前段時間，國務(wù)院總理李克強(qiáng)在日本豐田汽車北海道工廠參觀考察了氫燃料電池車。這一舉動，被解讀為對氫燃料電池車產(chǎn)業(yè)釋放出利好信號。
一個有些尷尬的現(xiàn)實(shí)是，國外的燃料電池車已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，但我國車用燃料電池還處在技術(shù)驗(yàn)證階段。南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系教授王海江指出，我國車用燃料電池的現(xiàn)狀是——幾乎無部件生產(chǎn)商，無車用電堆生產(chǎn)公司，只有極少量商業(yè)運(yùn)行燃料電池車。
燃料電池是“一支隊(duì)伍”
一般來說，單節(jié)燃料電池的電壓偏低、電流偏大，在實(shí)際應(yīng)用中需要由多節(jié)燃料電池串聯(lián)形成電堆，以提升輸出電壓。
氫燃料電池的動力來源是氫氣和氧氣，兩者會在燃料電池中開始它們的“奇幻”旅程：氫在陽極催化作用下氧化，生成質(zhì)子和電子;電子經(jīng)外電路做功，到達(dá)陰極;而質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜從電池內(nèi)部傳輸?shù)疥帢O，質(zhì)子與電子在陰極匯合并在催化作用下與氧反應(yīng)生成水。
看起來似乎只是初中化學(xué)知識。但實(shí)際上，燃料電池的運(yùn)作，是一個系統(tǒng)工程。
燃料電池不像普通蓄電池，反而更像發(fā)電機(jī)——把燃料和氧化劑“喝”進(jìn)去，將電發(fā)出來。所以，除了電堆，燃料電池還有燃料供應(yīng)子系統(tǒng)，氧化劑供應(yīng)子系統(tǒng)，水熱管理子系統(tǒng)以及熱管理和控制系統(tǒng)……總之，人家是團(tuán)隊(duì)作戰(zhàn)。
“燃料電池車是新能源車的一種，它是未來的發(fā)展方向之一。”中科院大連化物所燃料電池研究部部長邵志剛告訴科技日報記者，2014年年底，日本豐田公司宣布實(shí)現(xiàn)燃料電池車的商業(yè)化;而在國內(nèi)，一切尚處于起步階段。
關(guān)鍵材料還缺批量生產(chǎn)線
車用燃料電池，一般為質(zhì)子交換膜燃料電池。
它有兩大關(guān)鍵部件，一個叫膜電極組件，一個叫雙極板。前者其實(shí)是由“三兄弟”構(gòu)成：質(zhì)子交換膜、催化層和氣體擴(kuò)散層。
質(zhì)子交換膜的主要功能是傳輸質(zhì)子，分隔反應(yīng)氣體以及電子絕緣。它負(fù)責(zé)“把門”，把質(zhì)子放過去，把電子攔下來;催化層主要搭載的是催化劑，催化劑可以促進(jìn)氫、氧在電極上的氧化還原過程并產(chǎn)生電流;氣體擴(kuò)散層則由基底層和微孔層組成，它要求具有高導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和疏水性。
這些關(guān)鍵材料，決定著燃料電池的壽命和性能。
“巧婦難為無米之炊。我們的關(guān)鍵材料長期依賴國外，一旦國外禁售，我國的燃料電池產(chǎn)業(yè)便沒有了材料基礎(chǔ)支撐。”清華大學(xué)氫燃料電池實(shí)驗(yàn)室主任王誠說。
其實(shí)，這些材料我國并非完全沒有，有些實(shí)驗(yàn)室成果甚至已達(dá)到國際水平。但是，沒有批量生產(chǎn)線，燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈依然梗阻。特別是在氣體擴(kuò)散層量產(chǎn)技術(shù)方面，我國還是空白。“這是因?yàn)闅怏w擴(kuò)散層的石墨化工序需要經(jīng)過2000℃以上的高溫才能制備，但關(guān)鍵設(shè)備高溫爐技術(shù)還掌握在國外手中。”王誠解釋。
要實(shí)現(xiàn)材料的批量生產(chǎn)，就得解決一致性和成本控制問題。它和實(shí)驗(yàn)室制備的難度不可同日而語。以催化劑為例，王誠告訴科技日報記者，目前商用的燃料電池催化劑仍是鉑基催化劑，實(shí)驗(yàn)室制備水平一般為毫克級，量產(chǎn)技術(shù)需公斤級水平。批量生產(chǎn)要突破三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：一是反應(yīng)條件的均一，確保批次穩(wěn)定性;二是鉑顆粒納米尺寸控制，確保催化活性比表面積;三是提升碳載體的穩(wěn)定性，達(dá)到車用工況下的使用壽命。
將實(shí)驗(yàn)室成果進(jìn)行工業(yè)化放大是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，需要企業(yè)介入。“長期以來，我國燃料電池的研發(fā)主要由高校和科研院所進(jìn)行。企業(yè)持觀望態(tài)度，參與得少，加入得晚。”邵志剛所在的大連化物所從1994年就開始開展車用燃料電池研究。但基礎(chǔ)研究和應(yīng)用之間的斷裂，使得關(guān)鍵材料的工業(yè)化成為一道坎。
要商業(yè)化，還得強(qiáng)鏈、補(bǔ)鏈
王海江此番回國，就是想帶著在燃料電池領(lǐng)域深耕多年的經(jīng)驗(yàn)，和團(tuán)隊(duì)在深圳建成燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈。
先有了南科燃料電池有限公司，主要做電堆關(guān)鍵部分生產(chǎn)、電堆集成和測試。但如果電堆原材料均需從國外進(jìn)口，成本太高。于是，團(tuán)隊(duì)又成立了一家公司，主攻氣體擴(kuò)散層、質(zhì)子交換膜和催化劑三種關(guān)鍵材料的國產(chǎn)化。“到時，燃料電池的成本能下降三分之一。”王海江說。
目前，我國電堆及產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)數(shù)量逐漸增長，預(yù)計2018年國內(nèi)電堆產(chǎn)能將超過40萬kW。“純電動汽車近幾年有很大進(jìn)步，為燃料電池的應(yīng)用創(chuàng)造了非常好的條件。”王誠表示，“此時，我們就更需要聚焦燃料電池內(nèi)核創(chuàng)新。”
要打破發(fā)達(dá)國家的長期技術(shù)壟斷，就得加大對燃料電池核心材料產(chǎn)業(yè)化的投入。接受采訪的專家均指出，燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈“非常長”，涉及到氫能系統(tǒng)、燃料電池發(fā)電系統(tǒng)以及汽車等終端產(chǎn)品。“國內(nèi)零部件、氫基礎(chǔ)設(shè)施以及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范還不健全，需要強(qiáng)鏈、補(bǔ)鏈，帶動新材料、新能源、汽車高端裝備制造成長，才能促進(jìn)燃料電池商業(yè)化提速。”王誠強(qiáng)調(diào)。
