WNEVC 2021 | 中科院大連化學物理研究所研究員侯明：車用燃料電池堆研究進展
2021年9月15-17日，“第三屆世界新能源汽車大會”（WNEVC 2021）在海南國際會展中心盛大召開，由中國科學技術協會、海南省人民政府、科學技術部、工業和信息化部、生態環境部、住房和城鄉建設部、交通運輸部、國家市場監督管理總局、國家能源局共同主辦。本次大會以“全面推進市場化、加速跨產業融合，攜手實現碳中和”為主題，邀請全球各國政產學研各界代表展開研討。
其中，在9月17日上午舉辦的“燃料電池商用車示范應用與技術創新”主題峰會上，中科院大連化學物理研究所研究員侯明發表精彩演講。
侯明女士介紹了電堆、膜電極、雙極板、質子交換膜、催化劑、碳紙等6大電堆關鍵技術。她指出電堆的一致性非常重要，要從設計、制造、操作、環境等各個方面來控制電堆的一致性。最后她介紹了中科院大連化學物理所的主要研究，以及目前成果轉化狀況。
以下內容為現場演講實錄：
大家上午好，我來自中科院大連化學物理研究所。我們知道氫能是未來重要的能源形勢，氫能作為溝通交通、發電和儲能三大領域的關鍵能源氣體，是實現碳中和重要媒介，重要性不斷上升，未來的地位有望與化石資源比肩。我們知道燃料電池是氫能的轉化裝置，他是氫能實現發電重要的一個裝備。燃料電池從汽車的技術構架來講，可以分為4個層次，從最外面的是燃料電池和整車，接下來一層是燃料電池動力系統，再下來一層是燃料電池系統、最里面一層是燃料電池電堆。從國內的整個的發展情況來看，我感覺越往中心他的核心技術就越缺乏。
那么我也欣喜的看到我們五部委啟動了燃料電車的石方工程，關鍵的核心技術是一個重要的考核指標。這個重要考核指標包括8個重要的部件，現在業內也俗稱叫燃料電池八大件，八大件當中其中有6項是在燃料電池電堆里面，可見核心技術還是一個比較好的技術。
今天給大家梳理一下，電堆里面6個關鍵的核心技術。第一個是催化劑：首先催化劑在我們燃料電池里面，有兩種催化劑，一種是陰極一種是陽極，我們說的催化劑是氧還原的催化劑，我們用的是碳的催化劑。對催化來講，我們也希望國內的供應商能夠把市場占有率進一步的提高。催化劑從研究層來說，他主要是解決車載工況下的衰減問題，還有降本問題、康養問題，我們希望未來能夠降低到0.1每千瓦，相當于汽車尾氣凈化器一個水平。催化劑就要提高他的活性和穩定性，我們研究從PT的單層催化劑、納米線和薄膜等等從各個方面降低他的PT用量。PT的的核心催化劑他不是單純的果碳，大家也經常說非貴金屬催化劑，現在也有很多的研究，那么現在最重要的就是要提高他的非貴金屬催化劑的活性，目前他的活性已經能夠達到商業化應用的水平，但是他的耐久性還是有待于進一步的提高。
第二個質子交換膜，目前全氟磺酸膜是重要的膜，這個膜的重點研究方法是復合膜替代均質膜，這個膜可以做的很薄。多孔的基膜是目前應用的重點，現在商業化的復合膜厚度可以達到10個微米，我們知道越薄他的電阻越小，所以他性能越高，但是你要薄的話強度得不到滿足的是有問題的，所以現在這個復合膜技術也是得到了應用。除了機械強度之外，他的化學穩定性也是我們重點要關注的，他在反應過程中會產生自由基，這個自由基就會供給膜的測量，能夠把自由基去除掉，國際也有把復合膜加上化學穩定性的提高的解決方案。質子交換膜的評價參數包括質子傳導率、機械強度、機械穩定性、化學性等等，DOE也提出了一些測試方法大家可以參考。
第三個催化劑和膜中第三重材料是氣體擴散層，中間是膜兩邊是催化劑，催化劑藍色的和紫色的就是氣體擴散層，他是一個部件，他有支撐層他由多空的碳紙或者碳布+憎水劑組成的，還有一個是微孔曾是導電炭黑加憎水劑做成的，這個是氣體擴散層的制備工藝。氣體擴散層的研究方向改進氣體擴散層的導電功能和傳質功能，高空隙結構低密度的擴散層，降低他的傳質激化，還有改進微孔結構，通過微孔修飾和梯度結構等，改進水管理。
再有是自支撐GDL，我們馬上也會有文章表達。炭紙的空隙率導電性的強度等等，催化劑和膜還有氣體擴散層這三個就可以組成膜電極，他的傳質盡可能的小，膜電極的組分和機構優化，他制備的時候工藝怎么優化，這個都是我們研究的方向，那么現在我們目前已經有三代的膜電極的技術，現在大部分的都是用的第二代，把催化層涂抹到膜上，這個是我們大多數采用的技術，我們前沿的技術也在做有序化的膜電極的研究工作。
上述這三種電極，第一個把催化層涂在膜上，他所有的組分都是有序的，這樣的傳質阻力變小。第二個是理想介觀有序電極，納米纖維電極我們目前也有文章發表，這個是豐田公司做在膜電極，我們最近發表的一篇文章我們做的仿生三維的自支撐的PT納米槽電極，因為燃料電池產生水，如果不及時排除的話會影響他的性能。
實際的應用還要進一步的做一些工作，膜電極的排量生產技術也是我們國內非常關注的，卷對卷的涂布技術也要關注，他跟鋰電不一樣，這個膜是高分子的材料，所以他涂上催化劑而且是兩面涂，這個技術還是有一定的難度的，而且現在國內也有引進的一些技術，國內也有一些產品在研制卷對卷的涂布技術。我們在張家港的研究院也研制了涂布的設備，我們目前也跟睿彩（音）簽訂了應用的合同。
我們把催化劑膜擴散層和膜電極說完了，外面的雙極板，各有優勢，金屬板的體積比較小，石磨板他的體積稍微的大一些，但是石磨板沒有腐蝕性的問題，金屬板要考慮在燃料電池使用下的腐蝕問題。金屬板關鍵的技術要包括這樣的幾個技術，一個是表面處理，一個是流場設計，焊接技術等等。金屬板的集采一般不能選擇太貴的技術，一般用不銹鋼，不銹鋼在燃料電池的環境下也會腐蝕，他是偏酸性的溫度也是七八十度的環境，所以我們的材料要考慮他既要導電又要耐腐蝕，導電的技術材料需要材料非常的活躍，耐腐蝕要把材料要惰，我們要均衡的考慮起來，表面處理技術包括板材的表現處理，就是說在鋼板的層次進行表面處理。
那么雙極板里面要考慮流場優化，流到這么大的面積不能短路，充分的擾動起來讓他活性的物質傳到催化層里面，擾動的太大的阻力也會有問題，比如說豐田他的第一代用的這樣的網狀的流場，二代他有這樣的階段所載的流場，我們公司也有這樣的流場，我們看到大電流的性能確實有所提高，就是他的傳質阻力減少了，這樣增加了他大電流的性能。還有雙極板的加工，我跟很多做模具的人，汽車工業這么多的做模具這個很容易，但是我們雙極板真正做起來的話確實有難度的，難在他的尺寸是很精密，特征的尺寸非常密集的，汽車車門頂多做一點的尺寸，但是他的特征尺寸非常密集的，另外一個他的溝槽也是有一點的要求的。
另外一個沖壓完了之后沒有殘余應力，殘余應力存在就導致間隔發生變化導致腐蝕的增加，高精度無殘余應力的特征尺寸密集型的沖壓的技術還是有一些難點的，國家也在做國際上面也有，沖壓是主流的技術。這個沖壓要實現卷對卷，對鋼板的開卷成型之后再剪切，很多國內公司說我們家能做雙極板，我感覺都是一片一片沖，你要實現產能的話產出這樣的膜還是有難度的，尤其是對高尺寸精度的工藝來講還是有難度的。
最后一個是，材料組成膜電極，膜電極和雙扳機組成電堆，所以他涉及到傳質，導電、傳熱復雜的過程，國內有很多家可以做電堆了。電堆要考慮一致性，數百片的電池一致性很重要，如果一個電池不好的話他會破壞整個電堆，目前國內有能夠保持一致較好的還不是很多。我們要從設計、制造、操作、環境等各個方面控制他的一致性，組裝要關注良好的密封性，電堆產線也是重要的產業化技術。國內代表性的電堆，現在國內報的最好的是143千瓦，這個是電堆的路線圖我有幸參加路線圖的編寫，這個路線圖是包括商用車和乘用車的兩個部分，不同的車輛應用電堆的指數是不一樣的。
最后說一下我們大連化所，我們從70年代做燃料電池，我們經過了很長的發展過程也積累了很多的經驗，從材料和系統都有實踐和研發的經驗，我們第一代技術在2000年初期轉化為新元動力了，也是國內領先的企業。第二個技術是許可給安徽氫能公司，他們也進行了電堆的呈現，他們的公交車現在單車里程已經超過了10萬公里。第三代技術轉化給國創氫能，這個可能比較陌生。介紹一下，我們跟中國航天共同成立了國創氫能公司，這個公司的定位不是做量他是給做量的生產單位提供解決方案，他利用技術平臺去給生產廠商去提供技術支持，這個也是我們的一個優勢，那航天也是有他的尖端的制造技術，所以我們的定位是提供服務、提供解決方案。
那么也希望大家跟這個國創氫能有更多的合作，我們的宗旨是技術創新、成果轉化、合作共贏。有什么問題大家可以會后聯系謝謝大家！
（注：本文根據現場速記整理，未經演講嘉賓審閱）
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