燃料電池是“一支隊(duì)伍”

一般來(lái)說(shuō)，單節(jié)燃料電池的電壓偏低、電流偏大，在實(shí)際應(yīng)用中需要由多節(jié)燃料電池串聯(lián)形成電堆，以提升輸出電壓。

氫燃料電池的動(dòng)力來(lái)源是氫氣和氧氣，兩者會(huì)在燃料電池中開(kāi)始它們的“奇幻”旅程：氫在陽(yáng)極催化作用下氧化，生成質(zhì)子和電子;電子經(jīng)外電路做功，到達(dá)陰極;而質(zhì)子通過(guò)質(zhì)子交換膜從電池內(nèi)部傳輸?shù)疥帢O，質(zhì)子與電子在陰極匯合并在催化作用下與氧反應(yīng)生成水。

看起來(lái)似乎只是初中化學(xué)知識(shí)。但實(shí)際上，燃料電池的運(yùn)作，是一個(gè)系統(tǒng)工程。

燃料電池不像普通蓄電池，反而更像發(fā)電機(jī)——把燃料和氧化劑“喝”進(jìn)去，將電發(fā)出來(lái)。所以，除了電堆，燃料電池還有燃料供應(yīng)子系統(tǒng)，氧化劑供應(yīng)子系統(tǒng)，水熱管理子系統(tǒng)以及熱管理和控制系統(tǒng)……總之，人家是團(tuán)隊(duì)特種。

“燃料電池車(chē)是新能源車(chē)的一種，它是未來(lái)的發(fā)展方向之一。”中科院大連化物所燃料電池研究部部長(zhǎng)邵志剛告訴科技日?qǐng)?bào)記者，2014年年底，日本豐田公司宣布實(shí)現(xiàn)燃料電池車(chē)的商業(yè)化;而在國(guó)內(nèi)，一切尚處于起步階段。

關(guān)鍵材料還缺批量生產(chǎn)線

車(chē)用燃料電池，一般為質(zhì)子交換膜燃料電池。

它有兩大關(guān)鍵部件，一個(gè)叫膜電極組件，一個(gè)叫雙極板。前者其實(shí)是由“三兄弟”構(gòu)成：質(zhì)子交換膜、催化層和氣體擴(kuò)散層。

質(zhì)子交換膜的主要功能是傳輸質(zhì)子，分隔反應(yīng)氣體以及電子絕緣。它負(fù)責(zé)“把門(mén)”，把質(zhì)子放過(guò)去，把電子攔下來(lái);催化層主要搭載的是催化劑，催化劑可以促進(jìn)氫、氧在電極上的氧化還原過(guò)程并產(chǎn)生電流;氣體擴(kuò)散層則由基底層和微孔層組成，它要求具有高導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和疏水性。

這些關(guān)鍵材料，決定著燃料電池的壽命和性能。

“巧婦難為無(wú)米之炊。我們的關(guān)鍵材料長(zhǎng)期依賴(lài)國(guó)外，一旦國(guó)外禁售，我國(guó)的燃料電池產(chǎn)業(yè)便沒(méi)有了材料基礎(chǔ)支撐。”清華大學(xué)氫燃料電池實(shí)驗(yàn)室主任王誠(chéng)說(shuō)。

其實(shí)，這些材料我國(guó)并非完全沒(méi)有，有些實(shí)驗(yàn)室成果甚至已達(dá)到國(guó)際水平。但是，沒(méi)有批量生產(chǎn)線，燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈依然梗阻。特別是在氣體擴(kuò)散層量產(chǎn)技術(shù)方面，我國(guó)還是空白。“這是因?yàn)闅怏w擴(kuò)散層的石墨化工序需要經(jīng)過(guò)2000℃以上的高溫才能制備，但關(guān)鍵設(shè)備高溫爐技術(shù)還掌握在國(guó)外手中。”王誠(chéng)解釋。

要實(shí)現(xiàn)材料的批量生產(chǎn)，就得解決一致性和成本控制問(wèn)題。它和實(shí)驗(yàn)室制備的難度不可同日而語(yǔ)。以催化劑為例，王誠(chéng)告訴科技日?qǐng)?bào)記者，目前商用的燃料電池催化劑仍是鉑基催化劑，實(shí)驗(yàn)室制備水平一般為毫克級(jí)，量產(chǎn)技術(shù)需公斤級(jí)水平。批量生產(chǎn)要突破三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：一是反應(yīng)條件的均一，確保批次穩(wěn)定性;二是鉑顆粒納米尺寸控制，確保催化活性比表面積;三是提升碳載體的穩(wěn)定性，達(dá)到車(chē)用工況下的使用壽命。

將實(shí)驗(yàn)室成果進(jìn)行工業(yè)化放大是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，需要企業(yè)介入。“長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)燃料電池的研發(fā)主要由高校和科研院所進(jìn)行。企業(yè)持觀望態(tài)度，參與得少，加入得晚。”邵志剛所在的大連化物所從1994年就開(kāi)始開(kāi)展車(chē)用燃料電池研究。但基礎(chǔ)研究和應(yīng)用之間的斷裂，使得關(guān)鍵材料的工業(yè)化成為一道坎。

要商業(yè)化，還得強(qiáng)鏈、補(bǔ)鏈

王海江此番回國(guó)，就是想帶著在燃料電池領(lǐng)域深耕多年的經(jīng)驗(yàn)，和團(tuán)隊(duì)在深圳建成燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈。

先有了南科燃料電池有限公司，主要做電堆關(guān)鍵部分生產(chǎn)、電堆集成和測(cè)試。但如果電堆原材料均需從國(guó)外進(jìn)口，成本太高。于是，團(tuán)隊(duì)又成立了一家公司，主攻氣體擴(kuò)散層、質(zhì)子交換膜和催化劑三種關(guān)鍵材料的國(guó)產(chǎn)化。“到時(shí)，燃料電池的成本能下降三分之一。”王海江說(shuō)。

目前，我國(guó)電堆及產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)數(shù)量逐漸增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)2018年國(guó)內(nèi)電堆產(chǎn)能將超過(guò)40萬(wàn)kW。“純電動(dòng)汽車(chē)近幾年有很大進(jìn)步，為燃料電池的應(yīng)用創(chuàng)造了非常好的條件。”王誠(chéng)表示，“此時(shí)，我們就更需要聚焦燃料電池內(nèi)核創(chuàng)新。”

要打破發(fā)達(dá)國(guó)家的長(zhǎng)期技術(shù)壟斷，就得加大對(duì)燃料電池核心材料產(chǎn)業(yè)化的投入。接受采訪的專(zhuān)家均指出，燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈“非常長(zhǎng)”，涉及到氫能系統(tǒng)、燃料電池發(fā)電系統(tǒng)以及汽車(chē)等終端產(chǎn)品。“國(guó)內(nèi)零部件、氫基礎(chǔ)設(shè)施以及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范還不健全，需要強(qiáng)鏈、補(bǔ)鏈，帶動(dòng)新材料、新能源、汽車(chē)高端裝備制造成長(zhǎng)，才能促進(jìn)燃料電池商業(yè)化提速。”王誠(chéng)強(qiáng)調(diào)。