聚焦氫能燃料電池技術

　　近日，主題為“氫能燃料電池技術”的西苑沙龍會議在京召開。與會專家對氫能燃料電池技術的發展現狀、應用前景、技術瓶頸以及發展趨勢等進行了深入、廣泛的研討，對我國氫能燃料電池技術在關鍵技術、示范和產業化應用等方面與發達國家間存在的差距進行了分析，提出了未來發展目標和技術路線，同時，針對我國燃料電池技術發展特點，從政府和政策層面提出了相關建議措施。

　　■ 專家說

　　潘牧

　　武漢理工大學教授、博導，武漢理工新能源公司總經理：

　　近年來，氫能燃料電池無論從研發投入、技術成果還是燃料電池、制氫產業來看，國際氫能燃料電池都處于持續增長的局面，其市場將隨時迎來爆發性增長。

　　研發、示范氫能燃料電池的生產、供給和儲存技術，實現智能住宅、智能建筑和智能城鎮的燃氣網絡和電網絡互聯、互動，建立智能能源網絡技術體系，對我國實現能源供給從集中式向分布式供給的結構轉變,實現風電、光伏等可再生能源的全利用，實現全社會能源利用效率的最大化，具有重要意義。智能能源網絡技術將帶來第三次工業革命，是全球經濟發展的一場盛宴，需要我國能源、交通以及家電等行業領軍企業積極參與。

　　鄭津洋

　　浙江大學化工機械研究所所長、博導，長江學者特聘教授：

　　制氫是氫能應用的基礎。高效、安全可靠、低成本的儲氫、輸氫技術是氫能規模應用的瓶頸，氫基礎設施建設是推動氫能產業化的重要力量，氫安全是氫能推廣和應用的保障，標準化是氫能燃料電池產業化的重要環節。

　　朱新堅

　　上海交通大學機械與動力工程學院教授、博導：

　　SOFC在大中小型固定式熱電聯供領域有著廣闊的應用前景。自2010年Bloom Energy 公司研制出100kW SOFC系統(Bloom Box)產品以來，國際SOFC進入了商業化快速發展階段。經多年攻關，我國SOFC在原材料及組件、單電池、電池組和發電系統集成等技術層面均取得了長足的進步，但從技術和產業現狀看，與國際先進水平仍然有5年左右的差距。主要原因有二條：一是研發主體倒置;二是國家層面沒有明確的 SOFC發展戰略路線圖。因此，加快制訂國家SOFC發展戰略路線圖;引導大型企業進入SOFC研發領域;出臺國家SOFC鼓勵政策，是加速我國SOFC 商業化的必由之路。

　　齊志剛

　　武漢銀泰科技燃料電池有限公司副總經理：

　　我國質子交換膜燃料電池PEMFC技術水平與國際先進水平還有很大的差距，而且這種差距似乎在拉大。我國的技術落后表現在幾乎所有方面，如關鍵材料、關鍵模塊、關鍵輔助部件、系統控制和集成，并且基本上沒有長期運行的經驗。

　　政府支持應立足于系統的示范運行，由此引導關鍵材料、關鍵模塊和關鍵技術的開發和應用，并且把支持重點放在可靠性、壽命而非僅性能上。

　　■ 圖說

　　什么是氫能燃料電池?

　　氫能是一種二次能源，具有來源多樣、潔凈環保、可儲存和可再生等特點，可以同時滿足資源、環境和可持續發展的要求。氫能燃料電池技術，一直被認為是利用氫能，解決未來人類能源危機的途徑之一，甚至被某些專家視為終極方案，是氫能經濟中的核心技術。

　　結構

　　氫燃料電池由正極、負極和離子導體的電解質構成，燃料在負極氧化，氧化劑從正極還原，電子從負極通過負載流向正極構成電回路，從而產生電流。

　　和普通電化學電池不同的是，燃料電池工作時所需的燃料和氧化劑由外部供給，其本身僅是能量轉換裝置。

　　分類

　　按照使用方式可分為固定式和便攜式燃料電池;按照運行時溫度可分為低溫(小于100℃)、中溫(100℃—300℃)和高溫(500℃—1000℃)燃料電池。

　　按照燃料種類可分為氫氣和重整氫燃料電池。

　　通常情況下，按照燃料電池內部電解質的種類進行劃分，可分為磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)、堿性燃料電池(AFC)和質子交換膜燃料電池(PEMFC)。因電解質非固態且具腐蝕性，AFC、PAFC、MCFC的市場接受度較差。

　　目前，PEMFC和SOFC最為市場接受。

　　氫能燃料電池技術，正是讓我們的生活遠離霧霾、重見藍天的綠色能源技術。

　　氫能燃料電池具有哪些市場應用前景?

　　燃料電池在電動汽車、叉車、家用熱電聯供、備用電源、固定電站、軍用電源等領域顯示出巨大的應用前景。

　　●燃料電池電動汽車

　　世界七大汽車巨頭均在持續開發燃料電池電動汽車，并將其上市時間設定在2015—2017年。2013年2月，韓國現代汽車公司率先建成世界首條燃料電池電動汽車生產線，計劃在2015年前制造出1000輛燃料電池電動汽車。

　　●叉車

　　燃料電池叉車在美國已累計銷售數千輛，且無需政府補貼。美國Sysco公司在2010年裝備了一支燃料電池叉車車隊，截至2012年底，該車隊已累計運行79萬小時，加氫66噸，且與純電動叉車相比，每年可節約10萬美元。

　　●家用熱電聯供

　　自2009年，日本開始進行名為“ENE-FARM”家用燃料電池熱電聯供系統(CHP)的商業化推廣，政府對安裝該系統的單位和個人進行財政補貼。2012年9月，歐盟設立名為ene.field的CHP項目，計劃投資5300萬歐元。

　　●新的增長點—電、氣轉換

　　電—氣轉換技術將可再生能源多余電能通過電解水轉變為氫氣，產生的氫氣即可儲存起來根據需要由燃料電池再發電，也可直接進入天然氣管道給用戶使用。德國能源巨頭意昂公司正在Falkenhagen建設示范工廠，利用2MW風電生產360Nm3/h氫氣，這些氫氣以2%體積比直接送入 Ontras天然氣公司管道中，實現了風電能量的轉換和儲存。

　　●備用電源

　　燃料電池作為通信基站的備用電源壽命長，備電時間久、維護便捷、環境適應性強以及零污染等。2010年美國共銷售1221臺燃料電池備用電源，2011年超過2000臺。加拿大Ballard公司僅2011年就銷售燃料電池備用電源1447臺。

　　●固定電站

　　近年來，大型燃料電池電站(MW級)安裝數量逐年增加。如，美國Fuel Cell Energy公司已聯合韓國POSCO公司安裝了超過40MW的MCFC燃料電池電站，并計劃在2013年再安裝60MW。

　　●軍用電源

　　燃料電池在國防上的應用范圍日益廣泛，主要是采用燃料電池動力系統作為其軍用電源。2005年10月，繼瑞典“哥特蘭”(A-19)級潛艇采用燃料電池動力系統后，德國212A、214A型潛艦也陸續采用該系統。最近，韓國購買了3艘214A型潛艦，并將建造6艘燃料電池動力系統潛艇;美國海軍研發出以燃料電池為動力的“離子虎”無人機，持續飛行時間超過了48小時。

　　■ 延伸

　　氫能燃料電池關鍵技術與瓶頸

　　在氫能燃料電池領域，美國、日本處于世界領先地位，德國次之。加拿大、英國、韓國、中國等處于第二集團，是氫能經濟的有力挑戰者和追隨者。但是，關鍵技術、示范應用和產業化差距導致我國氫能燃料電池技術發展面臨嚴峻挑戰。

　　關鍵材料研發

　　燃料電池的關鍵材料主要包括催化劑、質子交換膜、雙極板、絕緣端板等。高性能燃料電池關鍵材料的研發與產業化應用已經成為限制燃料電池技術進步的主要問題之一。

　　催化劑是保證燃料電池電化學反應活性的關鍵，已成為燃料電池領域最為熱門的研發方向之一。燃料電池催化劑主要分為鉑催化劑、低鉑催化劑以及無鉑催化劑三類，研究內容涵蓋多元合金催化劑、核殼催化劑、非貴金屬催化劑以及陰極催化反應機理研究等。

　　質子交換膜作為燃料電池系統的另一類重要核心材料，同樣是影響電池性能和壽命的關鍵因素，其技術難點主要包括：(1)質子膜導電機理與降解機理研究;(2)具有化學與機械穩定性、導電性、自加濕能力的高性能質子膜材料的開發;(3)質子膜的成型技術。

　　膜電極制備

　　膜電極作為電化學反應場所，是燃料電池系統的核心功能部件，其研發面臨的關鍵技術難題主要包括：(1)增強膜電極三相反應界面及其穩定性;(2)單片膜電極制備的均一性和膜電極批量生產的一致性;(3)膜電極中催化劑的腐蝕與質子膜的降解;(4)膜電極破壞機理研究與壽命衰減測試;(5)商業化膜電極制備技術及其性能可靠性。

　　我國開發出的膜電極電輸出性能已接近1W/cm2的國際先進水平。

　　電池堆設計

　　燃料電池堆的設計上承系統運行要求，下接關鍵材料性能，同時還要考慮反應氣流體力學行為與電化學反應過程，是基礎研究與工程設計結合的產物，所涉及的技術難點主要包括：(1)電池堆內部反應氣與冷卻液的均勻分配;(2)電池堆縱向溫度分布的均一性;(3)端板節電池的性能衰減;(4)陰陽極反應腔內濕度分布的可控性;(5)電池堆內部單電池性能分布與操作條件優化;(6)電池堆密封的可靠性;(7)電池堆耐水淹、耐干燥條件運行能力;(8)電池堆裝配壓力分布對性能影響及裝配工藝優化。

　　電池堆設計根據所處研發階段而面臨相應的技術瓶頸：(1)電池堆運行的可靠性，包括運行的穩定性，安全性及壽命;(2)電池堆發電效率、功率密度的提高和成本的減控;(3)電池堆批量生產過程中的質量監控和成本降低。

　　系統集成

　　燃料電池系統設計、集成與控制是以電池堆運行特性為基礎，根據系統運行要求，結合附屬部件工作特點，實現系統的軟件控制與硬件集成。由于系統的復雜性和模塊的多樣化，燃料電池系統集成面臨的主要技術難題包括：(1)電池堆與系統內其它模塊間的熱量耦合及散熱處理;(2)系統水氣管理與循環利用;(3)系統的快速啟動與響應;(4)附屬部件與系統電能輸出的能量管理以及系統故障實時檢測與自修復功能。

　　示范應用

　　我國燃料電池汽車的示范主要得益于大型活動的舉辦，如2008年北京奧運會及2010年上海世博會均有較大規模的燃料電池車示范運行，但運行時間未超過一年，與國際上長達數年的大規模示范有較大差距。氫基礎設施建設落實是制約燃料電池示范應用的重要原因。我國累計建造了5座加氫站，目前僅有 2座保持運行，而國際上已有近200座加氫站在運行。

　　國際上燃料電池產業鏈各環節均已實現產業化，但國內的產業化程度還很低，且研發主體基本為中小企業，商業化產品寥寥無幾。

　　“西苑沙龍”是科技部高技術研究發展中心為了推動國家科技計劃相關領域發展戰略研究，舉辦的以西苑飯店為場地的系列科技發展戰略和學術研討沙龍活動。沙龍重點圍繞高技術、基礎研究及其學科交叉領域的發展前沿與趨勢、重大應用和產業發展需求方面的重大問題，探討科技前沿、討論最新突破性進展，展望未來發展趨勢。沙龍鼓勵與會者本著“客觀、求實，融合、創新”的原則，以客觀求實的態度，發表自己的學術觀點;鼓勵和引導多學科交叉融合，激勵創新思想。