WNEVC 2021 | 中科院大连化学物理研究所研究员侯明:车用燃料电池堆研究进展

WNEVC 2021 | 中科院大连化学物理研究所研究员侯明:车用燃料电池堆研究进展

2021年9月15-17日,“第三届世界新能源汽车大会”(WNEVC 2021)在海南国际会展中心盛大召开,由中国科学技术协会、海南省人民政府、科学技术部、工业和信息化部、生态环境部、住房和城乡建设部、交通运输部、国家市场监督管理总局、国家能源局共同主办。本次大会以“全面推进市场化、加速跨产业融合,携手实现碳中和”为主题,邀请全球各国政产学研各界代表展开研讨。

其中,在9月17日上午举办的“燃料电池商用车示范应用与技术创新”主题峰会上,中科院大连化学物理研究所研究员侯明发表精彩演讲。

侯明女士介绍了电堆、膜电极、双极板、质子交换膜、催化剂、碳纸等6大电堆关键技术。她指出电堆的一致性非常重要,要从设计、制造、操作、环境等各个方面来控制电堆的一致性。最后她介绍了中科院大连化学物理所的主要研究,以及目前成果转化状况。

以下内容为现场演讲实录:

大家上午好,我来自中科院大连化学物理研究所。我们知道氢能是未来重要的能源形势,氢能作为沟通交通、发电和储能三大领域的关键能源气体,是实现碳中和重要媒介,重要性不断上升,未来的地位有望与化石资源比肩。我们知道燃料电池是氢能的转化装置,他是氢能实现发电重要的一个装备。燃料电池从汽车的技术构架来讲,可以分为4个层次,从最外面的是燃料电池和整车,接下来一层是燃料电池动力系统,再下来一层是燃料电池系统、最里面一层是燃料电池电堆。从国内的整个的发展情况来看,我感觉越往中心他的核心技术就越缺乏。

那么我也欣喜的看到我们五部委启动了燃料电车的石方工程,关键的核心技术是一个重要的考核指标。这个重要考核指标包括8个重要的部件,现在业内也俗称叫燃料电池八大件,八大件当中其中有6项是在燃料电池电堆里面,可见核心技术还是一个比较好的技术。

今天给大家梳理一下,电堆里面6个关键的核心技术。第一个是催化剂:首先催化剂在我们燃料电池里面,有两种催化剂,一种是阴极一种是阳极,我们说的催化剂是氧还原的催化剂,我们用的是碳的催化剂。对催化来讲,我们也希望国内的供应商能够把市场占有率进一步的提高。催化剂从研究层来说,他主要是解决车载工况下的衰减问题,还有降本问题、康养问题,我们希望未来能够降低到0.1每千瓦,相当于汽车尾气净化器一个水平。催化剂就要提高他的活性和稳定性,我们研究从PT的单层催化剂、纳米线和薄膜等等从各个方面降低他的PT用量。PT的的核心催化剂他不是单纯的果碳,大家也经常说非贵金属催化剂,现在也有很多的研究,那么现在最重要的就是要提高他的非贵金属催化剂的活性,目前他的活性已经能够达到商业化应用的水平,但是他的耐久性还是有待于进一步的提高。

第二个质子交换膜,目前全氟磺酸膜是重要的膜,这个膜的重点研究方法是复合膜替代均质膜,这个膜可以做的很薄。多孔的基膜是目前应用的重点,现在商业化的复合膜厚度可以达到10个微米,我们知道越薄他的电阻越小,所以他性能越高,但是你要薄的话强度得不到满足的是有问题的,所以现在这个复合膜技术也是得到了应用。除了机械强度之外,他的化学稳定性也是我们重点要关注的,他在反应过程中会产生自由基,这个自由基就会供给膜的测量,能够把自由基去除掉,国际也有把复合膜加上化学稳定性的提高的解决方案。质子交换膜的评价参数包括质子传导率、机械强度、机械稳定性、化学性等等,DOE也提出了一些测试方法大家可以参考。

第三个催化剂和膜中第三重材料是气体扩散层,中间是膜两边是催化剂,催化剂蓝色的和紫色的就是气体扩散层,他是一个部件,他有支撑层他由多空的碳纸或者碳布+憎水剂组成的,还有一个是微孔曾是导电炭黑加憎水剂做成的,这个是气体扩散层的制备工艺。气体扩散层的研究方向改进气体扩散层的导电功能和传质功能,高空隙结构低密度的扩散层,降低他的传质激化,还有改进微孔结构,通过微孔修饰和梯度结构等,改进水管理。

再有是自支撑GDL,我们马上也会有文章表达。炭纸的空隙率导电性的强度等等,催化剂和膜还有气体扩散层这三个就可以组成膜电极,他的传质尽可能的小,膜电极的组分和机构优化,他制备的时候工艺怎么优化,这个都是我们研究的方向,那么现在我们目前已经有三代的膜电极的技术,现在大部分的都是用的第二代,把催化层涂抹到膜上,这个是我们大多数采用的技术,我们前沿的技术也在做有序化的膜电极的研究工作。

上述这三种电极,第一个把催化层涂在膜上,他所有的组分都是有序的,这样的传质阻力变小。第二个是理想介观有序电极,纳米纤维电极我们目前也有文章发表,这个是丰田公司做在膜电极,我们最近发表的一篇文章我们做的仿生三维的自支撑的PT纳米槽电极,因为燃料电池产生水,如果不及时排除的话会影响他的性能。

实际的应用还要进一步的做一些工作,膜电极的排量生产技术也是我们国内非常关注的,卷对卷的涂布技术也要关注,他跟锂电不一样,这个膜是高分子的材料,所以他涂上催化剂而且是两面涂,这个技术还是有一定的难度的,而且现在国内也有引进的一些技术,国内也有一些产品在研制卷对卷的涂布技术。我们在张家港的研究院也研制了涂布的设备,我们目前也跟睿彩(音)签订了应用的合同。

我们把催化剂膜扩散层和膜电极说完了,外面的双极板,各有优势,金属板的体积比较小,石磨板他的体积稍微的大一些,但是石磨板没有腐蚀性的问题,金属板要考虑在燃料电池使用下的腐蚀问题。金属板关键的技术要包括这样的几个技术,一个是表面处理,一个是流场设计,焊接技术等等。金属板的集采一般不能选择太贵的技术,一般用不锈钢,不锈钢在燃料电池的环境下也会腐蚀,他是偏酸性的温度也是七八十度的环境,所以我们的材料要考虑他既要导电又要耐腐蚀,导电的技术材料需要材料非常的活跃,耐腐蚀要把材料要惰,我们要均衡的考虑起来,表面处理技术包括板材的表现处理,就是说在钢板的层次进行表面处理。

那么双极板里面要考虑流场优化,流到这么大的面积不能短路,充分的扰动起来让他活性的物质传到催化层里面,扰动的太大的阻力也会有问题,比如说丰田他的第一代用的这样的网状的流场,二代他有这样的阶段所载的流场,我们公司也有这样的流场,我们看到大电流的性能确实有所提高,就是他的传质阻力减少了,这样增加了他大电流的性能。还有双极板的加工,我跟很多做模具的人,汽车工业这么多的做模具这个很容易,但是我们双极板真正做起来的话确实有难度的,难在他的尺寸是很精密,特征的尺寸非常密集的,汽车车门顶多做一点的尺寸,但是他的特征尺寸非常密集的,另外一个他的沟槽也是有一点的要求的。

另外一个冲压完了之后没有残余应力,残余应力存在就导致间隔发生变化导致腐蚀的增加,高精度无残余应力的特征尺寸密集型的冲压的技术还是有一些难点的,国家也在做国际上面也有,冲压是主流的技术。这个冲压要实现卷对卷,对钢板的开卷成型之后再剪切,很多国内公司说我们家能做双极板,我感觉都是一片一片冲,你要实现产能的话产出这样的膜还是有难度的,尤其是对高尺寸精度的工艺来讲还是有难度的。

最后一个是,材料组成膜电极,膜电极和双扳机组成电堆,所以他涉及到传质,导电、传热复杂的过程,国内有很多家可以做电堆了。电堆要考虑一致性,数百片的电池一致性很重要,如果一个电池不好的话他会破坏整个电堆,目前国内有能够保持一致较好的还不是很多。我们要从设计、制造、操作、环境等各个方面控制他的一致性,组装要关注良好的密封性,电堆产线也是重要的产业化技术。国内代表性的电堆,现在国内报的最好的是143千瓦,这个是电堆的路线图我有幸参加路线图的编写,这个路线图是包括商用车和乘用车的两个部分,不同的车辆应用电堆的指数是不一样的。

最后说一下我们大连化所,我们从70年代做燃料电池,我们经过了很长的发展过程也积累了很多的经验,从材料和系统都有实践和研发的经验,我们第一代技术在2000年初期转化为新元动力了,也是国内领先的企业。第二个技术是许可给安徽氢能公司,他们也进行了电堆的呈现,他们的公交车现在单车里程已经超过了10万公里。第三代技术转化给国创氢能,这个可能比较陌生。介绍一下,我们跟中国航天共同成立了国创氢能公司,这个公司的定位不是做量他是给做量的生产单位提供解决方案,他利用技术平台去给生产厂商去提供技术支持,这个也是我们的一个优势,那航天也是有他的尖端的制造技术,所以我们的定位是提供服务、提供解决方案。

那么也希望大家跟这个国创氢能有更多的合作,我们的宗旨是技术创新、成果转化、合作共赢。有什么问题大家可以会后联系谢谢大家!

(注:本文根据现场速记整理,未经演讲嘉宾审阅)