鉅大LARGE | 點擊量：1282次 | 2019年05月16日
燃料電池核心零部件差距縮小
最近，我國燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展步伐有加快的趨勢，在一片繁榮景象中，有人擔憂我國燃料電池產(chǎn)業(yè)不掌握核心技術(shù)，造成一種“虛胖”的假象。其實有這種擔憂合情合理，因為在幾年前，我國示范推廣的燃料電池車輛使用的電堆全部依賴進口?？傮w上，我國燃料電池技術(shù)與國際先進水平有較大差距。
如今，這種差距正在縮小。2月23日，蘇州擎動科技有限公司自主研發(fā)的國內(nèi)首套“卷對卷直接涂布法”膜電極生產(chǎn)線正式投產(chǎn)。蘇州擎動科技有限公司總經(jīng)理朱威告訴《中國汽車報》記者，這標志著中國燃料電池上游核心制造技術(shù)突破了國外的壁壘。蘇州擎動生產(chǎn)的MEA成本比進口降低一半，燃料電池汽車徹底國產(chǎn)化不再是“癡人說夢”。
?核心技術(shù)有差距
電堆是燃料電池核心部件之一，膜電極組件（MEA）又是電堆中的核心部件之一。MEA把質(zhì)子交換膜(PEMs)、催化劑和電極組合在一起，讓氫氣與氧氣在此進行電化學反應(yīng)，產(chǎn)生電能驅(qū)動車輛前行。MEA的性能很大程度上決定著電堆水平的高低。
我國確立新能源汽車發(fā)展方向后，有些企業(yè)選擇了燃料電池道路，從核心部件電堆入手。但是，由于國內(nèi)MEA組件與國外有較大差距，企業(yè)即便小規(guī)模試生產(chǎn)電堆，也需要從國外進口MEA組件。這種差距嚴重制約著我國燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
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-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
MEA作為核心零部件之一，從技術(shù)的角度來看，主要有4個難點：在低鉑載量、大電流操作條件下陰極氧傳輸極化；膜電極性能高度一致；優(yōu)化水管理，實現(xiàn)膜電極內(nèi)部水循環(huán)，適應(yīng)無增濕條件運行；實現(xiàn)抗反極、冷啟動等特性。
在4個難點上，國內(nèi)的MEA與國際先進水平仍有一定差距。從催化劑體系來看，國內(nèi)普遍采用純鉑，國外已研發(fā)出鉑合金。豐田Mirai的鉑用量大幅度降低，秘密就在這里。在催化劑載體體系方面，國內(nèi)大多數(shù)采用傳統(tǒng)碳黑和碳納米管，國外已使用改性碳黑、實心碳球和高分子材料。從制備工藝的角度看，國內(nèi)普遍沒有達到量產(chǎn)水平，國外已實現(xiàn)公斤級量產(chǎn)。從質(zhì)子交換膜的厚度來看，國內(nèi)普遍為15μm，國外已小于10μm。
從生產(chǎn)制造的角度看，第一代制造技術(shù)是GDE，即催化劑涂布在GDL上，然后與質(zhì)子膜熱壓成型。第二代制造技術(shù)是CCM，但是這里存在兩種方法，一種是90年代初LosAlamos實驗室發(fā)明的“轉(zhuǎn)印（decal）”方法，另一種是將催化劑涂布到質(zhì)子交換膜上，卷對卷方式。朱威說：“蘇州擎動采用的就是卷對卷方式。卷對卷方式在產(chǎn)品性能、壽命以及生產(chǎn)效率、成本上都優(yōu)于轉(zhuǎn)印法，但是設(shè)備的投入成本較高?！蹦壳埃瑖H上已有第三代制造技術(shù)有序化膜電極，3M公司開發(fā)的NSTF電極。
催化劑在燃料電池中扮演著非常重要的“中間人”角色，在一定程度上決定了電堆的性能。體質(zhì)強弱差別較大的“中間人”的壽命和能力也相差較大。
蘇州擎動研發(fā)生產(chǎn)的膜電極可滿足客車10000小時的運行壽命要求。為此，朱威向《中國汽車報》記者展示了與國際上同類某知名品牌（簡稱Z品牌）催化劑的對比結(jié)果。
對比分為三個方面。在額定輸出功率方面，0.67V時輸出功率對比，蘇州擎動為0.8W，Z品牌為0.83W。在催化劑耐久性循環(huán)測試方面，1A/cm2時輸出損失對比，蘇州擎動為14mV，Z品牌為18mV；電化學比表面積損失對比，蘇州擎動為30%，Z品牌為48%。在催化劑載體耐久性循環(huán)測試方面，1A/cm2時輸出損失對比，蘇州擎動為14mV，Z品牌為343mV；電化學比表面積損失對比，蘇州擎動為11%，Z品牌為67%。從催化劑的對比來說，蘇州擎動的產(chǎn)品大多數(shù)性能指標不遜于國外同類競品。
朱威還向《中國汽車報》記者展示了MEA的對比結(jié)果。在性能方面，蘇州擎動為1.0-1.2W/cm2，Z品牌為0.8-1.0W/cm2；在適合方面，蘇州擎動MEA大于5000小時，Z品牌為3000-5000小時；在一致性方面，蘇州擎動為+-5mV，Z品牌為+-10mV；在成本方面，蘇州擎動為1.0-1.3元/cm2，Z品牌為1.5-1.8元/cm2。
“蘇州擎動的催化劑不是純鉑產(chǎn)品，我們已研發(fā)出鉑碳和鉑鈷合金催化劑，并且能夠滿足燃料電池汽車商業(yè)化的技術(shù)要求?！敝焱f。
據(jù)了解，在客車上，鉑碳催化劑MEA的功率為2kW/L，使用壽命大于10000小時，用量為0.55g/kW。鉑鈷合金催化劑的功率大于3kW/L，使用壽命大于20000小時，用量為0.3g/kW。在乘用車上，鉑碳催化劑MEA的功率大于3kW/L，使用壽命大于5000小時，用量為0.38g/kW。鉑鈷合金催化劑的功率大于4kW/L，使用壽命大于8000小時，用量為0.2g/kW。
朱威說：“蘇州擎動研發(fā)的高性能鉑合金催化劑，質(zhì)量比活性可達傳統(tǒng)Pt/C的4倍以上，20000個循環(huán)后活性僅下降40%，具有較優(yōu)異的耐久性能，冷啟動溫度可達-30℃。卷對卷直接涂布法膜電極生產(chǎn)線投產(chǎn)后，具備了批量生產(chǎn)能力?！?/p>
?各方共促燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展
近年我國燃料電池汽車銷量增長較快，2016年僅為629輛，2018年已增長到1527輛，2019年1月份增長勢頭更猛，實現(xiàn)銷售400輛。北京億華通科技股份有限公司市場總監(jiān)鄭元春說：“近年來，我國燃料電池產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展是各方共同努力的結(jié)果。我國制定的氫能及燃料電池技術(shù)發(fā)展路線圖指明了產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，多個地方政府出臺鼓勵政策調(diào)動了大家的積極性，燃料電池企業(yè)不斷努力縮小了與國際先進水平的差距。多種因素匯聚在一起展現(xiàn)出燃料電池商業(yè)化的美好前景?！?/p>
近年來，我國燃料電池產(chǎn)業(yè)涌現(xiàn)出一批致力于技術(shù)提升的企業(yè)，億華通收購神力后，不斷研發(fā)新產(chǎn)品。鄭元春說：“億華通自主研發(fā)的電堆已能滿足2022年冬奧會的使用要求?！?/p>
近日，國家電投集團氫能科技發(fā)展有限公司也傳出喜訊。新研制的燃料電池實現(xiàn)了全產(chǎn)業(yè)鏈的完全自主化，具有技術(shù)水平先進、成本低等優(yōu)勢，有助于燃料電池在我國大規(guī)模應(yīng)用。據(jù)了解，該燃料電池屬于第三代電堆，對標目前世界最先進水平。功率密度大于3.0千瓦/升，耐久性能預(yù)計大于10000小時，鉑用量小于30克/120千瓦。
我國制定的路線圖分別設(shè)定了各個階段達成的目標，2020年電堆的效率最高達到60%，冷啟動溫度達到-30℃，材料成本為1000元/kW，乘用車的額定功率為70kW，壽命5000小時，體積功率比為3.0kW/L，質(zhì)量比功率為2.0kW/kg。商用車額定功率為70kW，壽命10000小時，體積功率比為2.0kW/L?？傮w來看，我國路線圖設(shè)定的目標大多數(shù)提前達到。
地方政府出臺的鼓勵政策對我國燃料電池發(fā)展起到了積極的推動作用。據(jù)不完全統(tǒng)計，廣東、上海、武漢、佛山、蘇州等10個省市出臺了燃料電池相關(guān)政策，對燃料電池車輛給予補貼，并且支持加氫站的建設(shè)。除此之外，全國還有不少地方將出臺燃料電池領(lǐng)域的鼓勵政策。
在各地方政府的支持下，廣東佛山首先開通燃料電池公交車的示范運行。四川則是繼廣東之后全國第2個開展氫燃料電池客車商業(yè)示范運行的省份，10輛氫燃料電池公交車已投入成都市郫都區(qū)P09公交線載客運行，鄭州市也開通了727路燃料電池公交線路。
燃料電池汽車作為未來的發(fā)展方向，最早興起于西方發(fā)達國家，我國最初與國際先進水平差距較大，在各方的共同努力下，近年來差距正在縮小。只要大家沿著正確的方向不斷努力，在不久的將來，我國有希望與幾個發(fā)達國家站在同一起跑線上。
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