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张久俊院士:燃料电池产业化的挑战与对策

   2023-12-12 高工氢电224720
核心提示:针对当前燃料电池产业化的挑战和提升耐久性的解决之策展开了分析和建议。

“质子交换膜燃料电池已被认为是电动车的终极主力电源,目前提高耐久性、降低燃料电池的成本及发展加氢站是氢能利用的主要努力方向。” 中国工程院院士(外籍)、加拿大皇家科学院院士、福州大学材料科学和工程学院院长张久俊院士在一次开幕式上指出。

张久俊院士在高工氢电年会上发表了“车用动力氢能质子交换膜燃料电池:核心技术与科技挑战与对策”的主题演讲。针对当前燃料电池产业化的挑战和提升耐久性的解决之策展开了分析和建议。    

燃料电池车产业化的三大挑战     

全球18亿量燃油车(中国有3亿辆),这种体量下的汽车排放出的CO2,CO,NOx,SOx,VOC等,对环境的污染会引发一系列的社会问题。世界各个国家都在发展新能源汽车(如锂电池、燃料电池等),其中燃料电池已逐渐上升为国家战略。

从技术角度看,燃料电池包括很多种,如质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、磷酸燃料电池、碱性燃料电池、直接甲醇燃料电池等,其中最重要的就是质子交换膜燃料电池,其最大的优势有两个:一是零排放,二是能够在重卡、飞机等场景应用,存在锂电池等竞争路线无法比拟的优势。

“质子交换膜燃料电池已被认为是电动车的终极主力电源,但现在仍没有实现大规模产业化,这背后原因主要有三个方面的挑战:科学技术挑战、经济挑战和基础设施挑战。”张久俊院士指出。

一是科学技术挑战,主要是燃料电池动态运行条件下的耐久性不足(电流/电压/温度/压力的波动的影响)。尤其在燃料电池最容易推广应用的重卡场景,在实际工况中需要百万小时的连续操作,电流、电压、温度、压力的波动对燃料电池稳定运行造成挑战,目前的燃料电池耐久性还达不到商业运营的要求。

二是经济挑战,即燃料电池堆各个部件的高昂价格。需要各部件配合降本来解决,这也是产业链上下的发展共识。

三是基础设施挑战,加氢设施的普及程度太低,包括制氢、储氢、运氢、用氢的产业链尚未打通,实际运行的经验太少。燃料电池技术进步相当快,近年产业链把目光聚焦到制氢,中间储运环节还需要加紧攻克,这些都是未能推进燃料电池大规模产业化的原因。

综合看来,燃料电池面临的挑战因素一方面来自市场方面,一方面来自底层的科学技术方面,解决燃料电池运行耐久性问题,是迈向产业化必须突破的难关。

如何提升燃料电池耐久性?     

DOE曾指出燃料电池市场化运行指标为系统功率密度达到850W/L、长期运行目标大于10000小时、规模生产成本达到30$/kW。

“具体到单电池,运行期望目标为1A/cm2 下单电池电压大于等于0.8 V;2A/cm2下单电池电压大于等于0.7V;能量效率从0.6V下的48%提高到0.8V的64%;实际动态操作下的寿命大于10000小时。目前的燃料电池尚未达到产业化的标准。”张久俊院士分析道。

解决燃料电池耐久性问题要归根究底到核心材料体系:主要是由膜组件的催化剂、质子交换膜、气体扩散层所决定,这也是目前不能够完全国产化替代的主要部件,通过基础科学研究和技术的创新是提高催化剂和膜稳定性的必然举措。    

张久俊院士长期从事电化学能源存储和转换及其材料的研究和产业化应用开发,包括燃料电池、高比能二次电池、超级电容器、CO2电化学还原和水电解等。从科学技术的角度提出了解决燃料电池运行耐久性问题的挑战和对策:    

催化剂方面,目前最多使用铂碳催化剂,除了铂金属价格贵之外,催化剂碳支持体在燃料电池长期操作下,尤其是小电流(高槽电压)下会被氧化,降低耐久性甚至失效;催化剂结构在燃料电池运行中的构型坍塌;催化剂衰减、预防及改善机理的基础科学研究不充分。

针对这些问题的主要对策为:研发非碳支持体的Pt基催化剂;优化催化剂与支持体的结构构型及组分,增强催化剂与支持体的相互作用;使用高通量计算及人工智能技术并结合原位测量技术理清催化活性和活性衰减机理之间的构效关系,以研发高活性高耐久性的催化剂。

质子交换膜有全氟磺酸膜、增强型全氟磺酸膜和高温型复合质子交换膜,车用质子交换膜燃料电池电解质膜的耐久性科学技术挑战主要是H2O2自由基离子对膜的攻击使膜变薄及溶解Pt进入膜形成点蚀甚至穿孔;长期高温高压运行使膜的机械性能衰减(对于5~10微米的膜尤其严重);痕量金属离子占据质子交换位置使膜导电性能下降;膜衰减、预防及改善机理的基础科学研究不充分等。    

需要从改善研发新型质子交换膜,包括增强型的高温、有机-无机复合膜,提高膜的机械、热、化学稳定性;添加H2O2自由基离子灭活剂以消除其对膜的破坏作用;使用高通量计算及人工智能技术并结合原位测量技术理清膜性能与衰减机理之间的构效关系,以研发高耐久性的电解质膜等方面解决。

气体扩散层方面,主要挑战包括电池正极高电势(小电流)下碳纸层/微孔碳层的电化学氧化使功能衰减;长期温度/压力/电势的变动使催化层从碳纸层/微孔碳层的剥离;长期操作下碳纸层/微孔碳层失去疏水性而造成水淹。

这种情况下有三种解决对策,研发抗氧化能力强的微孔碳层及优化此碳层的组分以增强其机械、热及化学的稳定性;发展碳纸层/微孔碳层/催化层的传质模型以深入研究和优化电流/电压分布及气体/水的传质,提供优化设计;使用高通量计算及人工智能技术并结合原位观测技术理清碳纸层/微孔碳层/催化层性能与衰减机理之间的构效关系,以研发高耐久性的碳纸层/微孔碳层等。

“目前我们联合骊能新能源开发了高性能炭纸层/微孔碳层气体扩散层,所生产的材料各项性能指标都优于商品化的样品,正在推进产业化。”张久俊院士最后介绍道。


 
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