氢燃料电池电堆的前景

在国家电投科学技术研究院举办的氢能技术创新与应用高峰论坛上，国家电投氢能科技发展公司首席技术官柴茂荣表示，国家电投100千瓦氢燃料反应堆将于今年年底完成整个系统稳定性测试。

今年7月，国家电投氢能公司100千瓦功率金属双极板燃料电池电堆宣告研制成功。而这对于国家电投氢能公司“实现燃料电池的全产业链自主化”目标来说，仅仅是个开始。

攻关核心技术

据了解，燃料电池项目的设计研发分为膜电极、双极板、电堆封装以及BOP系统（包含系统控制、氢泵、其它附属设备等）四大部分。其中，膜电极作为燃料电池实现功能的核心，成为国家电投氢能公司攻坚重点。

“国外企业生产的性能最为优秀的催化剂我们买不到，市场上的催化剂又难以达到我们的要求。”柴茂荣表示，国家电投目前已成功研制出耐腐蚀、易担载的碳基催化剂载体，以及具有高质量活性、低铂载量的多元合金催化剂。“最终的催化剂产品的质量活性优于目前市场上的催化剂，通过1.0-1.5V十万次的耐久性测试，其衰减特性值仍大于80%，耐久性能较目前的商业催化剂具有显著优势。”

来到展厅内，记者注意到一张张透明的薄膜。让记者想不到的是，这薄薄的一层膜，全球只有两三家企业可以生产。

“普通的质子交换膜并不难做，但燃料电池所需的膜必须要耐高温，可以在100摄氏度的条件下正常工作。而绝大多数的膜在80摄氏度就开始软化，失去功能。”柴茂荣介绍称，国家电投与武汉理工大学合作，研制成功了高电导率、高耐久性、低溶胀的质子交换膜，并完成了量产工艺、设备及产线的开发。“目前该技术正在进行细节参数实验和论证。预计到2021年可以形成标准化的产品。”

打造自主化产业链

百千瓦燃料电池电堆及燃料电池系统产品项目的完成分为三个层次：从原料到产品的全部关键环节实现自主化，以细节为根本、以系统为表征实现性能提升，以及通过推动技术升级与规模效应实现成本的大幅降低。

在柴茂荣看来，氢燃料电池要想实现商业化，这三个关键要素缺一不可。“相比锂电池汽车，氢燃料电池车的成本要高很多，如果再走依靠高比例补贴的老路，国家财政是无力支撑的。”他表示，目前国外燃料电池电堆通过规模化，可以将每千瓦造价降至1000元人民币以内，而国内仍处在7000元左右。“想降低成本，必然需要提高自主化水平、减少进口依赖，同时用高性能争取市场。”

“举个例子，一块看似不起眼的双极板，原先我们都不具备自主制造的能力。我曾经找到掌握该技术的国外公司，对方连一个样品都不愿提供给我们。”回忆起研制之初的艰辛，柴茂荣颇有感触。

既要满足接触电阻、基材溶出率等指标要求，又要克服钛材料不能承压的特性，柴茂荣和他的团队对钛材料进行改进，冶炼材料，制作产品，再做测试，没有成功就重新再炼材料。“看似不起眼的双极板，花费的时间精力仅次于对催化剂技术的攻克。”目前，这种由国家电投自研的钛极板已完成设计形成专利，并实现了小批量生产。

整个燃料电池产业链的自主化涉及多个领域，为实现自主化目标，国家电投通过发挥其大型能源央企的战略优势，组建了氢能产业联盟。“联盟中有许多材料、设备厂商，我们聚焦于产业发展，更加侧重产业技术、生产等方面，以此进行资源整合，打造产业发展平台。”

明确发展方向

柴茂荣在讲话中表示，由于起步较晚，我国燃料电池电堆水平与先进国家相比较为落后，无论是单堆功率、功率密度还是使用寿命等方面，均存在一定差距。”燃料电池单堆功率达到100千瓦并非是单纯的数量叠加。单堆功率提高意味着功率密度提高，对元件散热等工艺都提出了更高要求。”

柴茂荣强调，为满足大型车辆、商用车的需求，未来燃料电池必将朝大功率的方向发展。“3升6缸发动机的功率约为200千瓦，大型机车甚至可以达到1000千瓦。而国内燃料电池电堆单堆功率最高仅为60千瓦，为达到功率需要的电堆数量过多，控制系统无法实现有效控制，因此，大功率电池的开发十分必要。”

据了解，国家电投百千瓦燃料电池电堆项目将在今年内完成中试，并进行相关工艺放大验证及固化。“在此基础上，预计2020年5、6月份，就可以到车企进行相关测试与实验。”柴茂荣说。

此外，根据国家电投氢能公司发展规划，到2020年，国家电投氢燃料电池关键零部件及系统产品将实现量产，并建成国家能源氢能研发（实验）中心，初步建成氢能检测鉴定实验验证平台；2025年将形成系列化电池产品及稳定的系统配套能力和原材料供应体系，验证平台发挥行业支撑作用。