燃料电池商业化需攻克三种关键材料核心技术

前段时间，中华人民共和国国务院总理李克强在日本丰田北海道工厂参观检查了氢燃料电池汽车。此举被解读为氢燃料电池汽车行业的一个良好信号。一个尴尬的现实是，国外的燃料电池汽车已经量产，但中国的汽车燃料电池仍处于技术验证阶段。中国南方科技大学机械与能源工程系教授王海江指出，中国汽车燃料电池的现状是，几乎没有零部件制造商，没有汽车电池堆生产公司，只有少数商用燃料电池汽车。燃料电池是“一个团队”。一般来说，单个燃料电池的电压较低，而电流较高。在实际应用中，有必要通过串联连接多个燃料电池来形成电池组，以提高输出电压。氢燃料电池的动力源是氢和氧，它们将在燃料电池中开始它们的“幻想”之旅：氢在阳极的催化下被氧化，产生质子和电子；电子确实通过外部电路工作并到达阴极；质子通过质子交换膜从电池内部输送到阴极，质子和电子在阴极相遇，在催化作用下与氧气反应生成水。这似乎只是初中化学知识。但事实上，燃料电池的运行是一个系统工程。与普通电池不同，燃料电池更像是发电机——它们“饮用”燃料和氧化剂并发电。因此，燃料电池除了有电堆外，还有燃料供应子系统、氧化剂供应子系统，水热管理子系统和热管理与控制系统等。总之，人们是一个团队在战斗。“燃料电池汽车是一种新能源汽车，是未来的发展方向之一。”中国科学院大连化学研究所燃料电池研究部主任邵志刚告诉记者，2014年底，日本丰田公司宣布燃料电池汽车商业化；在国内，一切都还处于初级阶段。关键材料仍然缺乏大规模生产线的车用燃料电池，一般是质子交换膜燃料电池。它有两个关键部件，一个叫做膜电极组件，另一个叫做双极板。前者实际上由三个兄弟组成：质子交换膜、催化层和气体扩散层。质子交换膜的主要功能是质子传输、反应气体分离和电子绝缘。它负责“关上门”，将质子放在过去，并阻止电子；催化剂层主要负载催化剂，可以促进氢气和氧气在电极上的氧化还原过程并产生电流；气体扩散层由基层和微孔层组成，对导电性、导热性和疏水性要求较高。这些关键材料决定了燃料电池的寿命和性能。“聪明的女人做饭离不开大米。我们的关键材料长期依赖外国。一旦外国禁止销售，中国的燃料电池行业将没有物质基础支持。”清华大学氢燃料电池实验室主任王成说。事实上，这些材料在中国并非完全没有，一些实验室结果甚至达到了国际水平。然而，在没有大规模生产线的情况下，燃料电池产业链仍然受阻。特别是在气体扩散层的大规模生产技术方面，我国还处于空白。“这是因为气体扩散层的石墨化过程需要在2000℃以上的高温下进行制备，但关键设备高温炉技术仍掌握在国外手中。”王成解释道。要实现材料的大规模生产，我们必须解决一致性和成本控制问题。这与实验室准备的难度不同。以催化剂为例，王成告诉科技日报记者，目前商业化的燃料电池催化剂仍为铂基催化剂，实验室制备水平一般为毫克级，量产技术需要千克级。批量生产应突破三大关键技术：一是反应条件的均匀性，确保批量稳定性；

其次，铂颗粒的纳米尺寸控制确保了催化活性的比表面积；三是提高碳载体的稳定性，达到车辆工况下的使用寿命。实验室结果工业化是一项关键技术，需要企业的介入。“长期以来，我国燃料电池的研发主要由高校和研究院所进行。企业持观望态度，参与较少，加入较晚。”邵志刚所在的大连化工学院从1994年开始进行车用燃料电池的研究。然而，基础研究和应用之间的脱节使关键材料的工业化成为一个障碍。为了实现商业化，有必要加强和修复这条链条。王海江此次回国，带着团队多年在燃料电池领域的深厚经验，在深圳打造燃料电池产业链。首先是南科燃料电池有限公司有限公司，主要从事烟囱关键部件的生产、烟囱集成和测试。然而，如果烟囱的原材料需要从国外进口，成本太高。因此，该团队成立了另一家公司，专注于气体扩散层、质子交换膜和催化剂三种关键材料的国产化。“到那时，燃料电池的成本可以降低三分之一。”王海江说。目前，中国的电抗器和产业链企业数量正在逐步增加。预计2018年国内电抗器产能将超过40万千瓦。“近年来，纯电动汽车取得了巨大进步，为燃料电池的应用创造了非常好的条件。”王成说，“此时，我们需要专注于燃料电池核心创新。”要打破发达国家长期的技术垄断，就需要加大对燃料电池核心材料产业化的投资。受访专家指出，燃料电池产业链“非常长”，涉及氢能系统、燃料电池发电系统和汽车等终端产品。“国内零部件、氢能基础设施和标准规范仍不完善。要强链补链，带动新材料、新能源和高端汽车装备的制造业增长，加快燃料电池的商业化。”王成强调。前段时间，中华人民共和国国务院总理李克强在日本丰田北海道工厂参观检查了氢燃料电池汽车。此举被解读为氢燃料电池汽车行业的一个良好信号。一个尴尬的现实是，国外的燃料电池汽车已经量产，但中国的汽车燃料电池仍处于技术验证阶段。中国南方科技大学机械与能源工程系教授王海江指出，中国汽车燃料电池的现状是，几乎没有零部件制造商，没有汽车电池堆生产公司，只有少数商用燃料电池汽车。燃料电池是“一个团队”。一般来说，单个燃料电池的电压较低，而电流较高。在实际应用中，有必要通过串联连接多个燃料电池来形成电池组，以提高输出电压。氢燃料电池的动力源是氢和氧，它们将在燃料电池中开始它们的“幻想”之旅：氢在阳极的催化下被氧化，产生质子和电子；电子确实通过外部电路工作并到达阴极；

质子通过质子交换膜从电池内部输送到阴极，质子和电子在阴极相遇，在催化作用下与氧气反应生成水。这似乎只是初中化学知识。但事实上，燃料电池的运行是一个系统工程。与普通电池不同，燃料电池更像是发电机——它们“饮用”燃料和氧化剂并发电。因此，燃料电池除了有电堆外，还有燃料供应子系统、氧化剂供应子系统，水热管理子系统和热管理与控制系统等。总之，人们是一个团队在战斗。“燃料电池汽车是一种新能源汽车，是未来的发展方向之一。”中国科学院大连化学研究所燃料电池研究部主任邵志刚告诉记者，2014年底，日本丰田公司宣布燃料电池汽车商业化；在国内，一切都还处于初级阶段。关键材料仍然缺乏大规模生产线的车用燃料电池，一般是质子交换膜燃料电池。它有两个关键部件，一个叫做膜电极组件，另一个叫做双极板。前者实际上由三个兄弟组成：质子交换膜、催化层和气体扩散层。质子交换膜的主要功能是质子传输、反应气体分离和电子绝缘。它负责“关上门”，将质子放在过去，并阻止电子；催化剂层主要负载催化剂，可以促进氢气和氧气在电极上的氧化还原过程并产生电流；气体扩散层由基层和微孔层组成，对导电性、导热性和疏水性要求较高。这些关键材料决定了燃料电池的寿命和性能。“聪明的女人做饭离不开大米。我们的关键材料长期依赖外国。一旦外国禁止销售，中国的燃料电池行业将没有物质基础支持。”清华大学氢燃料电池实验室主任王成说。事实上，这些材料在中国并非完全没有，一些实验室结果甚至达到了国际水平。然而，在没有大规模生产线的情况下，燃料电池产业链仍然受阻。特别是在气体扩散层的大规模生产技术方面，我国还处于空白。“这是因为气体扩散层的石墨化过程需要在2000℃以上的高温下进行制备，但关键设备高温炉技术仍掌握在国外手中。”王成解释道。要实现材料的大规模生产，我们必须解决一致性和成本控制问题。这与实验室准备的难度不同。以催化剂为例，王成告诉科技日报记者，目前商业化的燃料电池催化剂仍为铂基催化剂，实验室制备水平一般为毫克级，量产技术需要千克级。批量生产应突破三大关键技术：一是反应条件的均匀性，确保批量稳定性；其次，铂颗粒的纳米尺寸控制确保了催化活性的比表面积；

三是提高碳载体的稳定性，达到车辆工况下的使用寿命。实验室结果工业化是一项关键技术，需要企业的介入。“长期以来，我国燃料电池的研发主要由高校和研究院所进行。企业持观望态度，参与较少，加入较晚。”邵志刚所在的大连化工学院从1994年开始进行车用燃料电池的研究。然而，基础研究和应用之间的脱节使关键材料的工业化成为一个障碍。为了实现商业化，有必要加强和修复这条链条。王海江此次回国，带着团队多年在燃料电池领域的深厚经验，在深圳打造燃料电池产业链。首先是南科燃料电池有限公司有限公司，主要从事烟囱关键部件的生产、烟囱集成和测试。然而，如果烟囱的原材料需要从国外进口，成本太高。因此，该团队成立了另一家公司，专注于气体扩散层、质子交换膜和催化剂三种关键材料的国产化。“到那时，燃料电池的成本可以降低三分之一。”王海江说。目前，中国的电抗器和产业链企业数量正在逐步增加。预计2018年国内电抗器产能将超过40万千瓦。“近年来，纯电动汽车取得了巨大进步，为燃料电池的应用创造了非常好的条件。”王成说，“此时，我们需要专注于燃料电池核心创新。”要打破发达国家长期的技术垄断，就需要加大对燃料电池核心材料产业化的投资。受访专家指出，燃料电池产业链“非常长”，涉及氢能系统、燃料电池发电系统和汽车等终端产品。“国内零部件、氢能基础设施和标准规范仍不完善。要强链补链，带动新材料、新能源和高端汽车装备的制造业增长，加快燃料电池的商业化。”王成强调。

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