燃料电池核心零部件差距正在缩小

  •   最近,我国燃料电池产业发展步伐有加快的趋势,在一片繁荣景象中,有人担忧我国燃料电池产业不掌握核心技术,造成一种“虚胖”的假象。其实有这种担忧合情合理,因为在几年前,我国示范推广的燃料电池车辆使用的电堆全部依赖进口。总体上,我国燃料电池技术与国际先进水平有较大差距。

      如今,这种差距正在缩小。2月23日,苏州擎动科技有限公司自主研发的国内首套“卷对卷直接涂布法”膜电极生产线正式投产。苏州擎动科技有限公司总经理朱威告诉《中国汽车报》记者,这标志着中国燃料电池上游核心制造技术突破了国外的壁垒。苏州擎动生产的MEA成本比进口降低一半,燃料电池汽车彻底国产化不再是“痴人说梦”。

      电堆是燃料电池核心部件之一,膜电极组件(MEA)又是电堆中的核心部件之一。MEA把质子交换膜 (PEMs)、催化剂和电极组合在一起,让氢气与氧气在此进行电化学反应,产生电能驱动车辆前行。MEA的性能很大程度上决定着电堆水平的高低。

      我国确立新能源汽车发展方向后,有些企业选择了燃料电池道路,从核心部件电堆入手。但是,由于国内MEA组件与国外有较大差距,企业即便小规模试生产电堆,也需要从国外进口MEA组件。这种差距严重制约着我国燃料电池产业发展。

      MEA作为核心零部件之一,从技术的角度来看,主要有4个难点:在低铂载量、大电流操作条件下阴极氧传输极化;膜电极性能高度一致;优化水管理,实现膜电极内部水循环,适应无增湿条件运行;实现抗反极、冷启动等特性。

      在4个难点上,国内的MEA与国际先进水平仍有一定差距。从催化剂体系来看,国内普遍采用纯铂,国外已研发出铂合金。丰田Mirai的铂用量大幅度降低,秘密就在这里。在催化剂载体体系方面,国内大多数采用传统碳黑和碳纳米管,国外已使用改性碳黑、实心碳球和高分子材料。从制备工艺的角度看,国内普遍没有达到量产水平,国外已实现公斤级量产。从质子交换膜的厚度来看,国内普遍为15μm,国外已小于10μm。

      从生产制造的角度看,第一代制造技术是GDE,即催化剂涂布在GDL上,然后与质子膜热压成型。第二代制造技术是CCM,但是这里存在两种方法,一种是90年代初Los Alamos实验室发明的“转印(decal)”方法,另一种是将催化剂涂布到质子交换膜上,卷对卷方式。朱威说:“苏州擎动采用的就是卷对卷方式。卷对卷方式在产品性能、寿命以及生产效率、成本上都优于转印法,但是设备的投入成本较高。”目前,国际上已有第三代制造技术有序化膜电极,3M公司开发的NSTF电极。

      催化剂在燃料电池中扮演着非常重要的“中间人”角色,在一定程度上决定了电堆的性能。体质强弱差别较大的“中间人”的寿命和能力也相差较大。

      苏州擎动研发生产的膜电极可满足客车10000小时的运行寿命要求。为此,朱威向《中国汽车报》记者展示了与国际上同类某知名品牌(简称Z品牌)催化剂的对比结果。

      对比分为三个方面。在额定输出功率方面,0.67V时输出功率对比,苏州擎动为0.8W,Z品牌为0.83W。在催化剂耐久性循环测试方面,1A/cm2时输出损失对比,苏州擎动为14mV,Z品牌为18mV;电化学比表面积损失对比,苏州擎动为30%,Z品牌为48%。在催化剂载体耐久性循环测试方面,1A/cm2时输出损失对比,苏州擎动为14mV,Z品牌为343mV;电化学比表面积损失对比,苏州擎动为11%,Z品牌为67%。从催化剂的对比来说,苏州擎动的产品大多数性能指标不逊于国外同类竞品。

      朱威还向《中国汽车报》记者展示了MEA的对比结果。在性能方面,苏州擎动为1.0-1.2 W/cm2,Z品牌为0.8-1.0 W/cm2;在适合方面,苏州擎动MEA大于5000小时,Z品牌为3000-5000小时;在一致性方面,苏州擎动为+-5 mV,Z品牌为+-10mV;在成本方面,苏州擎动为1.0-1.3 元/cm2,Z品牌为1.5-1.8 元/cm2。

      “苏州擎动的催化剂不是纯铂产品,我们已研发出铂碳和铂钴合金催化剂,并且能够满足燃料电池汽车商业化的技术要求。”朱威说。

      据了解,在客车上,铂碳催化剂MEA的功率为2kW/L,使用寿命大于10000小时,用量为0.55 g/kW。铂钴合金催化剂的功率大于3kW/L,使用寿命大于20000小时,用量为0.3 g/kW。在乘用车上,铂碳催化剂MEA的功率大于3kW/L,使用寿命大于5000小时,用量为0.38 g/kW。铂钴合金催化剂的功率大于4kW/L,使用寿命大于8000小时,用量为0.2 g/kW。

      朱威说:“苏州擎动研发的高性能铂合金催化剂,质量比活性可达传统Pt/C的4倍以上,20000个循环后活性仅下降40%,具有较优异的耐久性能,冷启动温度可达-30℃。卷对卷直接涂布法膜电极生产线投产后,具备了批量生产能力。”

      近年我国燃料电池汽车销量增长较快,2016年仅为629辆,2018年已增长到1527辆,2019年1月份增长势头更猛,实现销售400辆。北京亿华通科技股份有限公司市场总监郑元春说:“近年来,我国燃料电池产业快速发展是各方共同努力的结果。我国制定的氢能及燃料电池技术发展路线图指明了产业发展方向,多个地方政府出台鼓励政策调动了大家的积极性,燃料电池企业不断努力缩小了与国际先进水平的差距。多种因素汇聚在一起展现出燃料电池商业化的美好前景。”

      近年来,我国燃料电池产业涌现出一批致力于技术提升的企业,亿华通收购神力后,不断研发新产品。郑元春说:“亿华通自主研发的电堆已能满足2022年冬奥会的使用要求。”

      近日,国家电投集团氢能科技发展有限公司也传出喜讯。新研制的燃料电池实现了全产业链的完全自主化,具有技术水平先进、成本低等优势,有助于燃料电池在我国大规模应用。据了解,该燃料电池属于第三代电堆,对标目前世界最先进水平。功率密度大于3.0千瓦/升,耐久性能预计大于10000小时,铂用量小于30克/120千瓦。

      我国制定的路线图分别设定了各个阶段达成的目标,2020年电堆的效率最高达到60%,冷启动温度达到-30℃,材料成本为1000元/kW,乘用车的额定功率为70kW,寿命5000小时,体积功率比为3.0kW/L,质量比功率为2.0 kW/kg。商用车额定功率为70kW,寿命10000小时,体积功率比为2.0kW/L。总体来看,我国路线图设定的目标大多数提前达到。

      地方政府出台的鼓励政策对我国燃料电池发展起到了积极的推动作用。据不完全统计,广东、上海、武汉、佛山、苏州等10个省市出台了燃料电池相关政策,对燃料电池车辆给予补贴,并且支持加氢站的建设。除此之外,全国还有不少地方将出台燃料电池领域的鼓励政策。

      在各地方政府的支持下,广东佛山首先开通燃料电池公交车的示范运行。四川则是继广东之后全国第2个开展氢燃料电池客车商业示范运行的省份,10辆氢燃料电池公交车已投入成都市郫都区P09公交线载客运行,郑州市也开通了727路燃料电池公交线路。

      燃料电池汽车作为未来的发展方向,最早兴起于西方发达国家,我国最初与国际先进水平差距较大,在各方的共同努力下,近年来差距正在缩小。只要大家沿着正确的方向不断努力,在不久的将来,我国有希望与几个发达国家站在同一起跑线上。