加拿大工程院院士王海江:從三個方面去實(shí)現(xiàn)燃料電池規(guī);a(chǎn)業(yè)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(shù)專家王海江院士就國內(nèi)燃料電池產(chǎn)業(yè)規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展主題進(jìn)行了重要演講。
王海江—南科動力核心技術(shù)專家
縱觀燃料電池的歷史發(fā)展,經(jīng)過了一個比較崎嶇的技術(shù)路線。通過持續(xù)地技術(shù)創(chuàng)新,燃料電池從核心材料、電堆到系統(tǒng)逐步滿足了商業(yè)市場的要求,在全球市場上開展應(yīng)用。我國燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展明顯提速,規(guī);彤a(chǎn)業(yè)化發(fā)展在即,應(yīng)該堅持核心技術(shù)自主研發(fā),實(shí)現(xiàn)燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈核心關(guān)鍵環(huán)節(jié)的國產(chǎn)化。
在質(zhì)子交換膜方面,通過采用全氟磺酸膜進(jìn)行技術(shù)上的改進(jìn),解決了影響膜壽命的關(guān)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(jī)械性能,讓膜做的更薄,最后加進(jìn)去一些自由基催化劑,基本上讓膜的壽命能夠滿足現(xiàn)在商業(yè)化產(chǎn)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(shù)量級,然后進(jìn)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(wěn)定性得到了很大的提高。
在氣體擴(kuò)散層方面,南科團(tuán)隊采用的是碳紙,大概一百多微米到兩百個微米氣體擴(kuò)散層。最新的研究發(fā)現(xiàn),如果把氣體擴(kuò)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(dá)到2.5安培到3安培的數(shù)量級,所以后面的發(fā)展很可能要朝著更薄的氣體擴(kuò)散層發(fā)展。
膜電極的技術(shù)飛躍就是CCM的創(chuàng)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(shù)上的飛躍。膜電極的制作上,像巴拉德早期的技術(shù)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(shù),這個過程里面有好幾分鐘的時間,所以是不利于規(guī);a(chǎn),F(xiàn)在這個技術(shù)基本上都是朝著規(guī);较騺戆l(fā)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(fā)展也是最早期的時候是用燒結(jié)石墨,后來這種技術(shù)基本上不用了,F(xiàn)在用的最多的就是柔性石墨,冷沖壓,把它沖壓成雙極板。因?yàn)椴牧系南拗,不能做的特別薄。最新的發(fā)展,以日本為代表的碳復(fù)合材料,碳復(fù)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(tǒng)上的重要進(jìn)展,就是氫氣循環(huán)泵的使用。氫氣循環(huán)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(jī),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(xiàn)有的技術(shù)狀態(tài)。
根據(jù)過去燃料電池技術(shù)的發(fā)展,王海江院士表達(dá)了對燃料電池未來發(fā)展的一些看法。其中質(zhì)子交換膜,現(xiàn)在是15微米,將來要朝更薄發(fā)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(fā)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(kuò)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(rèn)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(chǎn)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(chǎn)業(yè)化的市場。石墨雙極板會占有一定的優(yōu)勢。
王海江院士認(rèn)為在后面的發(fā)展里面,系統(tǒng)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(fā)展,比如氣體擴(kuò)散就非?欤覀冊诟唠娏鞯臅r候也不會有擴(kuò)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(jī)的公司會慢慢出局。另外一個重要的發(fā)展就是電流密度將來肯定是在2.5-3安培。
南科團(tuán)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(tǒng)。核心材料方面,南科團(tuán)隊現(xiàn)在已經(jīng)有氣體擴(kuò)散層的生產(chǎn)設(shè)備。今年就開始規(guī);纳a(chǎn),一年產(chǎn)能是10萬平米。另外是10微米的質(zhì)子交換膜,同時也在開發(fā)催化劑。電堆的這個公司目前是膜電極的批量化生產(chǎn),南科團(tuán)隊有30千瓦、60千瓦、90千瓦電堆的產(chǎn)品。系統(tǒng)方面,南科團(tuán)隊近期將完成45千瓦和60千瓦燃料電池系統(tǒng)的開發(fā)工作。
由于核心材料、電堆和系統(tǒng)都是自主開發(fā),使得系統(tǒng)匹配程度高,滿足技術(shù)上的合理性與優(yōu)越性。南科產(chǎn)業(yè)化團(tuán)隊打造燃料電池的核心關(guān)鍵環(huán)節(jié),布局從核心材料、電堆到系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈,實(shí)現(xiàn)高效率、高性能、高性價比燃料電池系統(tǒng),推動燃料電池規(guī);a(chǎn)業(yè)化發(fā)展。
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