尊敬的蔡區(qū)長、譚局長，各位領導、嘉賓，尊敬的各位專家、各位同仁，大家好。
我叫孫公權，來自中國科學院大連化學物理研究所，今天匯報的題目是：“甲醇燃料電池研究開發(fā)進展”。
我們這次到佛山參加國際氫能大會，大家討論的話題總離不開能源。從歷史上來看，能源和動力確實對人類文明的發(fā)展做出了重大的貢獻。比如說早在遠古時期，人們發(fā)現(xiàn)了火，利用木炭使得人類文明取得了快速發(fā)展。煤炭的使用以及蒸汽機的出現(xiàn)引領和帶動了第一次工業(yè)革命。石油的普及、內(nèi)燃機的誕生引發(fā)了第二次工業(yè)革命，以至于我們今天的現(xiàn)代文明。當然，隨之而來的環(huán)境污染也日趨嚴重。
人們一直在思考，后石油時代我們用什么能源？我記得在初中的時候，老師說全球石油再有50年就用盡了。到了大學的時候老師又說全球的石油再用一百年就用盡了。最近一些專家也在預測說全球石油資源再有兩百年可能就用盡了。其實多少年并不重要，從理論上來講，化學資源消耗殆盡是不可避免的。石油資源枯竭以后，我們究竟用什么能源，一直是全人類所要思考的一個問題。
最近一些年專家提出不同的方案。比如說核能，上個世紀70年代提出的ETER計劃。還有太陽能、風能、氫能等，其實每個方案都有它的一些優(yōu)點，同時也有一些挑戰(zhàn)。在眾多的能源里邊，氫能無疑是比較理想的一條技術路線。
從水轉化成氫氣，氫氣能做很多很多事情。比如說氫氣的燃燒，像我們現(xiàn)在航天用的液氫發(fā)動機是用燃燒原理。氫氣還能用于生產(chǎn)化學品，加氫反應是化工領域很重要的一類反應。氫氣還可以用來發(fā)電，主要通過燃料電池，高效清潔轉化成電能，有了電能，我們開車、開船、開飛機都有可能變成現(xiàn)實。最大的好處是它的產(chǎn)物是水，所以這個循環(huán)是比較理想的。當然發(fā)展過程當中也有一些痛點，比如氫的制備、儲存、運輸和加注。此外，如果說我們的氫氣來源是從化石燃料過來的，它的潔凈、高效也受到一定的垢病。
最近一些年，大約2006年，國際諾貝爾化學獎獲得者喬治A.奧拉出了一本書，叫《跨越油氣時代：甲醇經(jīng)濟》，其實這個甲醇經(jīng)濟和氫能經(jīng)濟大體上差不太多，都用了氫。在甲醇經(jīng)濟里邊核心的是用能源介質(zhì)甲醇替代氫能源介質(zhì)。實際上甲醇也跟氫差不多，氫干的事甲醇也可以干。比如說甲醇可以燃燒?？梢杂米鰺仩t，甚至吉利汽車用甲醇來開汽車。甲醇也可以做成化學品，比如MTO把甲醇做成乙烯，這個市場是巨大的。第三塊，甲醇也可以通過燃料電池來發(fā)電，開車、開船、開飛機都是可能的。
問題就在于它的產(chǎn)物有二氧化碳，所以它不能說是一個無碳經(jīng)濟，應該說是一個少碳經(jīng)濟。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，如果這個二氧化碳通過陽光又回到甲醇、乙醇了，那么這個循環(huán)就是非常非常地令人向往了。所以現(xiàn)在叫甲醇經(jīng)濟。
無論是氫能經(jīng)濟也好，甲醇經(jīng)濟也好，其中燃料電池都發(fā)揮著重要的作用。對于燃料電池，我們國家經(jīng)過半個多世紀研究開發(fā)，現(xiàn)在可謂遍地開花了。我們可以看到除了西北、東北地區(qū)以外，國內(nèi)絕大部分省市都投入大量的人力和財力。當然，像我們佛山這么投入的還是很少的。
根據(jù)秘書處統(tǒng)計的結果，從整個行業(yè)來看，技術成熟度還是顯著提高，商業(yè)化進程加快。到目前為止，主要還是以氫質(zhì)子交換膜燃料電池為主。過去的5年時間里復合增長率超過40%。
甲醇燃料電池現(xiàn)在還不普及，應該說是后起之秀，方興未艾。從資本來看，在過去的3年時間里，累計資本進入到燃料電池領域大概2400多億。我們知道氫能小鎮(zhèn)、氫谷、氫能源比比皆是，當然這里不否認也有一些水分，像我們佛山南海這么干的，還是全國少有的。新增企業(yè)在過去3年時間里邊超過1000多家，當然也有許多企業(yè)消失了，原因很復雜。到目前為止，國家的政策導向持續(xù)利好。
對于甲醇燃料電池，它的原理和氫燃料電池幾乎類似。它跟傳統(tǒng)的一次電池、二次電池相同，都是陽極陰極發(fā)生化學反應。從工作方式來看，跟我們傳統(tǒng)的汽油、柴油發(fā)動機非常類似，只要你不斷地提供燃料它就會持續(xù)穩(wěn)定地發(fā)電，所以它在儲存、運輸?shù)确矫孢€是有很多優(yōu)勢的。
對于甲醇燃料電池，最近幾年也有一些誤區(qū)，這里邊我簡單就介紹一下。其實它從技術種類來看又分三類，一類叫做直接甲醇燃料電池。它的做法是甲醇原料現(xiàn)在用工業(yè)醇，直接到電堆里邊發(fā)電，轉化效率相對低一些，通常是用于1000瓦以下的系統(tǒng)。第二類是大家熟悉的甲醇重整燃料電池。這個做法就是甲醇燃料通過催化重整得到了混合氣，但是這個混合氣很糟糕的就是它含有大量的CO，通常要超過3萬個PPM。大家知道CO對燃料電池是一個毒物，要通過三級分離凈化，得到混合氣中CO的含量要小于10個PPM，這個時候才可以用到燃料電池里邊去。由于它的分離凈化系統(tǒng)龐大，所以這套系統(tǒng)往車上用，尤其是乘用車上用，難度比較大。第三類叫做高溫甲醇燃料電池。這種也是通過重整得到混合氣，這個混合氣不需要分離凈化，直接進入到電堆里面去。它為什么能工作？得益于我們提高了溫度，到了160度至180度，這么高的溫度nafion膜肯定是不可以的，因為我們知道美國杜邦的nafion膜工作溫度通常是60到80度，所以這個高溫膜就非常重要。
其實，對于任何學電化學的人都知道，一個化學反應只要它符合Arrhenius方程的，每提高10度，電極反應速率通常增加2—4倍，如果提高100度，這個電極反應速度是非常高的，而且在150度以上CO的毒化又是可以大幅降低的，所以這么好的一個買賣大家都知道，為什么這么長時間沒做成呢，我記得95年在美國的時候很多大學里邊都有專門高分子系、化學系開展這種耐高溫甲醇燃料電池的研究，很遺憾，20多年進展緩慢，關鍵是卡在這一張膜上。
甲醇燃料電池的技術體系跟氫完全是一樣的。我們說關鍵材料是電催化劑、載體、電解質(zhì)膜、膜電極、雙極板、電堆系統(tǒng)、關鍵材料、核心部件、過程控制系統(tǒng)等這些東西，大家都差不多，這些東西構成一個甲醇燃料電池的系統(tǒng)，這個系統(tǒng)的具體應用還需要電機、電控等，甚至我們還需要多種能源的互補。現(xiàn)在燃料電池在瞬間的脈沖導致可靠性是比較差，通常都是和鋰電池混著用，在調(diào)峰用鋰電，平時用燃料電池，多種能源動力總成。當然，應用的時候還需要接口、軟件、大數(shù)據(jù)、云計算這些東西，才能真正做到開車、開船、電站和無人機等。
我們是研究所，研究重點在甲醇燃料電池系統(tǒng)，主要是基礎研究、工程開發(fā)、示范應用有機結合。做法其實都差不多，圍繞著性能、壽命、成本、安全開展一系列的工作。由于時間限制，具體我不匯報了，我講幾個典型的。對直接甲醇燃料電池，我從93年開始研究，大連化物所從2001年開始，一晃20多年了，在這20多年里邊，我們獲得N個“中國率先”、“中國首次”、“中國第一”，去年，我們用直接甲醇燃料電池做動力的長航時無人機成功試飛，國內(nèi)外也進行了大量的報道。目前為止，我們技術處于領先水平，部分成果轉移到公司，現(xiàn)在有的已經(jīng)推廣應用。
在高溫甲醇燃料電池方面，經(jīng)過多年的努力，最重要的燃料電池的“心臟”——膜電極，我們在國際上跟大公司比還暫時處于領先地位，技術也獲得中國優(yōu)秀專利獎。在電堆和系統(tǒng)方面我們開發(fā)了1000W、5000W、10KW、30KW的電堆模塊和系統(tǒng)，性能目前在國際上還是處于領先水平。最值得我們自豪的我們是全鏈條的，從催化劑、質(zhì)子膜、電堆到系統(tǒng)，我們的技術是完全自主的，全部部件是國產(chǎn)化的，我們實現(xiàn)了全鏈條，國產(chǎn)化。當然，實際應用安全性、可靠性非常重要，沖擊、震動等六性要求我們在國家權威部門都通過了測試，電池的壽命現(xiàn)在1.7萬多小時，繼續(xù)在測試。
要想產(chǎn)業(yè)化，最重要的是生產(chǎn)線。原來這個膜大家都知道，用手刮的、噴的，一天弄那么幾塊，累得要死，現(xiàn)在經(jīng)過努力，我們幾千頁的工藝包，成功做成中國第一條耐高溫電解膜生產(chǎn)線，目前每分鐘是0.3米，最高是1米的速度。當然，我們也有全自動化的中國第一條高溫甲醇燃料電池的膜電極生產(chǎn)線。有了這些，我們還有電堆的生產(chǎn)線。當然MES口都留在里面，我們希望將來能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)4.0。此外，我們牽頭制定了國家標準15項，在燃料電池目前國家標準總共25項，我們大化所牽頭的15項。
在產(chǎn)品示范方面，我們跟多家合作，最近又跟愛馳公司簽署了全面戰(zhàn)略合作協(xié)議。這個項目我們昨天也簽約了，即將落戶佛山南海氫谷。這是我們的電動車，2016年底開始示范，也發(fā)現(xiàn)一些問題，但總體來看運行還是很不錯的，也得到了很多領導和專家的好評。
除了在電動車應用以外，高溫甲醇燃料電池還有一個非常重大的市場，那就是船。我們知道現(xiàn)在全球大型船舶1萬多艘，年消費3.7億噸燃料。我國的漁船眾多，如果用甲醇燃料電池替代現(xiàn)在的重油等，每年一艘萬噸船可以節(jié)省200到300萬人民幣。就是說這種電池除了社會效益以外，還有良好的經(jīng)濟效益。當然，它的應用領域還有很多，細分市場眾多。
回到能源這個方面，如果說從現(xiàn)在的能源，如煤、油、氣、電、甲醇，在制備、物流、儲存、運輸方面，從三個維度即效率、環(huán)境、經(jīng)濟性去分析，氫可能從長遠來講是非常好的，但是近中期甲醇無疑技術優(yōu)勢明顯。我們也開展了廣泛的國際合作，包括在國內(nèi)兗礦集團、中石化等。
我個人觀點，最重要的我認為，氫能高效清潔，安全可靠，氫燃料電池前景廣闊。甲醇燃料電池的經(jīng)濟社會效益也很明顯，發(fā)展態(tài)勢是由于氫燃料電池、甲醇燃料電池、鋰子電池各有優(yōu)缺，一定是共存互補的，這是大勢所趨。所以我們沒必要說這個電池好、那個電池是不好。
在此我再做一個小的廣告，燃料電池協(xié)會最近正在組織材料向國家相關部委有關部門報一些計劃，也希望在座的同仁有什么需求、有什么建議、請不吝賜教。聯(lián)系人是王素力，他是我們協(xié)會的副秘書長。
謝謝大家！
來源：UNDP氫能產(chǎn)業(yè)大會
微信公眾號
陜公安備61080202000314號