近日,由氫能觀察主辦的CHEC2021世紀氫能與燃料電池產業大會上，加拿大國家工程院院士張久俊針對氫能發展的必要性以及燃料電池催化劑關鍵技術為參會代表進行了分享。


燃油車尾氣排出的CO2、CO、NOx、Sox、VOC，等對環境的污染引發一系列的社會問題，對人類發展的持續性帶來威脅。世界各主要發達國家都把發展新能源汽車（電動車）作為國家發展戰略。張久俊指出，用電動車替代燃油車是大勢所趨，從現在起逐步進行。德國宣布到2030年、法國宣布到2040年、英國宣布到2040年，印度宣布到2030年，中國到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，其中中國目前汽車保有量是2.7億輛。2016年國際能源署曾表示，要實現“巴黎協定”中把全球平均氣溫控制在工業革命前水平以上2℃之內的目標，到2040年全球電動汽車數量需達到6億輛。當前全球范圍內發展新能源的最熱點是新能源電動汽車，并有爆發趨勢。

新能源動力汽車的核心部件是動力電池 （電化學電源），目前全球主要經濟體都已將發展燃料電池上升為國家戰略。新能源電動汽車主要有全電、插電、油電混動和燃料電池四種。全球范圍來看，世界主要發達國家都十分看重氫能的發展，目前氫能和燃料電池已在一些細分領域初步實現了商業化。

車用質子交換膜燃料電池是一種將氫和氧的化學能通過電極反應直接轉換成電能的裝置，具有能量轉換效率高（60-70%）、環境友好、運行噪音低、構造簡單等特點。車用燃料電池主要由質子交換膜燃料電池催化劑、質子交換膜、雙極板、膜電極及電堆、燃料電堆系統等組成。目前，我國30~120kW系列氫燃料電池電電耦合動力系統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業化的關鍵，其中降低膜電極（催化劑和膜）及雙極板的成本至關重要。美國能源部（ DOE ）規定，為了實現商業化目標，燃料電池系統需滿足以下要求，功率密度：燃料電池發動機系統達到850W/L；耐久性：長期目標達到8000小時；規模生產成本：長期達到30美元/kW。目前，我國氫燃料電池單電池的運行目標則是2A/cm2下電池電壓大于0.65 V；Pt催化劑的ORR質量活性大于現有Pt催化劑的5倍；膜電極氧氣傳輸速率大于現在膜電極的2倍。

隨后，張久俊從載體材料的篩選、物理化學性能測試及穩定性等方面詳細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業化的最大需求之一，碳支持體在燃料電池長期操作下，尤其是小電流（高槽電壓）下會被氧化，降低耐久性甚至失效！

最后，張久俊對質子膜燃料電池未來的發展進行了展望，他表示，質子膜燃料電池已被認為是電動車的終極主力電源，目前，降低燃料電池的成本、提高其耐久性及發展加氫站是氫能利用的主要努力方向。應集中在催化劑、膜、膜電極與雙極板等方面。

發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。開發了高效的核殼結構支持體的合金催化劑，具有3倍于商業47%Pt/C 催化劑的ORR質量活性和1.2倍的耐久性。

鏈接：近年來，我國每年純度99%以上氫氣的使用量約700億立方米（約600萬噸），年產值1200億元人民幣以上。目前國內發展氫能的生產方式，主要有煤制氫、天然氣制氫和工業副產氫，其中工業副產氫追溯其上游一次能源主要還是煤和天然氣。因此，目前國內氫能生產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。對于氫能的消納，國內90%左右的氫氣都用于煉化產品生產過程中的加氫，以及合成氨、合成甲醇、石油煉化等化工領域，僅有2%—4%的氫氣作為工業氣體用于冶金、鋼鐵、電子、建材、精細化工等行業的還原氣、保護氣、反應氣等，而在燃料電池汽車領域氫能的利用更少。總體看，目前我國具備一定的氫工業基礎，但仍然以工業原料為主。氫作為能源消費的市場規模依然較小。

在氫能和燃料電池發展方面，我國也一直不落后。2016年10月，中國標準化研究院資源與環境分院和中國電器工業協會發布的《中國氫能產業基礎設施發展藍皮書（2016）》首次提出了我國氫能產業的發展路線圖。對我國中長期加氫站和燃料電池車輛發展目標進行了規劃。《中國制造2025》明確提出燃料電池汽車發展規劃，更是將發展氫燃料電池提升到了戰略高度。目前不論是國內的氫能技術，還是氫能產業基礎，雖然都具有一定的戰略規模，但是與國際最先進水平還有一定的差距。