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挖掘燃料电池潜力需从质子交换膜技术突破开始

作者:中国储能网新闻中心 来源:第一电动网 发布时间:2016-08-13 浏览:
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中国储能网讯:关于燃料电池,我国已在《中国制造2025》中提出,到2020年,实现燃料电池关键材料批量化生产的质量控制和保证能力;到2025年,制氢、加氢等配套基础设施基本完善,燃料电池汽车实现区域小规模运行。

燃料电池车型无论是在环保方面的零污染,还是其能源补给(加氢)时间短以及超长续驶里程,都是其他新能源汽车所不能及的。但受制于目前较高的技术和产业壁垒以及关键技术缺失导致燃料电池高额成本负担,使用昂贵的质子交换膜、用贵金属铂作为催化剂,以及石墨双极板较高的加工成本,都使得氢燃料电池车型的成本和售价远高于普通燃油客车和其他电动车型,影响了商业化进程。

电子科技大学教授何伟东在燃料电池研讨会上表示,即便如此,国内市场现有及潜在燃料电池市场巨大,包括航天、电动汽车备用电源,无人机等领域都适用于燃料电池。与此同时,国家、地方省市对氢气燃料电池政策倾斜,关键技术突破势在必行。

作为燃料电池重要组成部分的质子交换膜也是关键,对于此技术的发展状况,何伟东表示燃料电池堆(主要包括双极板、质子交换膜、催化剂)目前基本依赖进口。特别是质子交换膜燃料电池的关键核心材料技术上落后与美国、德国和日本,最优质的质子交换膜被美国杜邦公司长期垄断。

何伟东介绍道,质子交换膜关键在于质子和离子的传导率,其研究团队在国家及四川地方政府、高校支持下,经过一年的反复研究实验,终于推出新一代质子交换膜,其拥有更低的成本及更高的质子传导率。并且该质子交换膜的质子传导率达到美国杜邦公司型号Nafion117质子交换膜的1.78倍。在成本方面,相比目前市场主流产品价格能降低10倍左右,可以做到10元左右每平方厘米。(杜邦Nafion PFSA薄膜和分散液凭借其出色的能量输出和耐用性蜚声燃料电池业,成为多种能量存储和汽车应用的理想选择。杜邦科研在燃料电池业不断创新,推出了杜邦薄膜,美国杜邦的膜和薄膜产品为众多应用和工艺技术提供化学和机械属性组合,包括家用电子产品、燃料电池、航空航天、汽车、工业应用领域。)

 

 

何伟东团队历时1年研发的质子交换膜

燃料电池虽然存在较大的缺点:例如铂催化剂成本高、放电启动慢、电池系统稳定性差等。但其拥有高转化率(>60%)、排污少、多种燃料气体(氢气、甲烷、醇类等)优势,在转化率方面,依然有几十个百分点的能力损失有待挖掘和进一步提升。

而对于从美国回国后任职于电子科技大学的何伟东为何选择燃料电池中的质子交换膜而不是铂催化剂作为主攻领域呢?带着固有科研人员气质的他直言不讳,燃料电池结构中的铂催化剂在国际领域是绕不过去的问题,主要在于成本上的控制,而这主要技术提升点在于通过减少铂金的用量,加大其接触面积,找到尺寸和性能稳定性的结合点。(催化剂主要是表面起作用,内部并不起作用)理论上讲颗粒越小,活性越好,催化效果就增强。但是问题是小到一定程度容易被硫化物毒化(空气中含有),容易吸附硫化物从而使得其催化效果大打折扣。其次,铂金属是FCC晶体结构(面心立方晶胞,每个晶胞含有4个金属原子。)哪个表面在外边是很难控制。

对于质子交换膜,他表示通过长时间调研发现做质子交换膜的粉粒、浆料,国内已经做得水平较好。在国际方面也拥有核心技术优势,基于气体扩散测试的能量损失分析技术和基于电泳法的电池材料技术及原创薄膜材料工艺。此外,目前燃料电池的材料及测试存在的问题主要在于两点,一是以往测试器件只适用于固体氧化物燃料电池,工作温度在500摄氏度以上,电池材料厚度可控性在10微米左右,孔率与孔形貌可控性均欠佳,需要做的改进是要降低测试温度,将高温测试推广至质子交换膜燃料电池(动力燃料电池)的低温测试;提高材料孔率、孔形貌及厚度的可控性。

一方面在于包括质子交换膜在内的核心部件的技术创新上,另一方面在氢燃料电池车型研发上,国内科研机构及制造企业一直在探索,在近十年的开发和研究中,我国氢燃料电池车型也取得了一定进步。从宇通推出全新一代氢燃料电池客车,到福田欧辉客车获得100辆氢燃料电池客车的订单,再到28辆氢燃料客车将在广东佛山、云浮示范运营。都在预示着氢燃料电池客车逐渐步入商业化运营。

关键字:燃料电池 质子交换膜

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