http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2013-07-26
近日，主题为“氢能燃料电池技术”的西苑沙龙会议在京召开。与会专家对氢能燃料电池技术的发展现状、应用前景、技术瓶颈以及发展趋势等进行了深入、广泛的研讨，对我国氢能燃料电池技术在关键技术、示范和产业化应用等方面与发达国家间存在的差距进行了分析，提出了未来发展目标和技术路线，同时，针对我国燃料电池技术发展特点，从政府和政策层面提出了相关建议措施。
■ 专家说
潘牧
武汉理工大学教授、博导，武汉理工新能源公司总经理：
近年来，氢能燃料电池无论从研发投入、技术成果还是燃料电池、制氢产业来看，国际氢能燃料电池都处于持续增长的局面，其市场将随时迎来爆发性增长。
研发、示范氢能燃料电池的生产、供给和储存技术，实现智能住宅、智能建筑和智能城镇的燃气网络和电网络互联、互动，建立智能能源网络技术体系，对我国实现能源供给从集中式向分布式供给的结构转变,实现风电、光伏等可再生能源的全利用，实现全社会能源利用效率的最大化，具有重要意义。智能能源网络技术将带来第三次工业革命，是全球经济发展的一场盛宴，需要我国能源、交通以及家电等行业领军企业积极参与。
郑津洋
浙江大学化工机械研究所所长、博导，长江学者特聘教授：
制氢是氢能应用的基础。高效、安全可靠、低成本的储氢、输氢技术是氢能规模应用的瓶颈，氢基础设施建设是推动氢能产业化的重要力量，氢安全是氢能推广和应用的保障，标准化是氢能燃料电池产业化的重要环节。
朱新坚
上海交通大学机械与动力工程学院教授、博导：
SOFC在大中小型固定式热电联供领域有着广阔的应用前景。自2010年Bloom Energy 公司研制出100kW SOFC系统（Bloom Box）产品以来，国际SOFC进入了商业化快速发展阶段。经多年攻关，我国SOFC在原材料及组件、单电池、电池组和发电系统集成等技术层面均取得了长足的进步，但从技术和产业现状看，与国际先进水平仍然有5年左右的差距。主要原因有二条：一是研发主体倒置；二是国家层面没有明确的SOFC发展战略路线图。因此，加快制订国家SOFC发展战略路线图；引导大型企业进入SOFC研发领域；出台国家SOFC鼓励政策，是加速我国SOFC商业化的必由之路。
齐志刚
武汉银泰科技燃料电池有限公司副总经理：
我国质子交换膜燃料电池PEMFC技术水平与国际先进水平还有很大的差距，而且这种差距似乎在拉大。我国的技术落后表现在几乎所有方面，如关键材料、关键模块、关键辅助部件、系统控制和集成，并且基本上没有长期运行的经验。
政府支持应立足于系统的示范运行，由此引导关键材料、关键模块和关键技术的开发和应用，并且把支持重点放在可靠性、寿命而非仅性能上。
■ 图说
什么是氢能燃料电池？
氢能是一种二次能源，具有来源多样、洁净环保、可储存和可再生等特点，可以同时满足资源、环境和可持续发展的要求。氢能燃料电池技术，一直被认为是利用氢能，解决未来人类能源危机的途径之一，甚至被某些专家视为终极方案，是氢能经济中的核心技术。
结构
氢燃料电池由正极、负极和离子导体的电解质构成，燃料在负极氧化，氧化剂从正极还原，电子从负极通过负载流向正极构成电回路，从而产生电流。
和普通电化学电池不同的是，燃料电池工作时所需的燃料和氧化剂由外部供给，其本身仅是能量转换装置。
分类
按照使用方式可分为固定式和便携式燃料电池；按照运行时温度可分为低温（小于100℃）、中温（100℃—300℃）和高温（500℃—1000℃）燃料电池。
按照燃料种类可分为氢气和重整氢燃料电池。
通常情况下，按照燃料电池内部电解质的种类进行划分，可分为磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池（SOFC）、碱性燃料电池(AFC)和质子交换膜燃料电池(PEMFC)。因电解质非固态且具腐蚀性，AFC、PAFC、MCFC的市场接受度较差。
目前，PEMFC和SOFC最为市场接受。
氢能燃料电池技术，正是让我们的生活远离雾霾、重见蓝天的绿色能源技术。
氢能燃料电池具有哪些市场应用前景？
燃料电池在电动汽车、叉车、家用热电联供、备用电源、固定电站、军用电源等领域显示出巨大的应用前景。
●燃料电池电动汽车
世界七大汽车巨头均在持续开发燃料电池电动汽车，并将其上市时间设定在2015—2017年。2013年2月，韩国现代汽车公司率先建成世界首条燃料电池电动汽车生产线，计划在2015年前制造出1000辆燃料电池电动汽车。
●叉车
燃料电池叉车在美国已累计销售数千辆，且无需政府补贴。美国Sysco公司在2010年装备了一支燃料电池叉车车队，截至2012年底，该车队已累计运行79万小时，加氢66吨，且与纯电动叉车相比，每年可节约10万美元。
●家用热电联供
自2009年，日本开始进行名为“ENE-FARM”家用燃料电池热电联供系统（CHP）的商业化推广，政府对安装该系统的单位和个人进行财政补贴。2012年9月，欧盟设立名为ene.field的CHP项目，计划投资5300万欧元。
●新的增长点—电、气转换
电—气转换技术将可再生能源多余电能通过电解水转变为氢气，产生的氢气即可储存起来根据需要由燃料电池再发电，也可直接进入天然气管道给用户使用。德国能源巨头意昂公司正在Falkenhagen建设示范工厂，利用2MW风电生产360Nm3/h氢气，这些氢气以2%体积比直接送入Ontras天然气公司管道中，实现了风电能量的转换和储存。
●备用电源
燃料电池作为通信基站的备用电源寿命长，备电时间久、维护便捷、环境适应性强以及零污染等。2010年美国共销售1221台燃料电池备用电源，2011年超过2000台。加拿大Ballard公司仅2011年就销售燃料电池备用电源1447台。
●固定电站
近年来，大型燃料电池电站（MW级）安装数量逐年增加。如，美国Fuel Cell Energy公司已联合韩国POSCO公司安装了超过40MW的MCFC燃料电池电站，并计划在2013年再安装60MW。
●军用电源
燃料电池在国防上的应用范围日益广泛，主要是采用燃料电池动力系统作为其军用电源。2005年10月，继瑞典“哥特兰”（A-19）级潜艇采用燃料电池动力系统后，德国212A、214A型潜舰也陆续采用该系统。最近，韩国购买了3艘214A型潜舰，并将建造6艘燃料电池动力系统潜艇；美国海军研发出以燃料电池为动力的“离子虎”无人机，持续飞行时间超过了48小时。
■ 延伸
氢能燃料电池关键技术与瓶颈
在氢能燃料电池领域，美国、日本处于世界领先地位，德国次之。加拿大、英国、韩国、中国等处于第二集团，是氢能经济的有力挑战者和追随者。但是，关键技术、示范应用和产业化差距导致我国氢能燃料电池技术发展面临严峻挑战。
关键材料研发
燃料电池的关键材料主要包括催化剂、质子交换膜、双极板、绝缘端板等。高性能燃料电池关键材料的研发与产业化应用已经成为限制燃料电池技术进步的主要问题之一。
催化剂是保证燃料电池电化学反应活性的关键，已成为燃料电池领域最为热门的研发方向之一。燃料电池催化剂主要分为铂催化剂、低铂催化剂以及无铂催化剂三类，研究内容涵盖多元合金催化剂、核壳催化剂、非贵金属催化剂以及阴极催化反应机理研究等。
质子交换膜作为燃料电池系统的另一类重要核心材料，同样是影响电池性能和寿命的关键因素，其技术难点主要包括：（1）质子膜导电机理与降解机理研究；（2）具有化学与机械稳定性、导电性、自加湿能力的高性能质子膜材料的开发；（3）质子膜的成型技术。
膜电极制备
膜电极作为电化学反应场所，是燃料电池系统的核心功能部件，其研发面临的关键技术难题主要包括：（1）增强膜电极三相反应界面及其稳定性；（2）单片膜电极制备的均一性和膜电极批量生产的一致性；（3）膜电极中催化剂的腐蚀与质子膜的降解；（4）膜电极破坏机理研究与寿命衰减测试；（5）商业化膜电极制备技术及其性能可靠性。
我国开发出的膜电极电输出性能已接近1W/cm2的国际先进水平。
电池堆设计
燃料电池堆的设计上承系统运行要求，下接关键材料性能，同时还要考虑反应气流体力学行为与电化学反应过程，是基础研究与工程设计结合的产物，所涉及的技术难点主要包括：（1）电池堆内部反应气与冷却液的均匀分配；（2）电池堆纵向温度分布的均一性；（3）端板节电池的性能衰减；（4）阴阳极反应腔内湿度分布的可控性；（5）电池堆内部单电池性能分布与操作条件优化；（6）电池堆密封的可靠性；（7）电池堆耐水淹、耐干燥条件运行能力；（8）电池堆装配压力分布对性能影响及装配工艺优化。
电池堆设计根据所处研发阶段而面临相应的技术瓶颈：（1）电池堆运行的可靠性，包括运行的稳定性，安全性及寿命；（2）电池堆发电效率、功率密度的提高和成本的减控；（3）电池堆批量生产过程中的质量监控和成本降低。
系统集成
燃料电池系统设计、集成与控制是以电池堆运行特性为基础，根据系统运行要求，结合附属部件工作特点，实现系统的软件控制与硬件集成。由于系统的复杂性和模块的多样化，燃料电池系统集成面临的主要技术难题包括：（1）电池堆与系统内其它模块间的热量耦合及散热处理；（2）系统水气管理与循环利用；（3）系统的快速启动与响应；（4）附属部件与系统电能输出的能量管理以及系统故障实时检测与自修复功能。
示范应用
我国燃料电池汽车的示范主要得益于大型活动的举办，如2008年北京奥运会及2010年上海世博会均有较大规模的燃料电池车示范运行，但运行时间未超过一年，与国际上长达数年的大规模示范有较大差距。氢基础设施建设落实是制约燃料电池示范应用的重要原因。我国累计建造了5座加氢站，目前仅有2座保持运行，而国际上已有近200座加氢站在运行。
国际上燃料电池产业链各环节均已实现产业化，但国内的产业化程度还很低，且研发主体基本为中小企业，商业化产品寥寥无几。
“西苑沙龙”是科技部高技术研究发展中心为了推动国家科技计划相关领域发展战略研究，举办的以西苑饭店为场地的系列科技发展战略和学术研讨沙龙活动。沙龙重点围绕高技术、基础研究及其学科交叉领域的发展前沿与趋势、重大应用和产业发展需求方面的重大问题，探讨科技前沿、讨论最新突破性进展，展望未来发展趋势。沙龙鼓励与会者本着“客观、求实，融合、创新”的原则，以客观求实的态度，发表自己的学术观点；鼓励和引导多学科交叉融合，激励创新思想。
（稿件素材由西苑沙龙会议提供）
《科技日报》（2013-07-26 六版）
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