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北京化工大学刘景军:动力型燃料电池关键材料开发及商业化应用(审定稿PPT)

时间:  2019-08-28 20:54  来源:  氢智会   作者:   氢智会编辑部

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是如今最火热的话题,因其具有能量转化率高、噪音低、零排放等优点,使之成为车用燃料电池的主流选择。为了促进国内PEMFC的发展,由上海燃料电池商业化促进中心和DT新材料联合举办的2019年8月21-23日在上海召开。会上北京化工大学教授刘景军发表了主题演讲。

嘉宾介绍:

刘景军,北京化工大学教授,博士生导师。主要从事燃料电池关键材料制备及产业化;燃料电池核心部件的设计及应用;天然石墨及人造石墨材料制备、铂基及非铂催化剂制备及产业化应用,重点开展炭/金属/金属氧化物复合电催化材料可控构筑、性能调控及其在储能及能量转换领域中应用的研究工作,建立了高效电催化材料的可控合成与实际应用的研究体系。电化学工程应用等。获得授权中国发明专利25余项,授权国际PCT专利2项。

演讲题目:动力型燃料电池关键材料开发及商业化应用

演讲实录:

很有幸邀请我参加这个会议,上午有讲政策的、有讲标准的、有讲催化剂的,感觉收获良多,我稍微换了一个题目,一开始觉得石墨烯可能是在燃料电池里面有点应用的。后来我一看咱们参会的各个参会方,很多都是企业的,跟企业接一点底气可能更好一点,我就换了一个题目“动力型燃料电池关键材料开发计商业化应用”,就从燃料电池关键材料角度作为一个切入点,讲讲燃料电池到底到了什么样的程度。

燃料电池的原理不讲了,讲一个燃料电池的故事,因为燃料电池实际上并不是一个新玩意儿了,一百多年前就有了。燃料电池实际上到目前为止发展了四代,第一代就是磷酸燃料电池到现在第三代是固态氧化物电池,现在到了质子膜燃料电池其实是第四代,发展的四代中有什么不一样?质子交换膜燃料电池是温度降到了100度以下了,前面三代都是150度以上,固态氧化物电池温度是800度以上。前三代燃料电池主要是发电来用,质子交换膜燃料电池如果还要发电,就有点像过去60年代开发的计算机,就是好几间屋子那么大,第四代就相当于把燃料电池缩成手机这么大。如果还要固定发电的话,是不是有点浪费了?就有很多高端的应用,就是我们开的小汽车。质子交换膜燃料电池实际上重点是放在小汽车上用的,作为一个移动式电源来用。由于国家环境污染比较严重,现在国家很重视,有人做报告,有人说燃料电池这么多年了,一百多年了现在还说,到了什么阶段了?我说根据我们的理解和同行交流,燃料电池说快也快,快到什么程度?就是有一个爆发期,盛开期。说短有多短呢?可能1-3年。要说长,有专家说3年够吗?长的话是多久?可能要在5年以上。但很少有的专家说10年以后我们再见,基本上没有。所以爆发期也就是3年左右。为什么还要等3年吗?早点把媳妇娶回家不好吗?不行,还有一些嫁妆没有置办齐。

燃料电池作为一个终极能源,有人说锂电池不是用得很好吗?为什么还要做燃料电池汽车呢?北汽氢能源燃料电池汽车是二次能源,锂电汽车还有一个致命的缺点,输出能量跟电池质量比是恒定的,你要带更多电量,你这个汽车电池就会越重。但燃料电池不一样,燃料电池一开始比较沉,但输出的功率往上提高以后,他本身的重量并不怎么增加,也就是说比能量远远优于锂电。

我们后来换算了一下,当电池的输出功率是20kW的时候,燃料电池的比能量是锂电的5倍以上。我要说20kW以后,我用锂电来做,用燃料电池来做,重量差5倍以上。前两天我们也参加了一个会议,北汽新能源技术人员做报告,说我们汽车里面充点电不容易,现在北汽新能源汽车是一公斤一公斤的往下减重量,为的就是省点电。现在锂里面的电池就是两块,每一块都六七十公斤。那你说带三块,别忘记了,带完六七十公斤带来的点电量还不如重量的消耗。现在说汽车是终端市场,燃料电池应该有所突破啊?就是从比能量高的角度,那从哪突破?就是先从卡车、叉车、大客车突破。突破完以后再用到小汽车上,为什么从大汽车到小汽车呢?就是因为小汽车讲究驾乘空间的。我们中国人很讲究汽车里面的空间,就是把电池做小,功率密度提高,所以标准相应就提高了。汽车发展趋势肯定是先从大车,先从机车上先开始、火车、地铁。我们国家已经开使用潜艇,基本要推开用燃料电池做,这比锂电各个角度来讲都好用得多。所以燃料电池的背景还是比较大的。跟锂电比起来,燃料电池高比功率。锂电会起火,燃料电池没有安全问题,跟锂电比起来有这两个优势。

还有一个优势,燃料电池跟锂电比起来,高续航历程。现在锂电300公里算是挺牛的了,燃料电池汽车,按照丰田那个跑600公里不是梦。还有一个问题,锂电汽车冬天启动很困难,但燃料电池上午也讲了,也没什么太大的问题。所以我们再比较一下,锂电汽车、混动汽车和燃料电池汽车,燃料电池汽车是占在高位上的,是俯视那两个,所以燃料电池我认为爆发期应该不会太久了,我退休之前估计差不多。基本上我退休之前我能开上咱们在座的做的燃料电池汽车,或者是的万总做的高铁我觉得差不多,所以说还是很有优势的。

我们再看一下,既然有优势,还要讲究体验,我们把燃料电池汽车的发动机跟传统四缸发动机相比,跟内燃机启动差不多,性能也相当。所以现在燃料电池在全世界范围之内处于技术验证和市场导入这两个时期。欧美还要超前一点。

讲完了燃料电池确实好用,好用的话,我们中国人认识到了,老外、欧美其实也认识到了。我们可以看看对燃料电池汽车欧美的支持问题,首先是美国,美国燃料电池汽车处在什么地位?有点像百花盛开,而且配了很多绿叶,有很多知名的企业,像GORE、Fuelcellenengy,有一个公司Bloomenergy,跟别的公司不一样,别的公司都是向政府拿钱,这个公司就是自己拿钱,这个公司就做完一个电堆,就给这个商场做一个电池发电,给那个小区装一个电池发电,这个装置完全免费,收什么钱呢?收电费。商场、超市、小区哪怕一个产业工业区他都给装一个,最近风云突起。后来把华尔街一帮大佬都惊动了,华尔街大佬说现在我们别关心那个facebook了,也别关心谷歌、特斯拉的,所以华尔街现在要投资燃料电池。但美国还有一帮国家队,就是几个国家重点实验室,带着他们往前走。

我们国内专家,还没有形成这个气侯,美国由于形成了这个气侯了,结果就掌握了燃料电池行业的话语权。话语权就三个字,话语权要分解看,怎么分解?掌握了燃料电池关键材料的行业标准、制备技术、产业发展的政策导向,以及示范运行的规范、规则。这不得了,行业做到最高境界是什么?掌握标准、掌握规则,现在美国就处在这个状态下。

这个是03年小布什提出来的。他认为燃料电池行,专家们你们可要意识到,美国他都有忧患意识,觉得燃料电池可以弄一弄,不像我们国家不是很多。

我们看了美国,再看看日本。日本也做得很好,裘总上午也说了,日本搞得相当漂亮了。日本人搞得这么好,跟美国人比起来不同,日本人搞的是产业化,丰田汽车已经量产了,丰田汽车用得实际上是水冷金属板技术路线,是600公里路程,一次加氢跑600公里,是加多少氢?6公斤氢,实际上6公斤氢从重量来说,比我们跑600公里的汽油要轻多了。600公里的汽油怎么也得三四十升吧,他可以再往上加,跑1000公里没什么太多的问题。我们国内燃料电池汽车跟欧美日比起来,我们国内燃料电池汽车存在着“3没有1极少量”,几乎没有量产化的催化剂,几乎没有能拿得出手的关键部件,几乎没有在世界上能拿得出手的电堆。一极少量是什么?只有极少量的商业汽车在大街上跑。国家怎么说呢?我们正在处于探索期、技术验证期、市场导入期,但这都是官话,要真正解决实际问题,还得从“3没有1极少量”入手。

我们国家也认识到这个问题落后了,就出台了一系列的政策,这个政策处得不少了,最著名就是中国制造2025,燃料电池汽车产业在这里面。我们国家重视,外国人也重视2025,所以我们必须要在有限的窗口期的几年之内来解决一点问题,这个于国于民于自己都是有一点作用。

既然国家制定政策了,还要有目标。就按照这几个目标来走,这几个目标我上午听了裘总的报告,跟日本比起来一点不差,我们目标比他还高原一些,但能不能实行还要看在座的,在座来了很多的专家。我们到这里就把专业、背景以及政府的国内外发展情况说了。看看燃料电池的产业链,燃料电池产业链按照上午的专家分的,分为上游、中游和下游,上游就是制氢、储氢和运氢。制氢并不难,难在运输和储存以及加氢站。加氢站主要是储氢,储氢主要有三个路线,气、固、液。气态就是把氢气压缩了,液就是把氢气液化了,固态就是化学吸附、物理吸附,来吸附到氢化物,吸附到石墨烯的表面。最好能的就是氢气液化,航天无所谓,不计成本。民用不行,氢气难压缩难液化,物理吸附很容易。所以我觉得物理吸附可能是以后储氢重要的地方。化石材料制氢、电解水制氢、生物制氢,实际上制氢的成本很低。你有那么多氢气,氢到哪了?很多氯碱厂,我们把那个收集起来纯度很高,跟电解水是差不多的。还有一个国内制氢,电解水。制约燃料电池的核心地方就是加氢站的解决,在燃料电池中游的地方,就是关键材料,我觉得绝大多数都是中游的上半部。下面纯技术活,就体验在工匠形象。下面就是燃料电池的应用。

从燃料电池的系统来看,电堆作为电化学反应的场所,我们认为是整个燃料电池的核心部分。电堆是燃料电池的核心,这个玩意儿的好坏直接决定了输出的密度是多少。这个电堆组装过程也是有不少人在做。为什么?这个地方除了有工匠精神以外,还有点科学道理在这里。因为系统集成,1+1不一定等于2,所以集成以后这几个都是挺好的,催化剂量也许挺好,那个质子交换膜也不错,涂上以后就是不行。这也有工艺的问题,所以燃料电池的核心,就是把这个做好了,基本上就成功一半了。

电堆里面肯定还有核心的东西,电堆的成本大概占整个燃料电池的多少钱呢?大概占到60%,整个燃料电池系统的60%的成本。核心,肯定贵,要不贵就不叫核心了。核心里面还有心脏。电堆是核心,他的心脏是什么?就是有催化剂、质子交换膜形成的MEA,就是电堆的心脏,因为心脏不跳,光有一个很好的身体,肯定也不行。所以由催化剂、质子交换膜形成的MEA就是电堆的心脏。这个心脏里面催化剂占到电堆成本的40%,那60%一个、40%一个,这里面最重要的部分就是电堆和质子交换膜。我们要发展燃料电池行业,从技术出发就必须要发展燃料电池产业,就要提升核心材料国产化生产的能力。核心材料包括什么?催化剂、质子交换膜、气体扩散层、双极板。这个是关键材料,质子交换膜加催化剂形成的膜电极就是构架,电堆也是另外一个关键部件,我们发展燃料电池产业,就要解决核心产业和关键部件,现在这些基本都在国外掌握着。

燃料电池到了质子交换膜燃料电池了,已经是第四代了,技术还在迭代,技术还在进步,技术是永远不会停止的,技术要迭代、怎么来迭代呢?就是从催化剂开始迭代,一开始用的是技术铂,最后用低铂,最后是非铂了。开始是磺酸膜,最后是无氟薄。还有这个双极板,从石墨到金属,到复合板,每一次要升级,就升级了一个技术迭代。技术迭代方向错了,可能前面做的催化剂就没用了。比如前面铂做得再棒,技术已经迭代不用了。我们做燃料电池汽车示范工程,有的是买的这三样,然后组装起来,就变成了燃料电池系统了。我们国内很多燃料电池很多系统电堆,国内也不是说不能做,但很多实验室级别已经做得不错了,但基本上没什么核心厂商能够批量生产,这是问题。我觉得燃料电池关键材料开发是我们国内面临关键的挑战。

我们看看质子交换膜,质子交换膜从我收集的资料有这三个都是可以用的,就是全氟、部分氟化、无氟膜。主要是全氟膜,它主要是聚四氟乙烯的结构,这个可以保护膜。这是市场上主要生产质子交换膜的厂家,基本上是美国杜邦在主导的。

关键材料制二,就是双极板,双极板的作用是做支撑、导电、气体的流导结构。现在已经是三代,石墨板、复合板、金属板,现在就是金属板。金属板也有问题,就会腐蚀。要腐蚀就必须要解决腐蚀粒子的问题,基本上是有一些膜控制。

第三个关键材料是催化剂,催化剂一般是2.5纳米,大了不行,小了不行。生产厂家是这些。这个催化剂占成本40%对控制成本,氢燃料汽车很重要的,就有很多公司想到很多办法。美国能源部DOE就规定了,到2020年,铂用量降到0.125g/kW,长期目标应该是小于0.05g/kW。只能用单原子的铂,覆盖面积厚。

铂炭催化剂的问题是活性不高,比表面积低,稳定性差,还有中毒。现在有两条路,一个是把铂合金化了,第二个是理想的炭载体。主要用的都是炭黑,为什么不用石墨烯呢?石墨烯优点在哪呢?跟别的比起来,比表面积大,稳定性好。就开始用石墨烯一条路。我们做了一个PtCo二元合金催化剂,这个比市面上的活性高4倍。这个事情了专利,因为丰田的汽车就是用了铂二元合金。二元合金铂量还是高,再加非铂金属。这个铂的用量已经很小了,这是我们比较能拿得出手的催化剂了。我们还做单原子铂,每一个都是一个一个单原子铂,在炭上。这时候我们都不敢算活性了,因为量太少了,一算简直是突破天花板的。

前面都是低铂的,能不能做非铂的呢?一旦不用铂我们就被淘汰了,就做了石墨烯氧化物的,这个酸性里面较差,但碱性里面还是不错的。后来我们想石墨烯这么好用,我们也不用氧化物了,直接用炭材料来做。

这个就是用天然的石墨矿,后来我们双通道电化学方法做石墨烯,质量还是蛮高的,因为已经透明了,这就是我们做出来的石墨烯。石墨烯做完以后,我们就肯定用在燃料电池上,后来还发现一个问题,石墨烯不但可以用在燃料电池,还可以用在手机散热。现在华为手机电池打开以后,后面一层石墨烯薄膜导热。还要加上VC液冷,这个不是新鲜玩意了,华为这个就是做了石墨烯膜,华为做的石墨烯膜是用了十几吨石墨烯才做出来的。因为很多专家都觉得石墨烯总是说炒了很多年了,就缺杀手锏式的应用,5G手机肯定是杀手锏。第二个杀手锏的应用就是我们这个催化剂,我们做了以后,活性确实还是不错的。这个也是把石墨烯用在燃料电池上。我们现在也解决了合金工业化制备的技术路线,就是用反应釜,反应釜化工太常见了,光用釜还不行,得找一些什么东西。

我们还做了氮和多原子的。这个时间关系不给大家看了。国内市场预测,燃料电池绝对是一个万亿级的市场,为什么叫万亿级。燃料电池和锂电池比起来,比锂电复杂,但对产业发展来说,牵扯的东西越多,产业就越多。燃料电池可以到哪些产业?高分子材料、金属材料、碳材料,还有气体等别的东西,比锂电产业大得多。所以是万亿级的市场,特别是还有一些国内做的汽车配件的。是不是汽车配套的化学品都会牵扯到这里面来,所以万亿级的市场是可期的,只要我们大家沉下心来。

氢能的费用也不说了。结束语就是这样,氢能或者是氢气燃料电池未来真的可期。我们国家的政策是什么?现在政策不是特别理想,国家之前都是倾向于组装,先阶段我觉得应该优先支持关键材料,第二个支持关键部件,第三才到系统集成。因为关键材料、关键部件做了,我们系统集成不太好,但也能用。

谢谢大家!
 


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