加拿大工程院院士王海江:從三個方面去實現燃料電池規模化、產業化
1月13日,中國電動汽車百人會論壇(2019)在北京釣魚臺國賓館召開,國際知名燃料電池專家、加拿大工程院院士、南科動力核心技術專家王海江院士就國內燃料電池產業規模化、產業化發展主題進行了重要演講。

王海江—南科動力核心技術專家
縱觀燃料電池的歷史發展,經過了一個比較崎嶇的技術路線。通過持續地技術創新,燃料電池從核心材料、電堆到系統逐步滿足了商業市場的要求,在全球市場上開展應用。我國燃料電池產業發展明顯提速,規模化和產業化發展在即,應該堅持核心技術自主研發,實現燃料電池產業鏈核心關鍵環節的國產化。

在質子交換膜方面,通過采用全氟磺酸膜進行技術上的改進,解決了影響膜壽命的關鍵因素。另外膜的制作工藝改善,可以把膜做的非常薄。然后提高機械性能,讓膜做的更薄,最后加進去一些自由基催化劑,基本上讓膜的壽命能夠滿足現在商業化產品的需要。
在催化劑方面,用了碳載鉑以后,可以成功把催化劑10微克降到1微克這樣的數量級,然后進一步控制催化劑的使用量。使用高比表面積的碳載鉑,性能提高,再加上高溫處理,使得催化劑的穩定性得到了很大的提高。
在氣體擴散層方面,南科團隊采用的是碳紙,大概一百多微米到兩百個微米氣體擴散層。最新的研究發現,如果把氣體擴散層能夠降到一百個微米的話,燃料電池的電流可以很容易達到2.5安培到3安培的數量級,所以后面的發展很可能要朝著更薄的氣體擴散層發展。
膜電極的技術飛躍就是CCM的創新,把電極涂在膜上,使得催化劑的量更容易降低,這是一個技術上的飛躍。膜電極的制作上,像巴拉德早期的技術全部是膜電極做好了以后,把封邊用硅膠全部封起來,這樣一個技術,這個過程里面有好幾分鐘的時間,所以是不利于規模化生產。現在這個技術基本上都是朝著規模化方向來發展。
雙極板有兩個路線,一個是金屬雙極板,一個是石墨雙極板。石墨雙極板的發展也是最早期的時候是用燒結石墨,后來這種技術基本上不用了。現在用的最多的就是柔性石墨,冷沖壓,把它沖壓成雙極板。因為材料的限制,不能做的特別薄。最新的發展,以日本為代表的碳復合材料,碳復合材料是碳粉加樹脂,熱成型,這樣把石墨雙極板基本做到金屬雙極板厚薄比較接近的程度。
在系統上的重要進展,就是氫氣循環泵的使用。氫氣循環泵的使用使燃料電池的壽命增加很多。大部分車用的電池都是大概在100%的加濕,我們是需要一個空氣壓縮機,把空氣的壓力提高在0.1兆帕左右這樣一個壓力,電流操作密度基本上是1-1.2安培,這是大部分燃料電池現有的技術狀態。

根據過去燃料電池技術的發展,王海江院士表達了對燃料電池未來發展的一些看法。其中質子交換膜,現在是15微米,將來要朝更薄發展,比如10微米。膜薄了以后,電阻就會下降,水管理就會提高,很有可能薄的這個膜,外部的加濕器就不需要。另外就是陰極催化劑,希望這個載體一定要高溫處理,讓它的抗氧化性提高,這樣可以提高壽命。碳紙的發展方向,像一些巴拉德傾向于用比較薄的碳紙,比如100微米的碳紙,可以大大提高氣體擴散的性能,以至于把電流密度可以提高到2-3安培中間。
另外一個方向,王海江院士認為金屬雙極板是能量密度高的雙極板,石墨雙極板是長壽命的雙極板,但是只提高能量密度,不提高壽命,仍然不能作為一個產品來使用。相信在今后幾年里面,金屬雙極板可能會慢慢退出燃料電池產業化的市場。石墨雙極板會占有一定的優勢。
王海江院士認為在后面的發展里面,系統是要大的簡化。其中一個就是加濕器,很可能要去掉加濕器。另外就是材料上的發展,比如氣體擴散就非常快,我們在高電流的時候也不會有擴散的影響。我們很可能在慢慢的往低壓這個方向走,在這種情況下,一些只做加濕器或者只做空壓機的公司會慢慢出局。另外一個重要的發展就是電流密度將來肯定是在2.5-3安培。

南科團隊在過去3年成立了三家公司,這三個公司是布局從燃料電池核心材料、電堆一直到系統。核心材料方面,南科團隊現在已經有氣體擴散層的生產設備。今年就開始規模化的生產,一年產能是10萬平米。另外是10微米的質子交換膜,同時也在開發催化劑。電堆的這個公司目前是膜電極的批量化生產,南科團隊有30千瓦、60千瓦、90千瓦電堆的產品。系統方面,南科團隊近期將完成45千瓦和60千瓦燃料電池系統的開發工作。
由于核心材料、電堆和系統都是自主開發,使得系統匹配程度高,滿足技術上的合理性與優越性。南科產業化團隊打造燃料電池的核心關鍵環節,布局從核心材料、電堆到系統產業鏈,實現高效率、高性能、高性價比燃料電池系統,推動燃料電池規模化、產業化發展。
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