氢燃料电池技术发展现状及未来展望.docx
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1、一、刖后当前人类建立在以消耗煤炭、石油、天然气为主的不可再生能源基础之上的经济发展模式,导致了日益突出的环境污染和温室效应问题。为实现人类社会可持续发展,建立人与自然的和谐关系,发展风能、水能、太阳能、生物质能、地热能、海洋能等绿色能源,成为世界各国高度关注的课题。多数可再生能源所固有的间隙性、随机与波动性,导致了严重的弃风、弃光、弃水等现象。氢能作为可存储废弃能源并推动由传统化石能源向绿色能源转变的清洁能源,其能量密度(140MJkg)是石油的3倍、煤炭的4.5倍,被视为未来能源革命的颠覆性技术方向。氢燃料电池是以氢气为燃料,通过电化学反应将燃料中的化学能直接转变为电能的发电装置,具有能量转
2、换效率高、零排放、无噪声等优点,相应技术进步可推动氢气制备、储藏、运输等技术体系的发展升级。在新一轮能源革命驱动下,世界各国高度重视氢燃料电池技术,以支撑实现低碳、清洁发展模式。发达国家或地区积极发展“氢能经济”,制定了全面能源战略(美国)、欧盟氢能战略(欧盟)、氢能/燃料电池战略发展路线图(日本)等发展规划,推动燃料电池技术的研发、示范和商业化应用。我国也积极跟进氢能相关发展战略,2001年确立了863计划中包括燃料电池在内的“三纵三横”战略;能源技术革命创新行动计划(20162030)汽车产业中长期发展规划(2017年)等国家政策文件均明确提出支持燃料电池汽车发展。2023年,科技部启动了
3、国家重点研发计划“可再生能源与氢能技术”重点专项,将重点突破质子交换膜、气体扩散层碳纸、车用燃料电池催化剂批量制备技术、空压机耐久性、高可靠性电堆等共性关键技术。国家能源局将氢能及燃料电池技术列为“十四五”时期能源技术装备重点任务。研究表明,氢能及氢燃料电池技术有望大规模应用在汽车、便携式发电和固定发电站等领域,也是航空航天飞行器、船舶推进系统的重要技术备选方案,但面临低生产成本(电解质、催化剂等基础材料)、结构紧凑性、耐久性及寿命三大挑战。美国能源部燃料电池技术项目研究认为,燃料电池电动汽车是减少温室气体排放、降低石油使用量的最有效路径之一,随着技术进步,全过程生产成本和氢燃料成本将与其他类
4、型车辆及燃料相当。优化系统控制策略、开发催化剂及其抗腐蚀载体等新型基础材料,是提高系统耐久性和寿命、进而促成氢燃料电池技术大规模商业化应用的有效路径。近期的综述性研究工作6-10,报道了氢燃料电池系统在双极板、气体扩散层、催化剂、膜电极、流场设计与分析等材料或组件方面的新进展。我国提出了将于2030年实现碳达峰、2060年实现碳中和的发展愿景。积极发展氢能,引导高碳排放制氢工艺向绿色制氢工艺转变,是能源革新发展,实现碳达峰、碳中和的重要举措。氢能将是我国能源领域的战略性新兴产业,氢燃料电池技术是实现氢能利用的先决条件。为了促进我国氢燃料电池技术产业链的全面发展,本文依托中国工程院咨询项目的支持
5、,分析国内外氢燃料电池技术关键材料、核心组件的研发与应用现状,凝练我国发展氢燃料电池技术面临的问题,梳理未来相关技术发展方向并提出保障措施建议,以期为行业技术发展提供基础性参考。二、氢燃料电池技术体系及发展现状氢燃料电池与常见的锂电池不同,系统更为复杂,主要由电堆和系统部件(空压机、增湿器、氢循环泵、氢瓶)组成。电堆是整个电池系统的核心,包括由膜电极、双极板构成的各电池单元以及集流板、端板、密封圈等。膜电极的关键材料是质子交换膜、催化剂、气体扩散层,这些部件及材料的耐久性(与其他性能)决定了电堆的使用寿命和工况适应性。近年来,氢燃料电池技术研究集中在电堆、双极板、控制技术等方面,氢燃料电池技术
6、体系及部分相关前沿研究如图1所示。高容Ift储氢技术高技术石墨修储气技术筑燃料电他系统电堆文换应用(车*r催化M金W催化制作的薛金属催化局二推纳米的族介金催化刺:维纳米帕族金属催化剂有机无机擂条原f低的催化剂(掺杂Cu、NkCo、M。等)过渡金属推弟怕族金属合金高依仪化材料碳系化其有尺寸效应的豹族金属催化剂石墨烯纳米柏族金M复合材料催化剂毓拷朵石般蜂怕族金属催化剂石墨端镶钠而活件1羊成多场过渡金属仪化物催化刑 破疏可控七孔推架KC催化剂 MK化物和金属大环化合物催化剂 纳米用双金”催化剂 MNC纳米催化剂(M为俄等金属) 第几配位被合构催化剂(有机金螭配作物当金属家碳杂化等) 区推架房状多孔联
7、高活性催化剂 :雄机MI米金廨力几靠架偏化制 石不金属辄化物纳米复合材料催化剂 气体V股房优化限缩效应技术 琳及佥如大孔基质气体扩眼层材料娜国川化学储乳材料纳米就W1履材料金属堀名化物储筑材料 燃料电漉泥台动力客不使批管理策略 多I1标能源管理优化燃料电池技术 脉冲放电等离子体光催化错料电池网合技术 分数阶极值法住线管理燃料电池能源系统 悬料电池优化控制技术高速无油空气压缩机无孔行不聚会构复合材料(聚介物W括聚内爆、聚笨看微等) 石曷烯不锈例例双极板材料 耐惊金帽碇举U介材料 破制米管聚不我(耐性锚双极板材料 双核板液达成形及燃料电池优化控制技术 高温质子交换18 热电定质f交换股,纳米金舸基
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