燃料電池是“一支隊伍”

一般來說，單節燃料電池的電壓偏低、電流偏大，在實際應用中需要由多節燃料電池串聯形成電堆，以提升輸出電壓。

氫燃料電池的動力來源是氫氣和氧氣，兩者會在燃料電池中開始它們的“奇幻”旅程：氫在陽極催化作用下氧化，生成質子和電子;電子經外電路做功，到達陰極;而質子通過質子交換膜從電池內部傳輸到陰極，質子與電子在陰極匯合并在催化作用下與氧反應生成水。

看起來似乎只是初中化學知識。但實際上，燃料電池的運作，是一個系統工程。

燃料電池不像普通蓄電池，反而更像發電機——把燃料和氧化劑“喝”進去，將電發出來。所以，除了電堆，燃料電池還有燃料供應子系統，氧化劑供應子系統，水熱管理子系統以及熱管理和控制系統……總之，人家是團隊特種。

“燃料電池車是新能源車的一種，它是未來的發展方向之一。”中科院大連化物所燃料電池研究部部長邵志剛告訴科技日報記者，2014年年底，日本豐田公司宣布實現燃料電池車的商業化;而在國內，一切尚處于起步階段。

關鍵材料還缺批量生產線

車用燃料電池，一般為質子交換膜燃料電池。

它有兩大關鍵部件，一個叫膜電極組件，一個叫雙極板。前者其實是由“三兄弟”構成：質子交換膜、催化層和氣體擴散層。

質子交換膜的主要功能是傳輸質子，分隔反應氣體以及電子絕緣。它負責“把門”，把質子放過去，把電子攔下來;催化層主要搭載的是催化劑，催化劑可以促進氫、氧在電極上的氧化還原過程并產生電流;氣體擴散層則由基底層和微孔層組成，它要求具有高導電性、導熱性和疏水性。

這些關鍵材料，決定著燃料電池的壽命和性能。

“巧婦難為無米之炊。我們的關鍵材料長期依賴國外，一旦國外禁售，我國的燃料電池產業便沒有了材料基礎支撐。”清華大學氫燃料電池實驗室主任王誠說。

其實，這些材料我國并非完全沒有，有些實驗室成果甚至已達到國際水平。但是，沒有批量生產線，燃料電池產業鏈依然梗阻。特別是在氣體擴散層量產技術方面，我國還是空白。“這是因為氣體擴散層的石墨化工序需要經過2000℃以上的高溫才能制備，但關鍵設備高溫爐技術還掌握在國外手中。”王誠解釋。

要實現材料的批量生產，就得解決一致性和成本控制問題。它和實驗室制備的難度不可同日而語。以催化劑為例，王誠告訴科技日報記者，目前商用的燃料電池催化劑仍是鉑基催化劑，實驗室制備水平一般為毫克級，量產技術需公斤級水平。批量生產要突破三項關鍵技術：一是反應條件的均一，確保批次穩定性;二是鉑顆粒納米尺寸控制，確保催化活性比表面積;三是提升碳載體的穩定性，達到車用工況下的使用壽命。

將實驗室成果進行工業化放大是一項關鍵技術，需要企業介入。“長期以來，我國燃料電池的研發主要由高校和科研院所進行。企業持觀望態度，參與得少，加入得晚。”邵志剛所在的大連化物所從1994年就開始開展車用燃料電池研究。但基礎研究和應用之間的斷裂，使得關鍵材料的工業化成為一道坎。

要商業化，還得強鏈、補鏈

王海江此番回國，就是想帶著在燃料電池領域深耕多年的經驗，和團隊在深圳建成燃料電池產業鏈。

先有了南科燃料電池有限公司，主要做電堆關鍵部分生產、電堆集成和測試。但如果電堆原材料均需從國外進口，成本太高。于是，團隊又成立了一家公司，主攻氣體擴散層、質子交換膜和催化劑三種關鍵材料的國產化。“到時，燃料電池的成本能下降三分之一。”王海江說。

目前，我國電堆及產業鏈企業數量逐漸增長，預計2018年國內電堆產能將超過40萬kW。“純電動汽車近幾年有很大進步，為燃料電池的應用創造了非常好的條件。”王誠表示，“此時，我們就更需要聚焦燃料電池內核創新。”

要打破發達國家的長期技術壟斷，就得加大對燃料電池核心材料產業化的投入。接受采訪的專家均指出，燃料電池產業鏈“非常長”，涉及到氫能系統、燃料電池發電系統以及汽車等終端產品。“國內零部件、氫基礎設施以及標準規范還不健全，需要強鏈、補鏈，帶動新材料、新能源、汽車高端裝備制造成長，才能促進燃料電池商業化提速。”王誠強調。