué)、力學(xué)、電化學(xué)穩(wěn)定性提高,氫燃料電池系統(tǒng)的穩(wěn)定性、綜合壽命將有明顯改善。預(yù)計(jì)到 2035 年,燃料電池系統(tǒng)功率密度將由當(dāng)前約 3.1 kW/L 全面提升到約 4.5 kW/L,乘用車(chē)、商用車(chē)電堆壽命將由當(dāng)前的 5000 h、15 000 h 分別增加到 6000 h、20 000 h。
2.2、生產(chǎn)成本的顯著下降
氫燃料電池系統(tǒng)的成本必然隨著技術(shù)進(jìn)步、生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大而下降,預(yù)計(jì)未來(lái) 10 年生產(chǎn)成本將降低至目前的 50%。燃料電池系統(tǒng)各部件的成本構(gòu)成,若按照年產(chǎn)量為5×105套、凈功率為 80 kW/套計(jì)算,可建立分析模型:膜電極成本占比為 27%,BPs 成本占比為 12.4%,空氣循環(huán)子系統(tǒng)(含空氣壓縮機(jī)、質(zhì)量監(jiān)控傳感器、溫度傳感器、過(guò)濾器等)成本占比為 25.8%,冷卻回路(含高低溫回路、空氣預(yù)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(gè)電池電堆成本的 28% 和 41%,而氣體擴(kuò)散層、電解質(zhì)膜、膜電極骨架三者成本大體相當(dāng),約占電堆成本的 6%~8%;各部件在系統(tǒng)成本中的占有比例隨著生產(chǎn)規(guī)模和各自的技術(shù)水平而變化。該分析結(jié)果雖具有模型依賴(lài)性并建立在豐田 Mirai 車(chē)型數(shù)據(jù)及一些前提假設(shè)基礎(chǔ)上,但揭示了未來(lái)提高氫燃料電池電堆功率密度、降低氫燃料電池系統(tǒng)制造成本的途徑。應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展低成本、低 Pt 或無(wú) Pt 的電催化劑,低成本、輕薄型、高性能復(fù)合材料 BPs,盡快發(fā)布產(chǎn)業(yè)政策和技術(shù)規(guī)范,在條件成熟區(qū)域擴(kuò)大燃料電池系統(tǒng)生產(chǎn)規(guī)模。
美國(guó)能源部計(jì)劃在 2025 年實(shí)現(xiàn)氫燃料電池系統(tǒng)(功率為 80 kW)成本目標(biāo) 40 美元/kW,為遠(yuǎn)期的30美元/kW 目標(biāo)奠定基礎(chǔ),進(jìn)而達(dá)到與內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)的生產(chǎn)成本可比性。按照我國(guó)現(xiàn)有的技術(shù)儲(chǔ)備條件,根據(jù)中國(guó)氫能聯(lián)盟《中國(guó)氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書(shū)》(2019 年、2020 年)預(yù)測(cè),2035年我國(guó)氫燃料電池系統(tǒng)的生產(chǎn)成本將降至當(dāng)前的 1/5(約 800 元/kW);到 2050 年降低至 300 元/kW;屆時(shí)燃料電池汽車(chē)擁有量將超過(guò)3×107輛,加氫站數(shù)量達(dá)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(guó)研究機(jī)構(gòu)與企業(yè)之間的深度協(xié)作而帶來(lái)技術(shù)快速提升,到2035年氫燃料電池汽車(chē)成本將具有與內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)同等的競(jìng)爭(zhēng)力并基本接近國(guó)外先進(jìn)水平,但就目前的技術(shù)狀態(tài)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(shù),大幅度降低相關(guān)系統(tǒng)的生產(chǎn)成本。
四、對(duì)策建議
01 | 強(qiáng)化制氫技術(shù)攻關(guān),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(shù)的推廣應(yīng)用,而大規(guī)模的氫燃料電池技術(shù)利用將進(jìn)一步降低相關(guān)系統(tǒng)的成本。建議切實(shí)推動(dòng)與氫燃料電池技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈配套的制氫、儲(chǔ)運(yùn)氫、加氫站的發(fā)展,穩(wěn)步降低氫氣燃料使用成本;重點(diǎn)發(fā)展并應(yīng)用碳捕獲與封存技術(shù),通過(guò)風(fēng)能、水能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能等可再生能源,傳統(tǒng)谷電能實(shí)施大規(guī)模綠色制氫;對(duì)標(biāo)當(dāng)前國(guó)際先進(jìn)水平的 2~3 mg/cm2催化劑 Pt 載量、3.7美元 /kg 產(chǎn)氫成本的指標(biāo),重點(diǎn)采用 PEM 電解槽制氫技術(shù)路線(xiàn),積極發(fā)展高溫固體氧化物電解水制氫技術(shù)。
02 | 加快關(guān)鍵材料和核心組件的技術(shù)攻關(guān)與轉(zhuǎn)化應(yīng)用
為進(jìn)一步降低氫能的生產(chǎn)和利用成本,無(wú)論是氫燃料電池還是電解水制氫,需要大力開(kāi)展碳纖維/ 布、PEM、催化劑、GDL、BPs 等關(guān)鍵材料或核心組件的制備技術(shù)研究與轉(zhuǎn)化應(yīng)用。建議構(gòu)建 “研究機(jī)構(gòu) / 實(shí)驗(yàn)室 – 企業(yè) – 產(chǎn)業(yè)園”的協(xié)同創(chuàng)新機(jī)制,鼓勵(lì)原創(chuàng)的突破性研究成果進(jìn)入企業(yè)開(kāi)展 “先行先試”,及早接受市場(chǎng)考驗(yàn);在有條件的地區(qū)建設(shè)氫能產(chǎn)業(yè)園區(qū),注重產(chǎn)業(yè)集群建設(shè)以形成規(guī)?;?yīng),從而促進(jìn)氫燃料電池系統(tǒng)及氫氣成本的技術(shù)性下降;支持自主研發(fā)企業(yè)的產(chǎn)品進(jìn)駐氫能產(chǎn)業(yè)園區(qū)進(jìn)行培育示范,國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)側(cè)重支持企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)品論證和工況測(cè)試。多渠道、全方位引入社會(huì)資本參與加氫站、儲(chǔ)運(yùn)氫基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),通過(guò)項(xiàng)目試點(diǎn)和示范運(yùn)營(yíng),助推氫燃料電池全產(chǎn)業(yè)鏈的穩(wěn)健發(fā)展。
03 | 科學(xué)制定產(chǎn)業(yè)規(guī)劃,構(gòu)建政策保障體系
建議研究制定有關(guān)氫能、氫燃料電池技術(shù)的中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃,做好系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)。關(guān)鍵技術(shù)的突破與創(chuàng)新,穩(wěn)定的專(zhuān)業(yè)人才隊(duì)伍是關(guān)鍵,建議在 2021—2035 年周期內(nèi)持續(xù)設(shè)立氫燃料電池國(guó)家級(jí)專(zhuān)項(xiàng)課題,提供穩(wěn)定的經(jīng)費(fèi)支持,鼓勵(lì)氫能及氫燃料電池研究隊(duì)伍傾力投入研究。合理保持對(duì)氫燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈的投入,從土地、稅收、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等諸多方面給予積極支持,鼓勵(lì)和引導(dǎo)氫燃料電池企業(yè)從事研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用活動(dòng)。有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系的構(gòu)建,是引導(dǎo)企業(yè)安全有序開(kāi)展研發(fā)和市場(chǎng)活動(dòng)的重要前提,建議系統(tǒng)研究制定加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施的安全標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)文件,車(chē)輛、船舶、發(fā)電站等應(yīng)用場(chǎng)景下氫燃料電池系統(tǒng)的技術(shù)和檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn),出臺(tái)法規(guī)文件縮短加氫站及氫燃料電池項(xiàng)目從審批、建設(shè)到運(yùn)營(yíng)的時(shí)間歷程。
原標(biāo)題:我國(guó)氫燃料電池要攻關(guān)哪些核心材料和技術(shù)?