衣寶廉：催化劑是燃料電池產業化最大障礙
2012-11-13
鋰電世界佚名12840鋰電世界 燃料電池能直接將燃料和氧化劑中的化學能轉化為電能，無須燃燒，因此轉化效率可高達60%~80%，被認為是人類利用能源的終極形式。
但燃料電池目前還處在產業化前夕，全世界只有日本實現了家用燃料電池電站的商業化推廣，還沒有一個國家實現了車用燃料電池的商業化。
我國燃料電池領域唯一的院士、大連化物所研究員衣寶廉表示：燃料電池是氫能時代的能源系統，在不計成本的情況下，燃料電池的應用已較為成熟，“但是計成本的話，就出問題了”。
衣寶廉認為，目前燃料電池研究的重點應是發展催化劑技術、降低成本，突破燃料電池應用瓶頸。
軍用燃料電池已有實質性應用
衣寶廉指出，燃料電池在國民經濟中真正得到應用主要是在軍用方面，如航天飛機和潛艇等方面取得了實質性的應用，其他方面都是示范階段。
一個最典型、最成功的例子就是阿波羅登月計劃中采用燃料電池作為飛船動力。美國剛剛退役的“亞特蘭蒂斯”號航天飛機也同樣應用了燃料電池。這兩次都有3組電池，壞掉兩組還可以正常工作。
據衣寶廉介紹，這兩類電池都通過了航天實驗和1000小時無人實驗，可靠性很高，在飛行當中沒有出現事故。
還有一個成功應用案例是德國的AIP潛艇，用燃料電池做動力，可以在水下待兩到三周。而一般的潛艇最多在水下兩天。并且，燃料電池潛艇沒有噪聲。德國目前已有6艘燃料電池潛艇，還有兩艘在建。據悉，在建的潛艇采用儲氫材料來代替高壓儲氣罐，性能有所提高。
民用示范穩步推進
目前，美國、日本和中國的燃料電池車示范較多，并正在轉向混合動力——增加二次電池以提高續航里程。通用、福特等世界幾大汽車公司都已宣布將在2015年實現燃料電池車的商業化。
值得一提的是，美國加州示范的UTC燃料電池車取得壽命突破，其壽命已經達到了1萬小時，遠超過美國能源部5000小時的商業化目標。
在我國，經過北京奧運會和上海世博會200余輛燃料電池車的示范，目前我國燃料電池車累計運行里程達10余萬公里，平均每輛車運行4500~5000公里。
衣寶廉認為：“我們的燃料車通過兩個半五年計劃，基本上走到世界第一團隊的行列。”
在燃料電池電站方面，日本領先于其他國家。日本生產的小型家用電源綜合效力可達70%~80%，2010年已售出1萬臺，2012年計劃售出2萬臺。
作為UPS不間斷電源的應用，意大利最近有一項進展是把水和燃料電池連接，通過電解水為燃料電池提供氫氣和氧氣。衣寶廉認為，在無人區替代鉛酸電池和柴油機應用，銷路應該很廣。
另外衣寶廉還介紹，現在研發的熱點是固體氧化物電池。如德國西門子公司做了220千瓦的示范電站，已運行幾萬小時，但是由于成本很高，沒能實現產業化。現在科學家正在研究如何降低成本。衣寶廉認為，如果有突破，可能會在電站方面很有價值。
還有一種熔融碳酸鹽（MCFC）燃料電池電站，電池的制備技術在上世紀80年代末已經很成熟，但是壽命只有2萬小時左右，達不到和火電站競爭的水平，目前處于停頓狀態。
催化劑是核心問題
“總體看來，燃料電池作為宇宙飛船、航天飛機、牽引動力得到了成功應用。燃料電池在汽車、電站、便攜式電源等民用領域進行了成功示范，但低成本、長壽命仍然是商業化面臨的瓶頸問題。現在的核心問題是催化劑。”衣寶廉說。
燃料電池的催化劑需要用到貴金屬鉑，因此成本較高，況且我國并不產鉑金，需要從國外進口。
國際上，通用公司已經做到第五代催化劑，計劃2015年鉑用量降到10克，到時候就可以不受貴金屬的限制，實現商業化。
豐田公司在催化劑成本控制方面也投入了很大精力，預計2015年每輛車售價5萬美元。“這比現在的二次電池車還要便宜，但是最近聽說還拿不下來。”衣寶廉透露。
衣寶廉表示，燃料電池轉為民用遇到的最大問題是成本與壽命的矛盾——在追求低成本的同時，壽命也面臨很大的挑戰。他表示，國內技術在不考慮成本的前提下，可靠性也可以做得很好。
例如，阿波羅航天飛船所用燃料電池的催化劑中，貴重金屬達到每平方厘米20毫克，燃料電池車國內做到0.1~0.4毫克，下降了很多，但真正的商業化要降到0.03毫克左右，采用不銹鋼和非貴金屬涂層。
此外還有抗毒的問題。衣寶廉指出，我國空氣中二氧化硫含量較高，導致相同的燃料電池車在德國和新加坡運行比在我國運行壽命衰減慢。因此，我國燃料電池的催化劑還必須能抗二氧化硫、微量硫化氫、一氧化碳和少量氨。
“短期內想要產業化，最大的難點就在于催化劑。”衣寶廉介紹說，現在各大公司都在委托催化公司做抗毒的低鉑催化劑。
據介紹，大連化物所目前正在全力開發第三代燃料電池催化劑，希望鉑用量可以降到30克以下，達到國際同等水平，并盡快降到10克以下，做到商業化。
