氢云观察：全固态电池商业化有多远？四大挑战不可避免

近日，在IFAM2019新材料产业技术投资促进国际论坛上，日本氢能领域顶级专家太田健一郎教授就氢燃料电池等问题进行了探讨。Q1：下午太田老师去参观了武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室和武汉理工大学燃料电池湖北省重点实验室，在参观过程中您与实验室的研究人员进行了很多交流，您有什么感受呢？A1：能让我参观实验室的最新科研成果我觉得很开心，那些设备非常先进，可以说是世界前列，让我感到震惊。我对燃料电池大巴印象深刻，非常有意思。不过加入了氢的话，就存在着安全性的问题，这是要注意的一个方面。Q2：日本在氢能发展领域的发展水平可以说是处于世界领先地位，能介绍一下日本目前的发展现状吗？A2：从目前来看，日本在燃料电池领域的发展水平是第一，但是中国也发表了许多氢燃料电池领域相关的论文，学术水平不逊于日本，所以我认为中国的大学在这方面的研究进展也很不错。Q3：您的演讲中提到您和您的团队正在研究钛系催化剂，现在这种研究进行到哪个阶段了呢？A3：钛系催化剂确实是我研究的一个主要方面，目前还没有进入到产业化阶段，但是据我所知丰田好像已经开始投资进行产业化研究了。Q4：您除了催化剂还有哪些其他方面的研究吗？A4：主要的还是铂催化剂方面，除此之外还有一些感兴趣的领域，比如说绿色氢的灵活运用等，这是为了后代和世界的未来做的有意义的事。Q5：您有什么下一步的研究计划吗？A5：我已经这么大年纪了，而且催化剂研究也很重要，接下来还是会全力在这方面继续研究下去。Q6：我们了解到太田老师您很注重培养日本燃料电池领域的人才，能简单说说吗？A6：说到培养人才，我们主要进行青少年的培养，比如说小学生和中学生，对于小学生的教育可能会比较难，最合适的还是对于中学生的教育。我们有一个“东京塔·儿童环境科学博士”项目，内容是携带设备带领孩子们进行有关氢能源方面的实验。Q7：在国际论坛上，首藤登志夫老师提到了对于氢发动机的研究，您怎么看待氢发动机和氢燃料电池两者的优劣势呢？A7：如果绿色氢的成本降低的话，我还是认为燃料电池会是很好的发展方向。我们目前研发出了一种不含铂的材料，成本较低，虽然效率稍微低一些，但也可以应用于普通的发动机。氢燃料电池可以减少汽油的使用和二氧化碳的排放，并且主要用于公交车和货车，少数用于普通汽车。氢发动机初始阶段存在一氧化氮的问题，所以需要考虑环境问题，但从好的方面来说，氢发动机的成本较低。Q8：针对新能源的发展方向，目前在中国国内有这样两种看法，一种是继续发展锂电池，另一种是加大力度发展氢燃料电池，两种发展方向都各有利弊，对此您的看法是什么？A8：在锂电池领域，日本在10年前的发展可以说领先世界，但是锂电池有一定的危险性，有爆炸的风险，而且从减少二氧化碳排放方面来看，更建议发展氢燃料电池。Q9：太田老师您是怎么看待中国和日本在未来的合作的？A9：从整体来考虑的话，中国和日本各自拥有发展优势，企业和大学之间的交流与合作还是很重要的。从中国到日本留学的学生也很多，今后两国的合作还要看年轻的一代。

经过两年多时间的研发设计，“共享出行第一股”永安行的第一款氢能源助力自行车终于试制成功。据了解，永安行氢能源助力自行车全车30公斤左右，续航总里程目前是60公里，未来将达到100公里，氢燃料加气3分钟左右完成。对比慢充需要至少6小时，快充2-3小时，续航30-40公里的纯电动助力车，氢能助力自行车能极大方便人们远距离的出行。结构上，永安行氢能源助力自行车储氢罐隐藏在车架下管处，氢燃料电池系统则布置在坐垫下方，车辆运行过程中通过氢燃料转换电能来为整车供电。自行车整体紧凑美观，没有因为储氢罐而显得臃肿。早在今年4月，永安行在互动平台答投资者问时就表示永安行正在申请多项氢燃料电池自行车相关专利。氢云链在“中国及多国专利审查信息查询”网站上检索，确实发现永安行申请了多项燃料电池相关发明专利，在《氢能源共享自行车即将面世，燃料电池产业是否迎来“新”发展？》一文中也进行了报导。据永安行透露，预计明年上半年，这款氢能源助力车将投放市场。氢能自行车市场化面临挑战氢能源自行车并非新鲜事物，国内外有多家曾推出氢能源自行车。早在2008年，上海攀业曾推出氢能源自行车，车身结构采用铝合金，车重30公斤，电池功率220W，该车在当年中国国际自行车展上亮相。据悉，攀业公司将20辆氢能源自行车为2008年的西班牙世博会上提供了服务。法国公司Pragma Industries推出了一款阿尔法自行车（Alpha bike）。这种自行车装有2公升氢燃料罐，可以使该自行车跑约100公里。在2017年，Pragma Industries已经向包括Saint Lo、瑟堡、尚贝里和巴约讷在内的法国城市销售了约60辆以氢燃料电池为动力的电动自行车。此外，日本公司Iwatani、德国DLR等机构或公司也曾推出过氢能源自行车相关产品。氢能自行车产品至今没有市场化，究其原因，氢能自行车面临着与氢能汽车相近的挑战：1、制造成本高。法国的阿尔法自行车的售价高达7500欧元，该公司希望未来能将价格降至5000欧元，仍远高于一般电动自行车，几乎与小汽车相当。其他公司的氢能源产品价格相对较低，如国内早在2007年展出的产品就大约只需20000元人民币（现在会更低），但仍明显高于电动自行车。2、基础设施少。阿尔法公司认为加氢站的价格至少为3万欧元。尽管考虑到阿尔法公司昂贵的自行车定价，其加氢站成本存在估价过高的可能，但对比电动自行车充电桩仍显昂贵。3、管理难度大。加氢站的选址和氢气供应存在与氢能汽车同样的问题。共享模式助推氢能源自行车对比氢能源汽车，氢能源自行车的困难相对容易容易解决。随着技术的发展，燃料电池的成本正快速下降，如德国DLR研发了一种专门用于货运自行车的新型燃料电池模块，价格与纯电池供电系统相当。而在共享模式加持下，在成本较高的早期阶段，氢能源自行车则能更快地进入快速发展期。共享模式能够降低消费者体验成本、降低生产成本，加快氢能源自行车推广速度：1、规模生产解决成本问题。共享模式将为氢能源自行车带来大量的订单，氢能源自行车产生规模效应。氢能源自行车的成本集中在燃料电池及储氢罐上，规模效应将帮助厂商快速降低成本。同时共享模式不需要消费者购买车辆，大幅降低了体验成本，更容易为消费者接受。2、定点存取解决管理问题。共享电动自行车普遍属于有桩类型，可以将加氢站与租赁点结合，管理方便，解决选址难、加氢难、管理难的问题，同时降低加氢站的建设成本。3、市场反馈促进技术提升。大量的市场反馈能够帮助厂商快速改进产品，提升技术。氢能源共享汽车的最主要作用，在于对普通消费者的知识科普，让普通消费者直接地接触氢能源，使用氢能源，了解氢能源安全技术的原理，消除对氢能源这种“危化品”的恐惧。在公众能够普遍接受、了解氢能源之后，氢能源的发展阻力将大幅减小，推动相关标准的修改与制定也将事半功倍。

很有幸邀请我参加这个会议，上午有讲政策的、有讲标准的、有讲催化剂的，感觉收获良多，我稍微换了一个题目，一开始觉得石墨烯可能是在燃料电池里面有点应用的。后来我一看咱们参会的各个参会方，很多都是企业的，跟企业接一点地气可能更好一点，我就换了一个题目“动力型燃料电池关键材料开发及商业化应用”，就从燃料电池关键材料角度作为一个切入点，讲讲燃料电池到底到了什么样的程度。 燃料电池的原理不讲了，讲一个燃料电池的故事，因为燃料电池实际上并不是一个新玩意儿了，一百多年前就有了。燃料电池实际上到目前为止发展了四代，第一代就是磷酸燃料电池到现在第三代是固态氧化物电池，现在到了质子膜燃料电池其实是第四代，发展的四代中有什么不一样？质子交换膜燃料电池是温度降到了100度以下了，前面三代都是150度以上，固态氧化物电池温度是800度以上。前三代燃料电池主要是发电来用，质子交换膜燃料电池如果还要发电，就有点像过去60年代开发的计算机，就是好几间屋子那么大，第四代就相当于把燃料电池缩成手机这么大。如果还要固定发电的话，是不是有点浪费了？有很多高端的应用，就是我们开的小汽车。质子交换膜燃料电池实际上重点是放在小汽车上用的，作为一个移动式电源来用。由于国家环境污染比较严重，现在国家很重视，有人做报告，有人说燃料电池这么多年了，一百多年了现在还说，到了什么阶段了？我说根据我们的理解和同行交流，燃料电池说快也快，快到什么程度？就是有一个爆发期，盛开期。说短有多短呢？可能1-3年。要说长，有专家说3年够吗？长的话是多久？可能要在5年以上。但很少有的专家说10年以后我们再见，基本上没有。所以爆发期也就是3年左右。为什么还要等3年吗？早点把媳妇娶回家不好吗？不行，还有一些嫁妆没有置办齐。 燃料电池作为一个终极能源，有人说锂电池不是用得很好吗？为什么还要做燃料电池汽车呢？氢能源燃料电池汽车是二次能源，锂电汽车还有一个致命的缺点，输出能量跟电池质量比是恒定的，你要带更多电量，你这个汽车电池就会越重。但燃料电池不一样，燃料电池一开始比较沉，但输出的功率往上提高以后，他本身的重量并不怎么增加，也就是说比能量远远优于锂电。 铂炭催化剂的问题是活性不高，比表面积低，稳定性差，还有中毒。现在有两条路，一个是把铂合金化了，第二个是理想的炭载体。主要用的都是炭黑，为什么不用石墨烯呢？石墨烯优点在哪呢？跟别的比起来，比表面积大，稳定性好。就开始用石墨烯一条路。我们做了一个PtCo二元合金催化剂，这个比市面上的活性高4倍。这个申请了专利，因为丰田的汽车就是用了铂二元合金。二元合金铂量还是高，再加非铂金属。这个铂的用量已经很小了，这是我们比较能拿得出手的催化剂了。我们还做单原子铂，每一个都是一个一个单原子铂，在炭上。这时候我们都不敢算活性了，因为量太少了，一算简直是突破天花板的。 这个就是用天然的石墨矿，后来我们双通道电化学方法做石墨烯，质量还是蛮高的，因为已经透明了，这就是我们做出来的石墨烯。石墨烯做完以后，我们就肯定用在燃料电池上，后来还发现一个问题，石墨烯不但可以用在燃料电池，还可以用在手机散热。现在华为手机电池打开以后，后面一层石墨烯薄膜导热。还要加上VC液冷，这个不是新鲜玩意了，华为这个就是做了石墨烯膜，华为做的石墨烯膜是用了十几吨石墨烯才做出来的。因为很多专家都觉得石墨烯总是说炒了很多年了，就缺杀手锏式的应用，5G手机肯定是杀手锏。第二个杀手锏的应用就是我们这个催化剂，我们做了以后，活性确实还是不错的。这个也是把石墨烯用在燃料电池上。我们现在也解决了合金工业化制备的技术路线，就是用反应釜，反应釜化工太常见了，光用釜还不行，得找一些什么东西。 我们还做了氮和多原子的。这个时间关系不给大家看了。国内市场预测，燃料电池绝对是一个万亿级的市场，为什么叫万亿级。燃料电池和锂电池比起来，比锂电复杂，但对产业发展来说，牵扯的东西越多，产业就越多。燃料电池可以到哪些产业？高分子材料、金属材料、碳材料，还有气体等别的东西，比锂电产业大得多。所以是万亿级的市场，特别是还有一些国内做的汽车配件的。是不是汽车配套的化学品都会牵扯到这里面来，所以万亿级的市场是可期的，只要我们大家沉下心来。 氢能的费用也不说了。结束语就是这样，氢能或者是氢气燃料电池未来真的可期。我们国家的政策是什么？现在政策不是特别理想，国家之前都是倾向于组装，现阶段我觉得应该优先支持关键材料，第二个支持关键部件，第三才到系统集成。因为关键材料、关键部件做了，我们系统集成不太好，但也能用。 谢谢大家！嘉宾介绍刘景军，北京化工大学教授，博士生导师。主要从事燃料电池关键材料制备及产业化；燃料电池核心部件的设计及应用；天然石墨及人造石墨材料制备、铂基及非铂催化剂制备及产业化应用；重点开展炭/金属/金属氧化物复合电催化材料可控构筑、性能调控及其在储能及能量转换领域中应用的研究工作，建立了高效电催化材料的可控合成与实际应用的研究体系、电化学工程应用等。获得授权中国发明专利25余项，授权国际PCT专利2项。 ...