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大化所邵志刚:车用燃料电池技术研究进展

时间:  2019-10-15 13:33  来源:  汽车总站网   作者:  Wren

  氢能如皋,倾城如歌。2019年9月26日-28日,第四届国际氢能与燃料电池汽车大会(FCVC 2019)如约在“氢能小镇”江苏如皋汽车文化馆盛大启幕。本次大会聚集了来自全球氢能与燃料电池技术的开发者、燃料电池汽车制造商、氢能燃料电池领域投资者和政府政策的制定者,共有1500名嘉宾参与,111家展商带来新技术、新产品。
  
  中国科学院大连化学物理研究所燃料电池研究部部长邵志刚在27日分会场E——燃料电池堆和关键零部件论坛发表讲话,内容实录如下:


  
  感谢组委会的邀请,在这里跟大家分享一下我们的研究进展,主要是几个部分,简单过一下我们国内外的进展。我们背景不说了,主要是能源安全和环境,我们需要发展新能源汽车,燃料电池作为注意新能源汽车追加侯选的之一,目前比较热。
  
  刚开始都是日本,特别是丰田在2014年底的时候开始销售Mirai,然·后带来一个热潮,以后像韩国现代基本上特别是发布了氢能路线图也要把氢能燃料电池作为未来主要发展方向,车用发展方向。欧洲也发布了氢能路线图特别在德国要发展燃料电池火车、列车,全球比较大的进展,并且列车到2050年要到500列,这个是比较大的计法。
  
  特别是美国,主要是以加州为代表,长期在进行释放。所以目前国际上刚开始都是燃料电池汽车都是以乘用车为主,我们国内进入以后就改用商用车,因为我们国家是以商用车为主,我们国家市场还是比较大的。去年这个车卖了接近3000万辆,现在国际上像丰田也开始进入商用车用燃料电池。
  
  这是去年也是成立了氢能燃料电池部门,这也是标志着我们16个央企,大的央企企业国家行为,发展氢能燃料电池。我们国家从此以后最近这几年越来越热,大家看开会的人比较多,特别是上市时公司数十家开始介入,如果说四、五年以前做燃料电池的也就十几家现在基本上达到数千家。
  
  上午潘教授膜电极就十几、二十家,以前很少,就一两家,特别我们以央企为牵头的,所以作为一个现在国际的热点,也是全球的开发燃电池商业化的热潮,还有我们冬奥会也在准备用燃料电池汽车。这是形成一个我们北上广为中心,特别是我们长三角、珠三角经济热点地区,纷纷发布氢能和燃料电池的发展和规划或者路线图。但是我们国家氢能和燃料电池的产业链应该还是比较不完善的,不像国际上都比较具有完备的产业链。因为氢能从制氢、储氢、用氢一直到燃料电池,这个产业链还需要不断地完善。
  
  特别是从燃料电池来说,它包含了关键材料、核心部件,电堆和系统,产业链条比较长,最近几年因为我们热点产业链正在布局、完善,但是它没有达到可以大批量供货的程度。我们所应该做上世纪94年开始做,做车用燃料电池,应该用材料、部件、电堆做了一些工作,我就在这个方面重点介绍一下。
  
  首先,催化剂。催化剂载体大家知道,刚开始就采用X72,但是发现它在高定位腐蚀,特别是反极的,还有动态攻化下会流失,所以要发展新的载体。一个目前热点是石墨烯,石墨烯知道,它比较石墨化,稳健。我们发展一个技术就是采用静电自主装,加X72,加PDTA处理,就带正电,石墨烯氧化处理带负电,动作静电自主装组成3D,三维的网络,这种催化剂载体就实验发电,在半电池和全电池上都显示了很好的性能和稳定性。
  
  再一个是催化剂,催化剂以前也介绍过,那个应该是五六年以前,钯是比较便宜的,但是大家知道现在钯比铂都贵了,催化剂虽然性能和稳定性都比碳载铂好,但是还是太贵,虽然现在我们已经车用发动机上用过,但是比较贵。现在一个热点就是发展合金,上午我们章俊良教授协调介绍了,就是发展核心合金,但是过渡金属会流失。
  
  我们发现我制备的铂镍纳米线,在这种动态下,运行以后会发现你镍粒子的流失,刚开始本来阴极有,但是实验完以后阳极也有镍元素存在,这就证明要发展铂到合金的催化剂,必须要解决过渡金属的流失问题。
  
  大家知道丰田是采用铂桑钴作为催化剂,刚才说了钴在燃料电池工作环境下也会流失,所以我们发现制备的一个是铂36,原子比是36:1和钴,这样它还具有铂桑钴的活性和稳定性,并且它含有钴的含量,它作为一个合科的催化剂。
  
  铂集中在催化剂的表面进行负极,这样就是钴减少了钴元素的流失,可以提高催化剂的稳定性,在半电池和全电池发现是稳定性得到了提高,所以我们做这个铂合金催化剂或者是合科催化剂还要解决它注意过渡金属的元素流失的问题。膜,上午戈尔公司也介绍了,它们的符复合负荷膜,我们做负荷复合膜的时候也挺早的,应该是2013年左右,我们加入自由剂催化剂可以提高稳定性,在这方面膜的小批量的线进行了滞位制备,以后用在车用上面。
  
  当然下一步要发展的短策略的耐封膜,策略越短能力越好,我们和有机属联合,开发的一个NH集团联的这个短策略的,这样能发现它导致的能力能得大提高,现在正在实验它的膜的工艺,所以需要从不仅是膜的制备工艺添加剂还要从我们单体方面进行改进,提高。
  
  再一个膜电极,上午潘老师,我们章教授也介绍了,膜电极现在发展了好几代,刚开始GDE,CCM有序化,其实我们一个概念就是薄层有序,为什么薄层?减少创制主阻力,有序我们燃料电池一定要反应存储水,所以要有气体通道要有水的通道,也要有质子的通道,要有电子通道,这样是最理想的。但是理想的有序化怎么实现,我们想到采用一个模型,做一个设计,就像理想气体一样,大家知道这个是可以做成纳米的正列阵列,水热法就很快容易合成。
  
  加热以后我们可以建设上一层钯,加热完以后变成了钯钴有序的阵正列,这个阵正列通过几个原子层厚度的铂就可以做这个表面渡铂的钯钴阵正列有序的,这种它的恐惧可控制,并且这个是倒列导电性也挺好的,唯一的缺点可能太气水,导气它是有问题。这是正列阵列可以做到几百纳米这种结构经过双烯以后可以把多余的钴离子去掉,它就变成了大钴开管的钯钴表面渡铂的纳米管正列阵列,就是半管的正列阵列,这种正列阵列具有很好的倒列导电性,并且它这个催化剂由于在钯钴的表面是几个是原质层厚度的铂,所以当量可以做到很低,可控。
  
  因为汽车成体是可以通过电化学控制当量,所以这种电极电量可以做到几个微克每平方米,我们做出来3.5微克每平方米的电极。大家知道一般燃料电极是100微克左右每平方厘米,所以它的性能氢氧条件下是一样的,不次于我们传统的电极性能。但是,它氢空电极目前还是不够,因为刚才说了比较轻随,气体的传质通道好像不太有序,但是这个告诉我们,催化剂单量我们可以再降到1-2个,降到几个微克每平方厘米,在这个催化活性还可以保证是这样,当然下一步要解决它气体通同道的问题,所以应该是做一个模型来验证一下,在燃料电池里面这是真正电极,它的铂含量可以降到多少,还可以降到1-2个数量极。
  
  但是刚才说了,这种方法都不能批量生产,不能放大,我们采用一个方法就正列阵列喷涂的方法,这种喷涂通过优化刚才说的制作工艺,可以做到1.8每平方厘米,这个是大电池我们可以300平方厘米的电池。基本上装成电堆我们可以做到0.2克铂每千瓦,电堆装的是10千瓦的电堆,大电堆可以做,这个铂单量是可以降到0.2克铂每千瓦,具体的寿命和稳定性需要下来进一步考核。
  
  我们的铂单量可以降到0.2克每千瓦。再一个金属双极板应该是我们进行了长期的工作,主要是涂层,上午有好多介绍涂层的,我们的涂层是两层。3D流程,大家知道丰田3D流厂流场所谓我们也是做了一个实验,3D流厂流场加倾斜角度,不同的角度倾斜角越大,可能阻力各就越大,所以所谓的3D主要还是像化工加个挡板一样,让它增加创流。
  
  所以有四种结构的设计,结果发现在不同的增值条件下它的性能是不一样的。比如说我们是递增式,加这个倾斜角越大性能是比较好的,为什么?递增式的时候倾斜角是需要排水,刚才说增值度越小排水就容易,所以主要是取决于体量,氧气的传质,所以倾斜角越大越好。如果是100%的情况下,它就发现特别高电流密度的时候,倾斜角越大性能就越低,倾斜角小的时候性能好。
  
  大家知道,上面一个膜电极底下是流厂流场,我们如果是有一个角度的话,如果90度,就是一个气体,逼迫它进入膜电极,如果说是角度越小,分量就越小,但是如果角度小了,它排水就容易,所以说我们3D流厂流场像这种要设计取决于一个氧气的传质,一个是排水的需要,要组合考虑,所以我们实验方案就说明倾斜角度是要跟气体的传输和液态水的排出统一考虑。
  
  这是以前的电堆,2017年做到了,现在像3-4千瓦,当然还有控制车列,控制车列大家主要是防止氢空界面,我们加上控制车列基本没有,不加的就衰减很快,再加强就是系统。现在我们以前是早一年的系统,去年做的这个系统参加了军民融合展,在北京的。再就是飞机,现在我们热的新能源汽车,我们未来飞机也是新能源飞机也是需要的,应该说我们在2012年是无人机,2016年做的有人机,国内第一个有人驾驶的,两人坐的飞机。在上扬法库机场,基本上是零下20多度做的验证实验,验证机,它能满足需求。
  
  所以现在燃料电池不仅是能够开汽车,开飞机也是可以的, 特别还是有人驾驶,有人驾驶对安全性对可靠性要求都提高,比无人机要提高好多。还有分布式发电,分布式发电现在我们国家主要热还是车用,我们探讨下一步的话,可能热点联供作为未来的发展趋势应该下一步也是个热点,特别是我们燃料电池成本低了以后。我们现有的金属棒的第一大供应首授权给安徽民天公司,建立年产万套级的生产线,基本上正在调试。
  
  也在使用他们昂凯的车上和物流车进行应用。下一步的发展,我们一个要加强应用、释放,我们有量,批量上以后,燃料电池的成本可以进一步降低,就像上午我们镀层一样,量上去以后价格会成数量级的降低。再一个就是新材料,开发新材料新方法,特别是我们催化剂膜,我们的探索子更进一步降低成本。因为燃料电池就是一个复杂的系统,从纳米一直做到米级的系统,需要解决路线比较长,但是我们目标主要降低成本提高成本和提高寿命。
  
  感谢我们团队和组委会主持,谢谢大家。


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