燃料电池质子交换膜国产新突破 关键指标领先国外

刘万祥

关于燃料电池,我国已在《中国制造2025》中提出,到2020年,实现燃料电池关键材料批量化生产的质量控制和保证能力;到2025年,制氢、加氢等配套基础设施基本完善,燃料电池汽车实现区域小规模运行。

燃料电池车型无论是在环保方面的零污染,还是其能源补给(加氢)时间短以及超长续驶里程,都是其他新能源汽车所不能及的。但目前较高的技术和产业壁垒,国内关键技术的缺失,昂贵的质子交换膜和贵金属铂催化剂,以及石墨双极板较高的加工成本,使得氢燃料电池车型的成本和售价远高于普通燃油客车和其他电动车型,影响了其国内商业化的进程。

电子科技大学教授何伟东在燃料电池研讨会上表示,即便如此,国内市场现有及潜在燃料电池市场巨大,包括航天、电动汽车、备用电源、无人机等领域都适用于燃料电池。与此同时,国家、地方省市对氢气燃料电池政策倾斜,关键技术突破势在必行。

有关燃料电池发展潜力何在? 从质子交换膜的技术突破开始

电子科技大学何伟东教授

对于燃料电池重要组成部分的质子交换膜技术的发展状况,何伟东表示国内燃料电池堆(主要包括双极板、质子交换膜、催化剂)目前主要依赖进口。特别是质子交换膜燃料电池的关键核心材料技术上落后于美国、德国和日本,最优质的质子交换膜被美国杜邦、苏维等国外公司长期垄断。

何伟东介绍道,质子交换膜关键在于质子传导率,其研究团队在国家及四川地方政府、高校支持下,经过一年的反复研究实验,终于推出新一代质子交换膜,其拥有更低的成本及更高的质子传导率。该质子交换膜的质子传导率达到美国杜邦公司型号Nafion 117质子交换膜的1.78倍。在成本方面,目前市场主流的企业杜邦公司生产的质子交换膜价格在10元左右每平方厘米,而何伟东研制出的产品价格能降低10倍左右。(杜邦Nafion PFSA 薄膜和分散液凭借其出色的能量输出和耐用性蜚声燃料电池业,成为多种能量存储和汽车应用的理想选择。杜邦科研在燃料电池业不断创新,推出了杜邦薄膜,美国杜邦公司为众多应用和工艺技术提供原料和成品,包括家用电子产品、燃料电池、航空航天、汽车、工业应用领域。)

有关燃料电池发展潜力何在? 从质子交换膜的技术突破开始

何伟东团队历时1年研发的质子交换膜

燃料电池虽然存在较大的缺点:例如铂催化剂成本高、放电启动慢、电池系统稳定性差等。但其拥有高转化率(>60%)、排污少、多种燃料气体(氢气、甲烷、醇类等)优势。

而对于从美国回国后任职于电子科技大学的何伟东为何选择燃料电池中的质子交换膜而不是铂催化剂作为主攻领域呢?带着固有科研人员气质的他直言不讳,燃料电池结构中的铂催化剂在国际领域是绕不过去的问题,主要在于成本上的控制,而这主要技术提升点在于通过减少铂金的用量,加大其接触面积,找到尺寸和性能稳定性的结合点。(催化剂主要是表面起作用,内部并不起作用)理论上讲颗粒越小,活性越好,催化效果就增强。但是问题是小到一定程度容易被硫化物毒化(空气中含有),容易吸附硫化物从而使得其催化效果大打折扣。其次,铂金属是FCC晶体结构(面心立方晶胞,每个晶胞含有4个金属原子。),哪个表面在外边是很难控制。

对于质子交换膜,他表示通过长时间调研发现做质子交换膜的粉粒,国内已经做得较好。在氢燃料电池车型研发上,国内科研机构及制造企业一直在探索,在近十年的开发和研究中,我国氢燃料电池车型也取得了一定进步。从宇通推出全新一代氢燃料电池客车,到福田欧辉客车获得100辆氢燃料电池客车的订单,再到28辆氢燃料客车将在广东佛山、云浮示范运营,都在预示着氢燃料电池客车正在逐渐步入商业化运营。

何伟东简介:

2007年本科毕业于哈尔滨工业大学应用化学专业,2012年博士毕业于美国范德堡大学材料系,之后在美国西北国家实验室从事博士后研究。2013年加入能源科学与工程学院,任教授,博士生导师,入选电子科技大学“百人计划”及四川省“千人计划”特聘专家。长期与美国双院院士John B. Goodenough(锂电池发明人)教授等国际著名科学家进行能源领域的学术合作。以第一作者为国际出版社Springer等出版专著3部,在国际期刊上发表论文近100篇, 多篇为受邀封面、特刊及综述论文。主持研发并实现工业化生产的国际原创专利技术数项。主持国家自然科学基金,中央高校经费重点项目,电子科技大学“顶尖培育计划”及四川省科技支撑计划等多项科技研发项目。

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