燃料電池汽車產業技術創新戰略聯盟

    鋰電世界  科技部日前發布了2013年度國家產業技術創新戰略試點聯盟和重點培育聯盟名單，我校牽頭的“燃料電池汽車產業技術創新戰略聯盟”獲批為第三批國家產業技術創新戰略試點聯盟之一，試點期2年。

    燃料電池汽車產業技術創新戰略聯盟成立于2011年12月，由同濟大學聯合國內在燃料電池汽車領域有重要影響力的18家企事業單位共同發起并成立，成員單位涵蓋了高校、科研院所、整車企業、零部件單位等。聯盟實行理事會領導下的協同創新工作機制，理事長由整車企業輪流選舉產生，首屆理事長為上汽集團陳志鑫副總裁。同濟大學新能源能汽車工程中心/國家燃料電池汽車及動力系統工程技術研究中心負責總體規劃并擔任常設聯盟辦公室單位，中心主任章桐教授任秘書長。

    該聯盟探索在國家政策和資金引導下，建立以企業為主體、市場為導向、產學研結合的開發式技術創新機制。加強合作研發，以完全自主創新的途徑掌握一系列圍繞燃料電池汽車整車、動力系統平臺、燃料電池發動機、燃料電池堆和核心部件的關鍵技術，建立起面向產品示范的燃料電池汽車產品，同步探索下一代燃料電池汽車平臺，掌握燃料電池汽車及氫能關鍵技術，培育和發展燃料電池汽車戰略性新興產業，致力于燃料電池汽車市場培育，使聯盟成為國家技術創新體系的重要組成部分，成為產學研結合的紐帶和載體，成為技術創新資源的集成和共享主渠道，成為燃料電池汽車戰略、前沿、共性、關鍵技術的持續創新研發平臺，成為面向行業的技術輻射基地。

    隨著聯盟的建設和發展，燃料電池汽車產業技術創新戰略聯盟必將為中國燃料電池汽車技術創新發揮關鍵作用，成為中國燃料電池汽車產業發展的核心力量。

    研究人員開發出針對便攜應用的干性燃料電池

    燃料電池技術被推崇為解決汽車污染的未來解決方案，它也可能是解決對于小型化電子系統至關重要的便攜式電源問題的過渡性解決方案。現在很多公司和研究機構都在不斷公布自己在縮小燃料電池體積和可采用甲醇燃料的工程系統方面所取得的穩步進展。

     UltraCell公司、美國普度(Purdue)大學和喬治亞理工學院的近期開發進展引發了這樣一種推測，即袖珍型燃料電池今后幾年可能成為鋰電池和鎳氫電池的競爭對手。

     UltraCell已經宣布推出了一種緊湊的燃料電池單元，體積約有平裝書大小，它能夠利用小型燃料容器產生25瓦的電力。該項目是為政府開發的，旨在為軍隊的野外系統供電。據UltraCell公司行銷副總裁William Hill透露，該燃料電池的商用版將于明年推出。

    與此同時，普度大學的研究人員也推出了一種替代型燃料方案，該方案可簡化燃料電池設計中最困難的部分，即氫生成系統。普度大學的研究人員在兩種原先都具有嚴重缺陷的工藝中增加了一些納米技術，從而研制成一種氫生成效率非常高的固態小球系統。

    據報道，喬治亞理工學院的一個項目在采用更高溫度的聚合物系統進行高效率的電池設計方面已取得進展。一種新型化學系統使得聚合電解膜(PEM)電池中所用的膜不需要水就能工作，這種簡化方案源自UltraCell公司基于甲醇的系統。

    “在過去10年中，我們一直聽說有一種實用的系統將于18個月后問世。”UltraCell公司的Hill說。Hill最近演示了一個45瓦系統的原型設計。他表示，“我們計劃在明年初向軍隊提供一個簡化版的25瓦系統，隨后將推出其商業版。”

    成本障礙

    燃料電池技術今天仍存在成本障礙。袖珍型燃料電池的典型開發成本高達數萬美元，而UltraCell公司的25瓦燃料電池最初售價約為1000美元，Hill透露。如同任何新技術一樣，批量市場和工程改進將逐步把成本壓下來，他說。

    “這些設備相當昂貴且很復雜，所以它們很容易出故障。迄今為止，其生產成本還沒能降低到足以使普通人負擔得起的程度。”Enderle集團的首席分析師Rob Enderle指出，“這些設備執行的是美??用標準，尤其適于較大型的應用。但它們似乎在小型系統領域的問題最多。”

    對于聯邦航空管理局(FAA)這樣的機構，液體燃料也成為一個問題。由于擔憂飛機上的易燃液體，FAA要求稀釋該燃料。“這使得此種燃料不能用于這類應用中。”Enderle說。

     UltraCell的設計采用一種需要泵、壓縮機和實時控制系統的改良工藝以便從甲醇中提煉出純氫。將這個“化工廠”的體積縮小到適合手持系統是小型化燃料電池的主要工程挑戰。

    燃料電池的電流生成過程是這樣的。氫元素進入電池的一端并遇到一層催化膜，這層膜將氫原子分解成電子和質子。質子可以通過催化膜，但電子被阻止，這迫使它們穿過一個電路。在膜的另一側，這些電子和質子重新結合成氫，并與氧發生化學反應生成水。

    不幸的是，由于氫原子只包括一個電子和一個質子，它幾乎像電子一樣不穩定，因此不能直接存儲氫燃料。而甲醇是一種容易存儲的液體，因此從甲醇生成氫就成為一種有吸引力的方法。

    盡管理論很簡單，但直接采用甲醇的燃料電池原型設計還是遇到了由于催化過程與燃料電池陽極接觸而引發的問題。此外，還需要采用稀有貴金屬鉑作為催化劑。而且該化學反應干擾了電的生成反應，從而使電池能量輸出減小。

    另一個問題是要保持陽極濕潤以維持化學反應，這就需要一個復雜的供水系統。UltraCell系統采用一種簡化的方法進行甲醇轉化，據Hill介紹，該方法是由Lawrence Livermore實驗室開發成功的。采用此方法將純氫供給燃料電池陽極而無需使用昂貴的鉑催化劑。據稱其結果將直接甲醇過程的發電效率提高了大約一倍。

    基本物理學理論

     UltraCell系統的成本和體積最終可能減小到使其成為替代基于電池的筆記本電腦電源的一種實用方案，盡管開發出這種系統還差得遠，Hill表示。“從基本物理學理論上講這并非不能實現，”他指出，“借助微機電系統(MEMS)和納米技術，我們可以做到這點。”

    普度大學的研究通過采用固態小球形式的預封裝化學反應，可能消除基于甲醇的氫生成方法所存在的許多復雜問題。

    普度大學化工學院的Arvind Varma、Evgeny Shafirovich和Victor Diakov一直在尋求一種有前途的氫生成方法，該方法基于堿金屬氫硼化物和某類氧化鹽之間的一種燃燒反應。這種反應很容易建立且不需要催化劑，但以前的工作發現只有低濃度的混合物才能燃燒，而且氫的產率較低。

    現在普度大學的研究團隊找到一種更簡單的燃燒方法。它利用鋁和水，二者在絕對溫度大約為3000°k時結合生成氫和一種副產品-氧化鋁。但此反應在氫產量方面令人失望，而且難以建立。

    研究人員首先通過采用鋁納米微粒粉末以及凝結水來改善鋁-水系統。這些鋁納米微粒在較低的溫度下結合，加之冷凝水聚集熱量，這就進一步降低了反應溫度。

    “我有金屬燃燒方面的知識背景，因此我這樣看待這兩個過程，”Shafirovich表示，“除了氫之外，該反應還有兩個產品：一個是氫硼化合物，類似于洗衣店用的硼砂產品，另一個是鋁。這兩者均無害，所以不會給筆記本電腦等消費應用帶來任何中毒問題。”

    該固態系統還能避免易燃液體管制的麻煩，例如FAA。迄今為止，這種反應產生的氫氣純度似乎能達到99%，研究人員還計劃采用質譜分析以發現各種雜質的精確含量。

    這些小球可被一個小的熱源點燃，然后依靠它們自己的熱量燃燒。實驗表明6.7%的混合物轉化成氫，這意味著100克混合物將生成大約7克的氫。

     Shafirovich設想了一種只有信用卡大小的容器裝載該混合物粉末，這種容器可在需要時由一個控制系統激活以產生氫。該系統比基于流體的方案簡單，比如基于甲醇的方法。他設想了一種用于筆記本電腦的燃料電池充電單元，當電池電量變低時可被激活。

    在喬治亞理工學院，由Meilin Liu領導的一個研究小組發現一種叫做triazole的化學制品，它能代替PEM電池中的水。triazole的傳導率比聚合物膜高，而且能夠在高于水沸點的溫度工作。Liu樂觀地表示，新系統將通過免除供水系統而減小燃料電池設計的復雜度，同時通過在更高的溫度下工作來提高電池效率。