前段時間，國務院總理李克強在日本豐田汽車北海道工廠參觀考察了氫燃料電池車。這一舉動，被解讀為對氫燃料電池車產(chǎn)業(yè)釋放出利好信號。
一個有些尷尬的現(xiàn)實是，國外的燃料電池車已實現(xiàn)量產(chǎn)，但我國車用燃料電池還處在技術(shù)驗證階段。南方科技大學機械與能源工程系教授王海江指出，我國車用燃料電池的現(xiàn)狀是——幾乎無部件生產(chǎn)商，無車用電堆生產(chǎn)公司，只有極少量商業(yè)運行燃料電池車。
燃料電池是“一支隊伍”
一般來說，單節(jié)燃料電池的電壓偏低、電流偏大，在實際應用中需要由多節(jié)燃料電池串聯(lián)形成電堆，以提升輸出電壓。
氫燃料電池的動力來源是氫氣和氧氣，兩者會在燃料電池中開始它們的“奇幻”旅程：氫在陽極催化作用下氧化，生成質(zhì)子和電子;電子經(jīng)外電路做功，到達陰極;而質(zhì)子通過質(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生成水。
看起來似乎只是初中化學知識。但實際上，燃料電池的運作，是一個系統(tǒng)工程。
燃料電池不像普通蓄電池，反而更像發(fā)電機——把燃料和氧化劑“喝”進去，將電發(fā)出來。所以，除了電堆，燃料電池還有燃料供應子系統(tǒng)，氧化劑供應子系統(tǒng)，水熱管理子系統(tǒng)以及熱管理和控制系統(tǒng)……總之，人家是團隊作戰(zhàn)。
“燃料電池車是新能源車的一種，它是未來的發(fā)展方向之一。”中科院大連化物所燃料電池研究部部長邵志剛告訴科技日報記者，2014年年底，日本豐田公司宣布實現(xiàn)燃料電池車的商業(yè)化;而在國內(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，一個叫膜電極組件，一個叫雙極板。前者其實是由“三兄弟”構(gòu)成：質(zhì)子交換膜、催化層和氣體擴散層。
質(zhì)子交換膜的主要功能是傳輸質(zhì)子，分隔反應氣體以及電子絕緣。它負責“把門”，把質(zhì)子放過去，把電子攔下來;催化層主要搭載的是催化劑，催化劑可以促進氫、氧在電極上的氧化還原過程并產(chǎn)生電流;氣體擴散層則由基底層和微孔層組成，它要求具有高導電性、導熱性和疏水性。
這些關(guān)鍵材料，決定著燃料電池的壽命和性能。
“巧婦難為無米之炊。我們的關(guān)鍵材料長期依賴國外，一旦國外禁售，我國的燃料電池產(chǎn)業(yè)便沒有了材料基礎支撐。”清華大學氫燃料電池實驗室主任王誠說。
其實，這些材料我國并非完全沒有，有些實驗室成果甚至已達到國際水平。但是，沒有批量生產(chǎn)線，燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈依然梗阻。特別是在氣體擴散層量產(chǎn)技術(shù)方面，我國還是空白。“這是因為氣體擴散層的石墨化工序需要經(jīng)過2000℃以上的高溫才能制備，但關(guān)鍵設備高溫爐技術(shù)還掌握在國外手中。”王誠解釋。
要實現(xiàn)材料的批量生產(chǎn)，就得解決一致性和成本控制問題。它和實驗室制備的難度不可同日而語。以催化劑為例，王誠告訴科技日報記者，目前商用的燃料電池催化劑仍是鉑基催化劑，實驗室制備水平一般為毫克級，量產(chǎn)技術(shù)需公斤級水平。批量生產(chǎn)要突破三項關(guān)鍵技術(shù)：一是反應條件的均一，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，達到車用工況下的使用壽命。
將實驗室成果進行工業(yè)化放大是一項關(guān)鍵技術(shù)，需要企業(yè)介入。“長期以來，我國燃料電池的研發(fā)主要由高校和科研院所進行。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年就開始開展車用燃料電池研究。但基礎研究和應用之間的斷裂，使得關(guān)鍵材料的工業(yè)化成為一道坎。
要商業(yè)化，還得強鏈、補鏈
王海江此番回國，就是想帶著在燃料電池領域深耕多年的經(jīng)驗，和團隊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)、電堆集成和測試。但如果電堆原材料均需從國外進口，成本太高。于是，團隊又成立了一家公司，主攻氣體擴散層、質(zhì)子交換膜和催化劑三種關(guān)鍵材料的國產(chǎn)化。“到時，燃料電池的成本能下降三分之一。”王海江說。
目前，我國電堆及產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)數(shù)量逐漸增長，預計2018年國內(nèi)電堆產(chǎn)能將超過40萬kW。“純電動汽車近幾年有很大進步，為燃料電池的應用創(chuàng)造了非常好的條件。”王誠表示，“此時，我們就更需要聚焦燃料電池內(nèi)核創(chuàng)新。”
要打破發(fā)達國家的長期技術(shù)壟斷，就得加大對燃料電池核心材料產(chǎn)業(yè)化的投入。接受采訪的專家均指出，燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈“非常長”，涉及到氫能系統(tǒng)、燃料電池發(fā)電系統(tǒng)以及汽車等終端產(chǎn)品。“國內(nèi)零部件、氫基礎設施以及標準規(guī)范還不健全，需要強鏈、補鏈，帶動新材料、新能源、汽車高端裝備制造成長，才能促進燃料電池商業(yè)化提速。”王誠強調(diào)。
