手持合金分析仪:氢燃料电池技术发展前景?

当前人类建立在以消耗煤炭、石油、天然气为主的不可再生能源基础之上的经济发展模式，导致了日益突出的环境污染和温室效应问题。为实现人类社会可持续发展，建立人与自然的和谐关系，发展风能、水能、太阳能、生物质能、地热能、海洋能等绿色能源，成为世界各国高度关注的课题。多数可再生能源所固有的间隙性、随机与波动性，导致了严重的弃风、弃光、弃水等现象。氢能作为可存储废弃能源并推动由传统化石能源向绿色能源转变的清洁能源，其能量密度（140MJ/kg）是石油的3倍、煤炭的4.5倍，被视为未来能源革命的颠覆性技术方向。氢燃料电池是以氢气为燃料，通过电化学反应将燃料中的化学能直接转变为电能的发电装置，具有能量转换效率高、零排放、无噪声等优点，相应技术进步可推动氢气制备、储藏、运输等技术体系的发展升级。在新一轮能源革命驱动下，世界各国高度重视氢燃料电池技术，以支撑实现低碳、清洁发展模式。发达国家或地区积极发展“氢能经济”，制定了《全面能源战略》（美国）、《欧盟氢能战略》（欧盟）、《氢能/燃料电池战略发展路线图》（日本）等发展规划，推动燃料电池技术的研发、示范和商业化应用。

研究表明，氢能及氢燃料电池技术有望大规模应用在汽车、便携式发电和固定发电站等领域，也是航空航天飞行器、船舶推进系统的重要技术备选方案，但面临低生产成本（电解质、催化剂等基础材料）、结构紧凑性、耐久性及寿命三大挑战。

美国能源部燃料电池技术项目研究认为，燃料电池电动汽车是减少温室气体排放、降低石油使用量的最有效路径之一，随着技术进步，全过程生产成本和氢燃料成本将与其他类型车辆及燃料相当。优化系统控制策略、开发催化剂及其抗腐蚀载体等新型基础材料，是提高系统耐久性和寿命、进而促成氢燃料电池技术大规模商业化应用的有效路径。近期的综述性研究工作，报道了氢燃料电池系统在双极板、气体扩散层、催化剂、膜电极、流场设计与分析等材料或组件方面的新进展。
氢燃料电池与常见的锂电池不同，系统更为复杂，主要由电堆和系统部件（空压机、增湿器、氢循环泵、氢瓶）组成。电堆是整个电池系统的核心，包括由膜电极、双极板构成的各电池单元以及集流板、端板、密封圈等。膜电极的关键材料是质子交换膜、催化剂、气体扩散层，这些部件及材料的耐久性（与其他性能）决定了电堆的使用寿命和工况适应性。近年来，氢燃料电池技术研究集中在电堆、双极板、控制技术等方面，氢燃料电池技术体系及部分相关前沿研究

近年来，我国的氢燃料电池技术基础研究较为活跃，在一些技术方向具备了与发达国家“比肩”的条件；但整体来看，所掌握的核心技术水平、综合技术体系尚不及具有领先地位的国家，如我国在1998年才出现首个氢燃料电池发明专利，目前相关核心专利数仅占世界的1%左右。先发国家在氢燃料电池系统、组件、控制技术、电极等方面发展相对均衡，一些国际性企业在燃料电池系统、电池组件与加工、控制技术等方面居于世界领先地位
在储氢方面，高压气态储氢技术在国内外获得普遍使用，低温液态储氢在国外有较大发展，而国内暂限于民用航空领域的小范围使用。液氨、甲醇、氢化物、液体有机氢载体（LOHC）储氢在国外已有成熟产品和项目应用，而国内仍处于小规模实验阶段。催化剂、GDL等关键零部件或材料处在研究与小规模生产阶段，批量化产品的可靠性、耐久性还需要长期验证，主要技术为国外公司所掌握。中山大洋电机股份有限公司、思科涡旋科技（杭州）有限公司、上海汉钟精机股份有限公司等国内企业，均处于氢气循环泵的产品研发验证阶段，部分公司已实现小批量产品供货。碳纸、碳布是制备GDL的关键材料，基础材料是碳纤维；我国碳纤维研制从20世纪80年代中期才开始，目前尚处于小规模生产阶段，生产的碳纤维很难同时满足电堆对于低电阻、高渗透性、机械强度大等的要求，与国外高性能碳纤维材料相比仍有较大差距。上海河森电气公司、上海济平新能源科技公司均有小批量的碳纸生产能力。我国已将碳纤维列为重点支持的战略性新兴产业，相关技术在产业政策扶持下有望加速发展