鋰電世界  科技部日前發(fā)布了2013年度國(guó)家產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略試點(diǎn)聯(lián)盟和重點(diǎn)培育聯(lián)盟名單，我校牽頭的“燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟”獲批為第三批國(guó)家產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略試點(diǎn)聯(lián)盟之一，試點(diǎn)期2年。

    燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟成立于2011年12月，由同濟(jì)大學(xué)聯(lián)合國(guó)內(nèi)在燃料電池汽車領(lǐng)域有重要影響力的18家企事業(yè)單位共同發(fā)起并成立，成員單位涵蓋了高校、科研院所、整車企業(yè)、零部件單位等。聯(lián)盟實(shí)行理事會(huì)領(lǐng)導(dǎo)下的協(xié)同創(chuàng)新工作機(jī)制，理事長(zhǎng)由整車企業(yè)輪流選舉產(chǎn)生，首屆理事長(zhǎng)為上汽集團(tuán)陳志鑫副總裁。同濟(jì)大學(xué)新能源能汽車工程中心/國(guó)家燃料電池汽車及動(dòng)力系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心負(fù)責(zé)總體規(guī)劃并擔(dān)任常設(shè)聯(lián)盟辦公室單位，中心主任章桐教授任秘書長(zhǎng)。

    該聯(lián)盟探索在國(guó)家政策和資金引導(dǎo)下，建立以企業(yè)為主體、市場(chǎng)為導(dǎo)向、產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的開發(fā)式技術(shù)創(chuàng)新機(jī)制。加強(qiáng)合作研發(fā)，以完全自主創(chuàng)新的途徑掌握一系列圍繞燃料電池汽車整車、動(dòng)力系統(tǒng)平臺(tái)、燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)、燃料電池堆和核心部件的關(guān)鍵技術(shù)，建立起面向產(chǎn)品示范的燃料電池汽車產(chǎn)品，同步探索下一代燃料電池汽車平臺(tái)，掌握燃料電池汽車及氫能關(guān)鍵技術(shù)，培育和發(fā)展燃料電池汽車戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，致力于燃料電池汽車市場(chǎng)培育，使聯(lián)盟成為國(guó)家技術(shù)創(chuàng)新體系的重要組成部分，成為產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的紐帶和載體，成為技術(shù)創(chuàng)新資源的集成和共享主渠道，成為燃料電池汽車戰(zhàn)略、前沿、共性、關(guān)鍵技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新研發(fā)平臺(tái)，成為面向行業(yè)的技術(shù)輻射基地。

    隨著聯(lián)盟的建設(shè)和發(fā)展，燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟必將為中國(guó)燃料電池汽車技術(shù)創(chuàng)新發(fā)揮關(guān)鍵作用，成為中國(guó)燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心力量。

    研究人員開發(fā)出針對(duì)便攜應(yīng)用的干性燃料電池

    燃料電池技術(shù)被推崇為解決汽車污染的未來解決方案，它也可能是解決對(duì)于小型化電子系統(tǒng)至關(guān)重要的便攜式電源問題的過渡性解決方案。現(xiàn)在很多公司和研究機(jī)構(gòu)都在不斷公布自己在縮小燃料電池體積和可采用甲醇燃料的工程系統(tǒng)方面所取得的穩(wěn)步進(jìn)展。

     UltraCell公司、美國(guó)普度(Purdue)大學(xué)和喬治亞理工學(xué)院的近期開發(fā)進(jìn)展引發(fā)了這樣一種推測(cè)，即袖珍型燃料電池今后幾年可能成為鋰電池和鎳氫電池的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

     UltraCell已經(jīng)宣布推出了一種緊湊的燃料電池單元，體積約有平裝書大小，它能夠利用小型燃料容器產(chǎn)生25瓦的電力。該項(xiàng)目是為政府開發(fā)的，旨在為軍隊(duì)的野外系統(tǒng)供電。據(jù)UltraCell公司行銷副總裁William Hill透露，該燃料電池的商用版將于明年推出。

    與此同時(shí)，普度大學(xué)的研究人員也推出了一種替代型燃料方案，該方案可簡(jiǎn)化燃料電池設(shè)計(jì)中最困難的部分，即氫生成系統(tǒng)。普度大學(xué)的研究人員在兩種原先都具有嚴(yán)重缺陷的工藝中增加了一些納米技術(shù)，從而研制成一種氫生成效率非常高的固態(tài)小球系統(tǒng)。

    據(jù)報(bào)道，喬治亞理工學(xué)院的一個(gè)項(xiàng)目在采用更高溫度的聚合物系統(tǒng)進(jìn)行高效率的電池設(shè)計(jì)方面已取得進(jìn)展。一種新型化學(xué)系統(tǒng)使得聚合電解膜(PEM)電池中所用的膜不需要水就能工作，這種簡(jiǎn)化方案源自UltraCell公司基于甲醇的系統(tǒng)。

    “在過去10年中，我們一直聽說有一種實(shí)用的系統(tǒng)將于18個(gè)月后問世?！盪ltraCell公司的Hill說。Hill最近演示了一個(gè)45瓦系統(tǒng)的原型設(shè)計(jì)。他表示，“我們計(jì)劃在明年初向軍隊(duì)提供一個(gè)簡(jiǎn)化版的25瓦系統(tǒng)，隨后將推出其商業(yè)版?！?/P>

    成本障礙

    燃料電池技術(shù)今天仍存在成本障礙。袖珍型燃料電池的典型開發(fā)成本高達(dá)數(shù)萬美元，而UltraCell公司的25瓦燃料電池最初售價(jià)約為1000美元，Hill透露。如同任何新技術(shù)一樣，批量市場(chǎng)和工程改進(jìn)將逐步把成本壓下來，他說。

    “這些設(shè)備相當(dāng)昂貴且很復(fù)雜，所以它們很容易出故障。迄今為止，其生產(chǎn)成本還沒能降低到足以使普通人負(fù)擔(dān)得起的程度?！盓nderle集團(tuán)的首席分析師Rob Enderle指出，“這些設(shè)備執(zhí)行的是美??用標(biāo)準(zhǔn)，尤其適于較大型的應(yīng)用。但它們似乎在小型系統(tǒng)領(lǐng)域的問題最多?！?/P>

    對(duì)于聯(lián)邦航空管理局(FAA)這樣的機(jī)構(gòu)，液體燃料也成為一個(gè)問題。由于擔(dān)憂飛機(jī)上的易燃液體，F(xiàn)AA要求稀釋該燃料?！斑@使得此種燃料不能用于這類應(yīng)用中。”Enderle說。

     UltraCell的設(shè)計(jì)采用一種需要泵、壓縮機(jī)和實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的改良工藝以便從甲醇中提煉出純氫。將這個(gè)“化工廠”的體積縮小到適合手持系統(tǒng)是小型化燃料電池的主要工程挑戰(zhàn)。

    燃料電池的電流生成過程是這樣的。氫元素進(jìn)入電池的一端并遇到一層催化膜，這層膜將氫原子分解成電子和質(zhì)子。質(zhì)子可以通過催化膜，但電子被阻止，這迫使它們穿過一個(gè)電路。在膜的另一側(cè)，這些電子和質(zhì)子重新結(jié)合成氫，并與氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成水。

    不幸的是，由于氫原子只包括一個(gè)電子和一個(gè)質(zhì)子，它幾乎像電子一樣不穩(wěn)定，因此不能直接存儲(chǔ)氫燃料。而甲醇是一種容易存儲(chǔ)的液體，因此從甲醇生成氫就成為一種有吸引力的方法。

    盡管理論很簡(jiǎn)單，但直接采用甲醇的燃料電池原型設(shè)計(jì)還是遇到了由于催化過程與燃料電池陽極接觸而引發(fā)的問題。此外，還需要采用稀有貴金屬鉑作為催化劑。而且該化學(xué)反應(yīng)干擾了電的生成反應(yīng)，從而使電池能量輸出減小。

    另一個(gè)問題是要保持陽極濕潤(rùn)以維持化學(xué)反應(yīng)，這就需要一個(gè)復(fù)雜的供水系統(tǒng)。UltraCell系統(tǒng)采用一種簡(jiǎn)化的方法進(jìn)行甲醇轉(zhuǎn)化，據(jù)Hill介紹，該方法是由Lawrence Livermore實(shí)驗(yàn)室開發(fā)成功的。采用此方法將純氫供給燃料電池陽極而無需使用昂貴的鉑催化劑。據(jù)稱其結(jié)果將直接甲醇過程的發(fā)電效率提高了大約一倍。

    基本物理學(xué)理論

     UltraCell系統(tǒng)的成本和體積最終可能減小到使其成為替代基于電池的筆記本電腦電源的一種實(shí)用方案，盡管開發(fā)出這種系統(tǒng)還差得遠(yuǎn)，Hill表示。“從基本物理學(xué)理論上講這并非不能實(shí)現(xiàn)，”他指出，“借助微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)和納米技術(shù)，我們可以做到這點(diǎn)。”

    普度大學(xué)的研究通過采用固態(tài)小球形式的預(yù)封裝化學(xué)反應(yīng)，可能消除基于甲醇的氫生成方法所存在的許多復(fù)雜問題。

    普度大學(xué)化工學(xué)院的Arvind Varma、Evgeny Shafirovich和Victor Diakov一直在尋求一種有前途的氫生成方法，該方法基于堿金屬氫硼化物和某類氧化鹽之間的一種燃燒反應(yīng)。這種反應(yīng)很容易建立且不需要催化劑，但以前的工作發(fā)現(xiàn)只有低濃度的混合物才能燃燒，而且氫的產(chǎn)率較低。

    現(xiàn)在普度大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)找到一種更簡(jiǎn)單的燃燒方法。它利用鋁和水，二者在絕對(duì)溫度大約為3000°k時(shí)結(jié)合生成氫和一種副產(chǎn)品-氧化鋁。但此反應(yīng)在氫產(chǎn)量方面令人失望，而且難以建立。

    研究人員首先通過采用鋁納米微粒粉末以及凝結(jié)水來改善鋁-水系統(tǒng)。這些鋁納米微粒在較低的溫度下結(jié)合，加之冷凝水聚集熱量，這就進(jìn)一步降低了反應(yīng)溫度。

    “我有金屬燃燒方面的知識(shí)背景，因此我這樣看待這兩個(gè)過程，”Shafirovich表示，“除了氫之外，該反應(yīng)還有兩個(gè)產(chǎn)品：一個(gè)是氫硼化合物，類似于洗衣店用的硼砂產(chǎn)品，另一個(gè)是鋁。這兩者均無害，所以不會(huì)給筆記本電腦等消費(fèi)應(yīng)用帶來任何中毒問題。”

    該固態(tài)系統(tǒng)還能避免易燃液體管制的麻煩，例如FAA。迄今為止，這種反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣純度似乎能達(dá)到99%，研究人員還計(jì)劃采用質(zhì)譜分析以發(fā)現(xiàn)各種雜質(zhì)的精確含量。

    這些小球可被一個(gè)小的熱源點(diǎn)燃，然后依靠它們自己的熱量燃燒。實(shí)驗(yàn)表明6.7%的混合物轉(zhuǎn)化成氫，這意味著100克混合物將生成大約7克的氫。

     Shafirovich設(shè)想了一種只有信用卡大小的容器裝載該混合物粉末，這種容器可在需要時(shí)由一個(gè)控制系統(tǒng)激活以產(chǎn)生氫。該系統(tǒng)比基于流體的方案簡(jiǎn)單，比如基于甲醇的方法。他設(shè)想了一種用于筆記本電腦的燃料電池充電單元，當(dāng)電池電量變低時(shí)可被激活。

    在喬治亞理工學(xué)院，由Meilin Liu領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組發(fā)現(xiàn)一種叫做triazole的化學(xué)制品，它能代替PEM電池中的水。triazole的傳導(dǎo)率比聚合物膜高，而且能夠在高于水沸點(diǎn)的溫度工作。Liu樂觀地表示，新系統(tǒng)將通過免除供水系統(tǒng)而減小燃料電池設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，同時(shí)通過在更高的溫度下工作來提高電池效率。