中科院邵志刚：燃料电池实现产业化仍存在技术瓶颈
2016-11-28 17:27:49
摘要：中科院大连化学物理研究所邵志刚在2016中国国际氢能与燃料电池技术应用展暨产业发展大会上表示，燃料电池要大批量的产业化还有几个技术瓶颈，首道坎儿就是加氢站。
以下为 邵志刚演讲实录：
邵志刚：我介绍一下质子交换膜燃料电池，主要是我们所的成果，燃料电池它是电化学发电机，由于清洁高效发电友好，如果是用氢气可以实现零排放，它可以用陆海空，从2014年丰田公司将燃料电池商业化以后，实现了热潮，本田公司也宣布他们可以商业化，去年到今年还有如皋的介绍，我国也形成燃料电池汽车开发热潮。在广东和江苏如皋和河南郑州有热点城市，燃料电池汽车是迎来了一个又一个热潮，但是燃料电池要大批量的产业化还有几个技术瓶颈，第一就是加氢站，刚才毛教授已经介绍了，我国现在只有三个，正在建的是六个，这是首先没有氢气燃料电池没有燃料是不行的，没有加油站相当于。第二是成本和寿命，没有寿命的保证和低的成本商业化道路是比较难的。
我们所针对降低成本提高寿命开展了三方面的工作，第一个方面是工程应用技术方面，开发新型催化剂、新型的膜和新型的技术，包括新的涂层等等。再有是工程化技术，控制策略、低温重复启动等等。第三个方面是做演示，系统集成演示和标准工作。
第一个方面是工程应用技术方面，在燃料电池运行过程中随着时间的推移，催化剂会聚集、流失，稳定性不好，所以需要提高稳定性，空气也会使催化剂中毒，催化剂需要把当量要降低，主要是提高活性和稳定性。国际上主要合金，我们所开发出的催化剂，我们的稳定性好性能基本上持平，在发动机电堆短堆上实验结果，这个催化剂已经可以批量生产，用到生产的燃料电池发动机，稳定性比传统的会好。
如图，这种活性达到了美国DOE提出的指标，这个催化剂在发展的过程中。
包院士提出的效益催化理论，氧化铁放在碳管里面限制它的限率，这样可以提高稳定性和活性，可以用于一氧化碳转化比传统的要稳定好，已经进行千瓦级电池的实验，在此基础上开发的铁钢碳催化剂，限制轨道的扩张，这样可以提高稳定性和活性，也进行了相关的实验，它的特点是二氧化硫存在的时候稳定性比较好。
膜，核心的部件，刚开始是美国杜邦公司生产的，我们所在混合膜等方面开发了工作，首先是复合物，提高它的机械强度，在膜的厚度减薄一半的情况下机械强度更之前的膜是一样的，膜减薄了有利于提高了电池性能，化学稳定性，经过电化学反应过程翁会生成羟基自由基，我们提出自由基催灭剂将自由基复合掉提高膜的稳定性，稳定性是提高了四倍，这种膜，目的这种膜可以装在燃料电池发动机上。未来是碱性可以不用果催化剂，碱性的膜稳定性不好，我们所也进行了探索，完成了千瓦级例子膜的系统进行了初步探索性的开发。
发电的场所是模电极，最理想的结合是气体通道、离子通道、水分通道和电子通道比较有序化，这是理想中的状态，我们需要各走各的道，提高了催化剂的效率，可以为降低到达量打下基础，我们开发了三代，有序化进行了初步的探索，聚必洛，做了有序化的阵列，提高质子传导的有序性，性能得到了提高。
质子交换膜方面开发了静电纺丝技术，做制备催化层，催化层可以植被厚度一个微米左右，性能基本上跟一般传统的输出率电价更高，关键是稳定性，电位扫描稳定性高于传统的技术，静电喷涂技术进行批量生产，初步有序，一种是普通的技术、一种是静电喷涂技术初步的有序华，生产的电极在一个安培电流密度下加压效果比较好，质子交换膜是机加工的石墨板，成本比较高，后来推出模压的石墨板，围绕汽车小件的需要，需要批量的生产，最新的热点是金属板，但是金属板有个缺点，表面的接触电子比较大，耐蚀性比较差，所以提高了表面涂层，我们通过物理气象层级开发出物理涂层，初步达到了性能的要求。
成型工艺的开发也进行了软件的开发，刚开始有漏后来就没有了，通过开发技术、成型技术、焊接技术和表面涂层技术，初步完成了金属双极板的开发，目前一个双极板厚度是0.1厚度焊接而成，跟传统的复合板，这样体积可以减小三分之一。工程技术上的开发，包括系统的控制策略，低温存储和启动和其他的流程简化和集成。燃料电池一般实验室是用5平方厘米小电池实验，车上是几百平米的大电池，小电池不能代表大电池的性能，所以采用大电池，270平米的大电池，研究一个大电池里它的温度、电流、电压、氧气浓度的分布，从而开辟出它的衰减机理，我们也提出加入氮气，但是是不可行的，但是加入负载放电是可以消除界面的，可以降低衰减，燃料电池的输出电压理论上是1.23伏，实际工作0.6到0.7伏之间，买一个单节的性能是不一致的，所以提出方法，电解铝隔离出电池进行研究，研究不同条件下的衰减机理，从而提出提高均匀性的措施，电堆里面氢气一侧出气口检测到二氧化碳和氧气，也检测到高电位1.6伏以上，这个时候水的分解主要的电池反应，水电解变成了氢气和氧气，这种情况下加速了催化剂的衰减和电解结构的破坏，所以要防止。
启动停车的控制策略，没有控制策略通过循环是有衰减的，采用控制策略基本上没有衰减了。06年进行低温情况下快速启动的情况下，如何防止结冰目前可以做到零下20度电堆重启。
进行系统的集成和演示经，过多年的发展电堆的功率密度，目前金属双极板达到2.7，系统集成国内第一个中巴车开发燃料电池发电机。燃料电池系统用在无人机，飞机260公斤，翼展10.05米，载荷30公斤，飞行时间四小时，采用锂离子电池基本上40分钟，这是国内第一个燃料电池飞机。进行了燃料电池在我国标委会指导下，李老师是主任，牵头制定了一些燃料电池标准，刚开始是数据和测试，催化剂、双基板的测试方法和电堆的测试标准，车用方面也有一些，还有一些电站使用和便携式的燃料电池初步的标准。
我们做了一些工作，感觉随着燃料电池大批量的发展，还需要再进一步的降低成本，特别是除了要发展加氢站以外，大部分人认为氢气是比较的危险，其实情况不是这样的，氢气如果不密闭的话是比较安全，这需要在座的大力的宣传，大家的接受认知是有过程的，这是很重要的，希望共同努力推动燃料电池大规模的商业化。(能源新闻网)
