國家電投氫燃料電池電堆技術(shù)獲階段性成果

日前，在國家電投科學(xué)技術(shù)研究院舉辦的氫能技術(shù)創(chuàng )新與應用高峰論壇上，國家電投氫能科技發(fā)展公司首席技術(shù)官柴茂榮表示，國家電投100千瓦氫燃料反應堆將于今年年底完成整個(gè)系統穩定性測試，并進(jìn)行相關(guān)工藝放大驗證及固化。在此基礎上，預計2020年5、6月份，就可以到車(chē)企進(jìn)行相關(guān)測試與實(shí)驗。根據國家電投氫能公司此前公布的發(fā)展規劃，到2020年，國家電投氫燃料電池關(guān)鍵零部件及系統產(chǎn)品將實(shí)現量產(chǎn)。

今年7月，國家電投氫能公司100千瓦功率金屬雙極板燃料電池電堆宣告研制成功。而這對于國家電投氫能公司“實(shí)現燃料電池的全產(chǎn)業(yè)鏈自主化”目標來(lái)說(shuō)，僅僅是個(gè)開(kāi)始。

攻關(guān)核心技術(shù)

據了解，燃料電池項目的設計研發(fā)分為膜電極、雙極板、電堆封裝以及BOP系統(包含系統控制、氫泵、其它附屬設備等)四大部分。其中，膜電極作為燃料電池實(shí)現功能的核心，成為國家電投氫能公司攻堅重點(diǎn)。

“國外企業(yè)生產(chǎn)的性能最為優(yōu)秀的催化劑我們買(mǎi)不到，市場(chǎng)上的催化劑又難以達到我們的要求。”柴茂榮表示，國家電投目前已成功研制出耐腐蝕、易擔載的碳基催化劑載體，以及具有高質(zhì)量活性、低鉑載量的多元合金催化劑。“最終的催化劑產(chǎn)品的質(zhì)量活性?xún)?yōu)于目前市場(chǎng)上的催化劑，通過(guò)1.0-1.5V十萬(wàn)次的耐久性測試，其衰減特性值仍大于80%，耐久性能較目前的商業(yè)催化劑具有顯著(zhù)優(yōu)勢。”

來(lái)到展廳內，記者注意到一張張透明的薄膜。讓記者想不到的是，這薄薄的一層膜，全球只有兩三家企業(yè)可以生產(chǎn)。

“普通的質(zhì)子交換膜并不難做，但燃料電池所需的膜必須要耐高溫，可以在100攝氏度的條件下正常工作。而絕大多數的膜在80攝氏度就開(kāi)始軟化，失去功能。”柴茂榮介紹稱(chēng)，國家電投與武漢理工大學(xué)合作，研制成功了高電導率、高耐久性、低溶脹的質(zhì)子交換膜，并完成了量產(chǎn)工藝、設備及產(chǎn)線(xiàn)的開(kāi)發(fā)。“目前該技術(shù)正在進(jìn)行細節參數實(shí)驗和論證。預計到2021年可以形成標準化的產(chǎn)品。”

打造自主化產(chǎn)業(yè)鏈

百千瓦燃料電池電堆及燃料電池系統產(chǎn)品項目的完成分為三個(gè)層次：從原料到產(chǎn)品的全部關(guān)鍵環(huán)節實(shí)現自主化，以細節為根本、以系統為表征實(shí)現性能提升，以及通過(guò)推動(dòng)技術(shù)升級與規模效應實(shí)現成本的大幅降低。

在柴茂榮看來(lái)，氫燃料電池要想實(shí)現商業(yè)化，這三個(gè)關(guān)鍵要素缺一不可。“相比鋰電池汽車(chē)，氫燃料電池車(chē)的成本要高很多，如果再走依靠高比例補貼的老路，國家財政是無(wú)力支撐的。”他表示，目前國外燃料電池電堆通過(guò)規?；?，可以將每千瓦造價(jià)降至1000元人民幣以?xún)?，而國內仍處?000元左右。“想降低成本，必然需要提高自主化水平、減少進(jìn)口依賴(lài)，同時(shí)用高性能爭取市場(chǎng)。”

“舉個(gè)例子，一塊看似不起眼的雙極板，原先我們都不具備自主制造的能力。我曾經(jīng)找到掌握該技術(shù)的國外公司，對方連一個(gè)樣品都不愿提供給我們。”回憶起研制之初的艱辛，柴茂榮頗有感觸。

既要滿(mǎn)足接觸電阻、基材溶出率等指標要求，又要克服鈦材料不能承壓的特性，柴茂榮和他的團隊對鈦材料進(jìn)行改進(jìn)，冶煉材料，制作產(chǎn)品，再做測試，沒(méi)有成功就重新再煉材料。“看似不起眼的雙極板，花費的時(shí)間精力僅次于對催化劑技術(shù)的攻克。”目前，這種由國家電投自研的鈦極板已完成設計形成專(zhuān)利，并實(shí)現了小批量生產(chǎn)。

整個(gè)燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈的自主化涉及多個(gè)領(lǐng)域，為實(shí)現自主化目標，國家電投通過(guò)發(fā)揮其大型能源央企的戰略?xún)?yōu)勢，組建了氫能產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。“聯(lián)盟中有許多材料、設備廠(chǎng)商，我們聚焦于產(chǎn)業(yè)發(fā)展，更加側重產(chǎn)業(yè)技術(shù)、生產(chǎn)等方面，以此進(jìn)行資源整合，打造產(chǎn)業(yè)發(fā)展平臺。”

明確發(fā)展方向

柴茂榮在講話(huà)中表示，由于起步較晚，我國燃料電池電堆水平與先進(jìn)國家相比較為落后，無(wú)論是單堆功率、功率密度還是使用壽命等方面，均存在一定差距。“燃料電池單堆功率達到100千瓦并非是單純的數量疊加。單堆功率提高意味著(zhù)功率密度提高，對元件散熱等工藝都提出了更高要求。”

柴茂榮強調，為滿(mǎn)足大型車(chē)輛、商用車(chē)的需求，未來(lái)燃料電池必將朝大功率的方向發(fā)展。“3升6缸發(fā)動(dòng)機的功率約為200千瓦，大型機車(chē)甚至可以達到1000千瓦。而國內燃料電池電堆單堆功率最高僅為60千瓦，為達到功率需要的電堆數量過(guò)多，控制系統無(wú)法實(shí)現有效控制，因此，大功率電池的開(kāi)發(fā)十分必要。”

據了解，國家電投百千萬(wàn)燃料電池電堆項目將在今年內完成中試，并進(jìn)行相關(guān)工藝放大驗證及固化。“在此基礎上，預計2020年5、6月份，就可以到車(chē)企進(jìn)行相關(guān)測試與實(shí)驗。”柴茂榮說(shuō)。

此外，根據國家電投氫能公司發(fā)展規劃，到2020年，國家電投氫燃料電池關(guān)鍵零部件及系統產(chǎn)品將實(shí)現量產(chǎn)，并建成國家能源氫能研發(fā)(實(shí)驗)中心，初步建成氫能檢測鑒定實(shí)驗驗證平臺;2025年將形成系列化電池產(chǎn)品及穩定的系統配套能力和原材料供應體系，驗證平臺發(fā)揮行業(yè)支撐作用。