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关于质子交换膜燃料电池产业化发展的探析

来源:新材料产业 作者:采集侠 人气: 发布时间:2019-07-02
摘要:关于质子交换膜燃料电池产业化发展的探析,燃料电池技术是一种先进的清洁能源技术,燃料电池能够将燃料的化学能直接转化为电能,伴随高效率、无污染和长寿命等特点。此外,燃料电池发电是继水力发电、火力发电和核能发电之后的第4类发电技术。燃料电池根据电

燃料电池技术是一种先进的清洁能源技术,燃料电池能够将燃料的化学能直接转化为电能,伴随高效率、无污染和长寿命等特点。此外,燃料电池发电是继水力发电、火力发电和核能发电之后的第4类发电技术。燃料电池根据电解质的类型划分为质子交换膜燃料电池(PEMFC)、碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固态氧化物燃料电池(SOFC)等。相对于其他类型的燃料电池,PEMFC因其能量转换率高(40%~60%),工作温度低和比功率高等优势被广泛应用。

一、国内外产业发展概述

20世纪60年代,美国UTC公司开发出以液氢和液氧工作的燃料电池应用于军事领域;1979年,杰佛里·巴拉德(Geoffrey Ballard)同其合伙人于加拿大创立了巴拉德动力系统公司,开发以PEMFC为主的燃料电池并应用于汽车领域;1992年,各国汽车制造商在政府的支持下开始研发燃料电池汽车,其中Ballard公司于1993年向世界展示了一辆无污染的PEMFC驱动的公交车,引起全球研发热潮;1994年,奔驰公司生产了燃料电池汽车NECAR1,这也是世界上第1辆燃料电池汽车;随后,美国、日本、韩国相继推出其燃料电池概念车以及量产车。我国对燃料电池技术的研究较早,可以追溯到20世纪50年代,国家“863”计划“十五”电动汽车重大科技专项、“十一五”节能与新能源汽车重大项目、“十二五”电动汽车关键技术与系统集成重大项目等。国内以往项目的投入更多的是注重技术的研究,但相对于燃料电池电动车的研究,仍存在技术短板,如国产质子膜寿命仍与发达国家的产品存在差距;国内电堆低温启动的技术和材料难题仍未突破;燃料电池电池衰减机理正在分析等。2009年,美国奥巴马政府实施经济刺激计划中,包括燃料电池在内的先进能源技术投入资金为3亿美元;2011年对氢能及燃料电池技术项目的预算为1.37亿美元;2012年美国加州对燃料电池的关注程度尤为活跃,包括日本丰田汽车公司、日本本田汽车公司和韩国现代汽车公司3家燃料电池电动汽车制造商于加州提供燃料电池汽车(Fuel cell vehicles,FCV)销售和租赁服务,2012年8月,奥巴马政府实施新的激励机制,提高FCV的燃油经济性标准,而且美国能源部下属办公室出台多项用于奖励发展燃料电池技术的政策。为了鼓励公众企业使用燃料电池,根据美国燃料电池和氢能协会(FCHEA)发布的2016年美国燃料电池和氢能源发展总结报告,2016年内美国在10个州颁布了燃料电池和氢能相关政策,包括税收激励、调整上网电价等措施。2004年,日本在《国家新产业创新战略》中将燃料电池列为国家重点推进的7大新兴战略产业之首,从国家层面上着力推进。2007年,日本政府提出“下一代汽车与燃料行动计划”,确定了各阶段燃料电池汽车在成本、性能、寿命等方面的指标。2014年4月,日本内阁会议通过“能源基本计划”,明确将氢气作为未来二次能源的核心位置 。日本政府计划到2020年确保有4万辆燃料电池电动汽车上路,2025年实现20万辆的目标,到2030年实现惊人的80万辆的目标。欧盟对氢能和燃料电池研发与推广的支持主要通过框架计划(FP)进行。在第6框架计划(2002-2006)(FP6)中,1亿欧元用于涉及氢能制造、氢能贮藏、氢能安全及其标准制订、氢能运输、氢能的最终应用、高温PEMFC、SOFC、便携式燃料电池以及其他通用技术研发等30个项目。第7框架计划(2007-2012)(FP7)的目的是突破燃料电池和氢能发展的一些关键性技术难点。欧盟对与氢能及燃料电池的发展规划类似于日本政府。在上述政策的鼓励和推动下,燃料电池技术频繁地应用于固定发电,为公共设施、居民生活区、工厂等区域进行供电,同时多余的电能并入公用电网。这些燃料电池的安装部署改善了环境和能源结构,降低温室气体排放的同时提高了电力可靠性,增加了能量效率,降低了消费者对电网的依赖。

我国对燃料电池的研究较早,“七五”计划期间研究直接甲醇燃料电池(DMFC),“八五”期间以大连化物所主导的SOFC研究,“九五”期间针对PEMFC研究。此前阶段,国内集中研究燃料电池的种类和主要组件,并在组件取得了较大进展。而后,在后续的“十五”“十一五”“十二五”期间着重研究了燃料电池电动汽车及系统集成技术。随着燃料电池关键技术和材料的突破,包括上海汽车集团股份有限公司、长安汽车股份有限公司等国内汽车企业共有近200 辆燃料电池电动汽车在上海世博园区进行示范运行。我国的燃料电池电动客车技术探索从2001年开始,此后经历了3个阶段。在自由探索期(2001年-2005年),面临着动力系统构型不明确、零部件供应链不成熟、系统可靠性和稳定性较差、系统故障较多和整车示范运营里程较短等问题。随后经过5年的参数优化和参与示范运营项目,为研发燃料电池汽车积累了宝贵的经验,同时,对零部件供应链的培育也趋于稳定,整车性能和可靠性明显提高。在后期发展中,整车企业和研发机构将重心转移至改善燃料电池的耐久性和降低生产成本。国内车企先后于2014年推出首款量产氢燃料电池汽车(荣威950),氢燃料电池客车(2017年,福田欧辉,大通FCV80),如图1所示。另外,我国政府于2015年提出《中国制造2025》,该行动纲领中提出燃料电池汽车是国内未来重点发展的方向。

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图1 燃料电池电动车样车图片

燃料电池技术以及燃料电池电动汽车经过一百多年的研究和实际应用,在技术上已经积累了较多的经验,燃料电池产业化的脚步也越来越近[7]。2009年9月,戴姆勒、通用、福特、丰田、本田、日产和现代7大整车企业联合签名表示继续发展燃料电池电动汽车。国外的整车企业做好了燃料电池产业化的准备,而我国的燃料电池电动汽车大部分仍停留在汽车行业、研发部门,燃料电池技术在国内也并未对周围的环境,提升能源利用效率、改善能源结构等产生影响。种种迹象表明,仍有许多因素影响我国燃料电池产业化的步伐。

二、质子交换膜燃料电池基础

1839年,英国科学家Grove首次提出了燃料电池的原理。燃料电池是一种能够持续的通过发生在阳极和阴极的氧还原反应将燃料的化学能直接转化为电能的装置,如图2所示。只要连续不断地向燃料电池两极输入燃料和氧化剂,燃料电池就会持续的工作,即不断的提供电能,这也是与锂离子电池的区别。燃料电池的工作原理如下:

阳极:H2 → H+ + 2e

阴极:O2 + 2H+ + 2e → H2O

总反应:2H2 + O2 → 2H2O

责任编辑:采集侠