近日,由氫能觀察主辦的CHEC2021世紀(jì)氫能與燃料電池產(chǎn)業(yè)大會(huì)上，加拿大國(guó)家工程院院士張久俊針對(duì)氫能發(fā)展的必要性以及燃料電池催化劑關(guān)鍵技術(shù)為參會(huì)代表進(jìn)行了分享。


燃油車尾氣排出的CO2、CO、NOx、Sox、VOC，等對(duì)環(huán)境的污染引發(fā)一系列的社會(huì)問題，對(duì)人類發(fā)展的持續(xù)性帶來(lái)威脅。世界各主要發(fā)達(dá)國(guó)家都把發(fā)展新能源汽車（電動(dòng)車）作為國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略。張久俊指出，用電動(dòng)車替代燃油車是大勢(shì)所趨，從現(xiàn)在起逐步進(jìn)行。德國(guó)宣布到2030年、法國(guó)宣布到2040年、英國(guó)宣布到2040年，印度宣布到2030年，中國(guó)到2050年要淘汰全部汽油車和柴油車。

目前，世界汽車保有量是約17億輛，其中中國(guó)目前汽車保有量是2.7億輛。2016年國(guó)際能源署曾表示，要實(shí)現(xiàn)“巴黎協(xié)定”中把全球平均氣溫控制在工業(yè)革命前水平以上2℃之內(nèi)的目標(biāo)，到2040年全球電動(dòng)汽車數(shù)量需達(dá)到6億輛。當(dāng)前全球范圍內(nèi)發(fā)展新能源的最熱點(diǎn)是新能源電動(dòng)汽車，并有爆發(fā)趨勢(shì)。

新能源動(dòng)力汽車的核心部件是動(dòng)力電池 （電化學(xué)電源），目前全球主要經(jīng)濟(jì)體都已將發(fā)展燃料電池上升為國(guó)家戰(zhàn)略。新能源電動(dòng)汽車主要有全電、插電、油電混動(dòng)和燃料電池四種。全球范圍來(lái)看，世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家都十分看重氫能的發(fā)展，目前氫能和燃料電池已在一些細(xì)分領(lǐng)域初步實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。

車用質(zhì)子交換膜燃料電池是一種將氫和氧的化學(xué)能通過(guò)電極反應(yīng)直接轉(zhuǎn)換成電能的裝置，具有能量轉(zhuǎn)換效率高（60-70%）、環(huán)境友好、運(yùn)行噪音低、構(gòu)造簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。車用燃料電池主要由質(zhì)子交換膜燃料電池催化劑、質(zhì)子交換膜、雙極板、膜電極及電堆、燃料電堆系統(tǒng)等組成。目前，我國(guó)30~120kW系列氫燃料電池電電耦合動(dòng)力系統(tǒng)主要用在乘用車及商用車上。


張久俊表示，降低燃料電池成本是通向真正產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵，其中降低膜電極（催化劑和膜）及雙極板的成本至關(guān)重要。美國(guó)能源部（ DOE ）規(guī)定，為了實(shí)現(xiàn)商業(yè)化目標(biāo)，燃料電池系統(tǒng)需滿足以下要求，功率密度：燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)達(dá)到850W/L；耐久性：長(zhǎng)期目標(biāo)達(dá)到8000小時(shí)；規(guī)模生產(chǎn)成本：長(zhǎng)期達(dá)到30美元/kW。目前，我國(guó)氫燃料電池單電池的運(yùn)行目標(biāo)則是2A/cm2下電池電壓大于0.65 V；Pt催化劑的ORR質(zhì)量活性大于現(xiàn)有Pt催化劑的5倍；膜電極氧氣傳輸速率大于現(xiàn)在膜電極的2倍。

隨后，張久俊從載體材料的篩選、物理化學(xué)性能測(cè)試及穩(wěn)定性等方面詳細(xì)介紹了氫能燃料電池非碳支持體催化劑。他表示，燃料電池耐久性是真正產(chǎn)業(yè)化的最大需求之一，碳支持體在燃料電池長(zhǎng)期操作下，尤其是小電流（高槽電壓）下會(huì)被氧化，降低耐久性甚至失效！

最后，張久俊對(duì)質(zhì)子膜燃料電池未來(lái)的發(fā)展進(jìn)行了展望，他表示，質(zhì)子膜燃料電池已被認(rèn)為是電動(dòng)車的終極主力電源，目前，降低燃料電池的成本、提高其耐久性及發(fā)展加氫站是氫能利用的主要努力方向。應(yīng)集中在催化劑、膜、膜電極與雙極板等方面。

發(fā)展非碳或少碳支持體的合金催化劑，是提高燃料電池催化劑耐久性和降低成本的主要途徑之一。開發(fā)了高效的核殼結(jié)構(gòu)支持體的合金催化劑，具有3倍于商業(yè)47%Pt/C 催化劑的ORR質(zhì)量活性和1.2倍的耐久性。

鏈接：近年來(lái)，我國(guó)每年純度99%以上氫氣的使用量約700億立方米（約600萬(wàn)噸），年產(chǎn)值1200億元人民幣以上。目前國(guó)內(nèi)發(fā)展氫能的生產(chǎn)方式，主要有煤制氫、天然氣制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫，其中工業(yè)副產(chǎn)氫追溯其上游一次能源主要還是煤和天然氣。因此，目前國(guó)內(nèi)氫能生產(chǎn)主要還是依靠化石能源，而電解水制氫僅占比2%—4%，占比較為有限。對(duì)于氫能的消納，國(guó)內(nèi)90%左右的氫氣都用于煉化產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中的加氫，以及合成氨、合成甲醇、石油煉化等化工領(lǐng)域，僅有2%—4%的氫氣作為工業(yè)氣體用于冶金、鋼鐵、電子、建材、精細(xì)化工等行業(yè)的還原氣、保護(hù)氣、反應(yīng)氣等，而在燃料電池汽車領(lǐng)域氫能的利用更少?？傮w看，目前我國(guó)具備一定的氫工業(yè)基礎(chǔ)，但仍然以工業(yè)原料為主。氫作為能源消費(fèi)的市場(chǎng)規(guī)模依然較小。

在氫能和燃料電池發(fā)展方面，我國(guó)也一直不落后。2016年10月，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化研究院資源與環(huán)境分院和中國(guó)電器工業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布的《中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍(lán)皮書（2016）》首次提出了我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展路線圖。對(duì)我國(guó)中長(zhǎng)期加氫站和燃料電池車輛發(fā)展目標(biāo)進(jìn)行了規(guī)劃?！吨袊?guó)制造2025》明確提出燃料電池汽車發(fā)展規(guī)劃，更是將發(fā)展氫燃料電池提升到了戰(zhàn)略高度。目前不論是國(guó)內(nèi)的氫能技術(shù)，還是氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，雖然都具有一定的戰(zhàn)略規(guī)模，但是與國(guó)際最先進(jìn)水平還有一定的差距。