【壓縮機網】當下，氫能與燃料電池產業(yè)勢頭正盛，其發(fā)展所帶來的科技創(chuàng)新和巨大投資受到廣泛關注。然而，氫能儲運、燃料電池核心材料及零部件等領域仍存在諸多瓶頸制約其發(fā)展。為此，中國石油報記者連線了華南理工大學教授巨文博、清華大學助理研究員趙冠雷，就相關技術難點進行探討，為讀者解開氫能發(fā)展背后的技術謎團提供思路。
Q 氫在儲運方面有哪些難點和機會？
A 巨文博：儲氫較為安全的方式是液化氫氣儲存。目前，主要氣體供應商已重點關注并開展液化氫氣的低成本制備和儲運技術。液化氫氣的洲際運輸優(yōu)勢也很顯著，是未來氫氣交易最可行的形式。但是液化氫氣成本仍然很高，遠高于壓縮氫氣。需要注意的是，氫氣不適合管道運輸。由于其標準體積的能量密度較低，導致低壓管道運輸成本較高。具有應用價值的氫氣需要壓縮到35至70兆帕，而高壓氫氣對儲氫管的力學和化學要求較高，因此推高制造成本?；瘜W儲氫具有一定價值，例如基于甲酸、氨基化合物等中間載體實現儲氫。但是化學儲氫的可逆性和質量密度是重大挑戰(zhàn)。
趙冠雷：氫也可制成液氨和甲醇等廣泛應用的化學品，其產業(yè)供應鏈成熟，儲能密度高（70兆帕壓縮氫氣：40克H2/升，液氫：71克H2/升，甲醇：98克H2/升，液氨：121克H2/升），易于儲運，可以成為下一代氫燃料載體。不過，基于甲醇和液氨的動力裝置技術（例如發(fā)動機、重整氫氣燃料電池）還不是很完善，需要在未來幾年繼續(xù)開發(fā)。此外，廢氣排放的問題目前還未完全解決，例如液氨的NOx排放、甲醇的二氧化碳排放等。
Q 影響氫燃料電池性能的主要因素有哪些？制約氫燃料電池發(fā)展的瓶頸是什么？
A 巨文博：氫燃料電池包括低溫質子交換膜燃料電池（PEMFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、堿性燃料電池（AFC）、高溫熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC），每個技術都有各自的難點。酸性一般需要貴金屬催化劑，堿性的能量密度較低導致體積龐大，高溫則對電極和電解質材料要求苛刻。目前車載PEMFC有較大發(fā)展，但降低成本空間有限，分布式電站用AFC和SOFC技術則較為成熟?？傮w來說，燃料電池技術受限于工作機制，需要電子導體、離子導體，以及反應界面，屬于復雜化學系統(tǒng)。材料研究能極大提升其性能，但卻存在部分無法逾越的障礙。目前的瓶頸在于，系統(tǒng)的內在運行機制需要基礎突破帶動能力提升，簡單通過技術進步將無法有效化解當前的難題。
趙冠雷：針對PEMFC，目前業(yè)內有三大問題，即壽命、成本和功率密度。PEMFC的壽命取決于多方面因素，這里可以簡化為基于金屬雙極板的燃料電池壽命和基于石墨雙極板的燃料電池壽命。燃料電池壽命主要取決于金屬板上的涂層。金屬板在高電壓和酸性環(huán)境中會析出金屬離子，導致膜電極損傷，因此金屬板上必須具有保護涂層，通常是貴金屬和碳涂層。金屬雙極板燃料電池的壽命目前可以做到5000小時以上（豐田），滿足乘用車需求。而石墨雙極板燃料電池因為沒有金屬離子損傷膜電極，所以壽命可以達到2萬小時以上，巴拉德的燃料電池目前已經可以達到3萬小時以上，完全可以滿足重型交通領域和固定式發(fā)電的需求。但國產設備還需要進一步驗證，目前可達1萬小時左右。此外，燃料電池在低溫環(huán)境下冷啟動的性能也是關乎其壽命的關鍵指標。
成本方面，目前國內燃料電池電堆成本在2000元/千瓦左右，系統(tǒng)成本在4000元/千瓦左右。針對重卡應用，目前內燃機重卡整體價格在40萬—50萬元，而燃料電池動力系統(tǒng)的成本就已接近內燃機重卡整車的售價，其中燃料電池電堆占成本的大部分。降低成本的路徑主要依賴技術上的進一步突破，例如膜電極性能的增強（1.0瓦/平方厘米增強至1.5瓦/平方厘米）、鉑載量的降低和雙極板制備工藝的優(yōu)化。國產化和量產也有助于成本的降低。質子交換膜和氣體擴散層就在推動國產化進程，目前膜電極、雙極板、氫氣循環(huán)泵、空氣壓縮機、氣體擴散層等核心組件，以及PEM、催化劑等關鍵材料，均已實現小規(guī)模自主生產，國產化率從2017年的30%提高到現在的大于60%。燃料電池汽車的產量也已由1500輛/年提高至1萬輛/年，產量的增加可以使零部件的成本得到更多平攤，因此可以大幅降低成本。預計在未來五年內，PEMFC系統(tǒng)成本將從目前的4000元/千瓦降到2000元/千瓦至3000元/千瓦。
功率密度方面，燃料電池的功率密度是乘用車和一些特種應用（比如無人機）的瓶頸。目前石墨雙極板燃料電池電堆的功率密度可達4千瓦/升左右，金屬雙極板燃料電池電堆的功率密度可達5.5千瓦/升左右。進一步提升功率密度的主要途徑是增加燃料電池性能，主要包括提升MEA的性能及降低雙極板的厚度（主要針對石墨板）。盡管開發(fā)難度還很大，但石墨雙極板未來有可能通過石墨/樹脂復合材料的開發(fā)，使雙極板厚度降到小于1.2毫米。
【壓縮機網】當下，氫能與燃料電池產業(yè)勢頭正盛，其發(fā)展所帶來的科技創(chuàng)新和巨大投資受到廣泛關注。然而，氫能儲運、燃料電池核心材料及零部件等領域仍存在諸多瓶頸制約其發(fā)展。為此，中國石油報記者連線了華南理工大學教授巨文博、清華大學助理研究員趙冠雷，就相關技術難點進行探討，為讀者解開氫能發(fā)展背后的技術謎團提供思路。
Q 氫在儲運方面有哪些難點和機會？
A 巨文博：儲氫較為安全的方式是液化氫氣儲存。目前，主要氣體供應商已重點關注并開展液化氫氣的低成本制備和儲運技術。液化氫氣的洲際運輸優(yōu)勢也很顯著，是未來氫氣交易最可行的形式。但是液化氫氣成本仍然很高，遠高于壓縮氫氣。需要注意的是，氫氣不適合管道運輸。由于其標準體積的能量密度較低，導致低壓管道運輸成本較高。具有應用價值的氫氣需要壓縮到35至70兆帕，而高壓氫氣對儲氫管的力學和化學要求較高，因此推高制造成本?；瘜W儲氫具有一定價值，例如基于甲酸、氨基化合物等中間載體實現儲氫。但是化學儲氫的可逆性和質量密度是重大挑戰(zhàn)。
趙冠雷：氫也可制成液氨和甲醇等廣泛應用的化學品，其產業(yè)供應鏈成熟，儲能密度高（70兆帕壓縮氫氣：40克H2/升，液氫：71克H2/升，甲醇：98克H2/升，液氨：121克H2/升），易于儲運，可以成為下一代氫燃料載體。不過，基于甲醇和液氨的動力裝置技術（例如發(fā)動機、重整氫氣燃料電池）還不是很完善，需要在未來幾年繼續(xù)開發(fā)。此外，廢氣排放的問題目前還未完全解決，例如液氨的NOx排放、甲醇的二氧化碳排放等。
Q 影響氫燃料電池性能的主要因素有哪些？制約氫燃料電池發(fā)展的瓶頸是什么？
A 巨文博：氫燃料電池包括低溫質子交換膜燃料電池（PEMFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、堿性燃料電池（AFC）、高溫熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC），每個技術都有各自的難點。酸性一般需要貴金屬催化劑，堿性的能量密度較低導致體積龐大，高溫則對電極和電解質材料要求苛刻。目前車載PEMFC有較大發(fā)展，但降低成本空間有限，分布式電站用AFC和SOFC技術則較為成熟?？傮w來說，燃料電池技術受限于工作機制，需要電子導體、離子導體，以及反應界面，屬于復雜化學系統(tǒng)。材料研究能極大提升其性能，但卻存在部分無法逾越的障礙。目前的瓶頸在于，系統(tǒng)的內在運行機制需要基礎突破帶動能力提升，簡單通過技術進步將無法有效化解當前的難題。
趙冠雷：針對PEMFC，目前業(yè)內有三大問題，即壽命、成本和功率密度。PEMFC的壽命取決于多方面因素，這里可以簡化為基于金屬雙極板的燃料電池壽命和基于石墨雙極板的燃料電池壽命。燃料電池壽命主要取決于金屬板上的涂層。金屬板在高電壓和酸性環(huán)境中會析出金屬離子，導致膜電極損傷，因此金屬板上必須具有保護涂層，通常是貴金屬和碳涂層。金屬雙極板燃料電池的壽命目前可以做到5000小時以上（豐田），滿足乘用車需求。而石墨雙極板燃料電池因為沒有金屬離子損傷膜電極，所以壽命可以達到2萬小時以上，巴拉德的燃料電池目前已經可以達到3萬小時以上，完全可以滿足重型交通領域和固定式發(fā)電的需求。但國產設備還需要進一步驗證，目前可達1萬小時左右。此外，燃料電池在低溫環(huán)境下冷啟動的性能也是關乎其壽命的關鍵指標。
成本方面，目前國內燃料電池電堆成本在2000元/千瓦左右，系統(tǒng)成本在4000元/千瓦左右。針對重卡應用，目前內燃機重卡整體價格在40萬—50萬元，而燃料電池動力系統(tǒng)的成本就已接近內燃機重卡整車的售價，其中燃料電池電堆占成本的大部分。降低成本的路徑主要依賴技術上的進一步突破，例如膜電極性能的增強（1.0瓦/平方厘米增強至1.5瓦/平方厘米）、鉑載量的降低和雙極板制備工藝的優(yōu)化。國產化和量產也有助于成本的降低。質子交換膜和氣體擴散層就在推動國產化進程，目前膜電極、雙極板、氫氣循環(huán)泵、空氣壓縮機、氣體擴散層等核心組件，以及PEM、催化劑等關鍵材料，均已實現小規(guī)模自主生產，國產化率從2017年的30%提高到現在的大于60%。燃料電池汽車的產量也已由1500輛/年提高至1萬輛/年，產量的增加可以使零部件的成本得到更多平攤，因此可以大幅降低成本。預計在未來五年內，PEMFC系統(tǒng)成本將從目前的4000元/千瓦降到2000元/千瓦至3000元/千瓦。
功率密度方面，燃料電池的功率密度是乘用車和一些特種應用（比如無人機）的瓶頸。目前石墨雙極板燃料電池電堆的功率密度可達4千瓦/升左右，金屬雙極板燃料電池電堆的功率密度可達5.5千瓦/升左右。進一步提升功率密度的主要途徑是增加燃料電池性能，主要包括提升MEA的性能及降低雙極板的厚度（主要針對石墨板）。盡管開發(fā)難度還很大，但石墨雙極板未來有可能通過石墨/樹脂復合材料的開發(fā)，使雙極板厚度降到小于1.2毫米。
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