院士张久俊：燃料电池耐久性是真正产业化的最大需求

 近日,由氢能观察主办的CHEC2021世纪氢能与燃料电池产业大会上，加拿大国家工程院院士张久俊针对氢能发展的必要性以及燃料电池催化剂关键技术为参会代表进行了分享。
燃油车尾气排出的CO2、CO、NOx、Sox、VOC，等对环境的污染引发一系列的社会问题，对人类发展的持续性带来威胁。世界各主要发达国家都把发展新能源汽车（电动车）作为国家发展战略。张久俊指出，用电动车替代燃油车是大势所趋，从现在起逐步进行。德国宣布到2030年、法国宣布到2040年、英国宣布到2040年，印度宣布到2030年，中国到2050年要淘汰全部汽油车和柴油车。

目前，世界汽车保有量是约17亿辆，其中中国目前汽车保有量是2.7亿辆。2016年国际能源署曾表示，要实现“巴黎协定”中把全球平均气温控制在工业革命前水平以上2℃之内的目标，到2040年全球电动汽车数量需达到6亿辆。当前全球范围内发展新能源的最热点是新能源电动汽车，并有爆发趋势。

新能源动力汽车的核心部件是动力电池 （电化学电源），目前全球主要经济体都已将发展燃料电池上升为国家战略。新能源电动汽车主要有全电、插电、油电混动和燃料电池四种。全球范围来看，世界主要发达国家都十分看重氢能的发展，目前氢能和燃料电池已在一些细分领域初步实现了商业化。

车用质子交换膜燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置，具有能量转换效率高（60-70%）、环境友好、运行噪音低、构造简单等特点。车用燃料电池主要由质子交换膜燃料电池催化剂、质子交换膜、双极板、膜电极及电堆、燃料电堆系统等组成。目前，我国30~120kW系列氢燃料电池电电耦合动力系统主要用在乘用车及商用车上。
张久俊表示，降低燃料电池成本是通向真正产业化的关键，其中降低膜电极（催化剂和膜）及双极板的成本至关重要。美国能源部（ DOE ）规定，为了实现商业化目标，燃料电池系统需满足以下要求，功率密度：燃料电池发动机系统达到850W/L；耐久性：长期目标达到8000小时；规模生产成本：长期达到30美元/kW。目前，我国氢燃料电池单电池的运行目标则是2A/cm2下电池电压大于0.65 V；Pt催化剂的ORR质量活性大于现有Pt催化剂的5倍；膜电极氧气传输速率大于现在膜电极的2倍。

随后，张久俊从载体材料的筛选、物理化学性能测试及稳定性等方面详细介绍了氢能燃料电池非碳支持体催化剂。他表示，燃料电池耐久性是真正产业化的最大需求之一，碳支持体在燃料电池长期操作下，尤其是小电流（高槽电压）下会被氧化，降低耐久性甚至失效！

最后，张久俊对质子膜燃料电池未来的发展进行了展望，他表示，质子膜燃料电池已被认为是电动车的终极主力电源，目前，降低燃料电池的成本、提高其耐久性及发展加氢站是氢能利用的主要努力方向。应集中在催化剂、膜、膜电极与双极板等方面。

发展非碳或少碳支持体的合金催化剂，是提高燃料电池催化剂耐久性和降低成本的主要途径之一。开发了高效的核壳结构支持体的合金催化剂，具有3倍于商业47%Pt/C 催化剂的ORR质量活性和1.2倍的耐久性。
链接：近年来，我国每年纯度99%以上氢气的使用量约700亿立方米（约600万吨），年产值1200亿元人民币以上。目前国内发展氢能的生产方式，主要有煤制氢、天然气制氢和工业副产氢，其中工业副产氢追溯其上游一次能源主要还是煤和天然气。因此，目前国内氢能生产主要还是依靠化石能源，而电解水制氢仅占比2%—4%，占比较为有限。对于氢能的消纳，国内90%左右的氢气都用于炼化产品生产过程中的加氢，以及合成氨、合成甲醇、石油炼化等化工领域，仅有2%—4%的氢气作为工业气体用于冶金、钢铁、电子、建材、精细化工等行业的还原气、保护气、反应气等，而在燃料电池汽车领域氢能的利用更少。总体看，目前我国具备一定的氢工业基础，但仍然以工业原料为主。氢作为能源消费的市场规模依然较小。

在氢能和燃料电池发展方面，我国也一直不落后。2016年10月，中国标准化研究院资源与环境分院和中国电器工业协会发布的《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书（2016）》首次提出了我国氢能产业的发展路线图。对我国中长期加氢站和燃料电池车辆发展目标进行了规划。《中国制造2025》明确提出燃料电池汽车发展规划，更是将发展氢燃料电池提升到了战略高度。目前不论是国内的氢能技术，还是氢能产业基础，虽然都具有一定的战略规模，但是与国际最先进水平还有一定的差距。