鉅大LARGE | 點擊量：1341次 | 2018年08月17日
燃料電池和全釩液流電池在儲能領(lǐng)域的應(yīng)用前景光明
時間回溯到20世紀90年代初，由于全球石油資源供應(yīng)日趨緊張，國際社會重新掀起了燃料電池的研發(fā)熱潮，曾參加和領(lǐng)導(dǎo)我國航天飛船“曙光一號”主電源燃料電池研究工作的衣寶廉研究員敏銳地覺察到燃料電池全新的發(fā)展機會終于來了，他開始全力推進中國科學院重大任務(wù)和科技部“九五”攻關(guān)任務(wù)——燃料電池技術(shù)的啟動。20余年過去了，在衣院士的主持下，1996年，我國第一臺質(zhì)子交換膜燃料電池達到了國際同類產(chǎn)品的先進水平；2008年和2010年，具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的燃料電池汽車作為北京奧運會和上海世博會綠色運輸服務(wù)用車；如今，他又對全釩液流電池表現(xiàn)出了濃厚的興趣。帶著對燃料電池和全釩液流電池在儲能領(lǐng)域應(yīng)用前景的疑問我們采訪了這位年逾古稀卻精神矍鑠、充滿工作激情的學界老前輩。
記者：衣院士，您二十年如一日地研究燃料電池，請您介紹一下當初為什么選擇了這個研究方向？燃料電池有哪些優(yōu)缺點，我國目前的研究現(xiàn)狀如何，與國外相比還有哪些技術(shù)亟待突破？
衣院士：20世紀60年代末，國家航天計劃需要高比能量的燃料電池，我因為出身好，又是研究生，陪領(lǐng)導(dǎo)到北京承接了航天用燃料電池研究任務(wù)，盡管后來總?cè)蝿?wù)下馬，但我已進行近十年燃料電池的研究，堅信這一高效的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)對國家有用，就繼續(xù)進行研究。
燃料電池的突出優(yōu)點是能量轉(zhuǎn)化效率高（高達60%～70%），系統(tǒng)具有高的比能量，如采用液氫、液氧作燃料的堿性電池系統(tǒng)，比能量可達1kW/kg。我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的燃料電池車已成功在2008年北京奧運會、2010年上海世博會和美國加州示范運行，證明我國研發(fā)的車用燃料電池系統(tǒng)已達到世界先進水平；但電池的可靠性和耐久性與世界先進水平相比還有差距。我們要深入研究電池衰減機理，改進材料和部件的可靠性以及耐久性，優(yōu)化控制策略，力爭在可靠性和耐久性方面盡快趕上世界先進水平。同時應(yīng)協(xié)力攻關(guān)，大幅度降低電池貴金屬鉑的用量，早日實現(xiàn)燃料電池車的大規(guī)模示范運行。
記者：燃料電池的應(yīng)用領(lǐng)域有哪些？如果成本能夠下降，它是否能在儲能市場大展身手？降低成本的關(guān)鍵技術(shù)是什么？
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
衣院士：燃料電池由于成本高，首先在特種和特種領(lǐng)域成功獲得應(yīng)用，如美國的阿波羅登月，航天飛機和德國AIP-特種。在汽車和民用發(fā)電領(lǐng)域正在進行示范，但由于車用燃料電池鉑用量高達0.8g/kW，民用發(fā)電的MCFC（熔融碳酸鹽燃料電池）和PAFC（磷酸型燃料電池）的壽命達不到4萬小時，也僅能在特殊領(lǐng)域應(yīng)用。因此降低電池成本，特別是低溫質(zhì)子交換膜燃料電池的鉑用量，提高各種電池的可靠性和耐久性是研究的永恒課題。我建議依據(jù)不同的應(yīng)用要求，利用已有科研成果，開發(fā)廉價燃料電池。這種廉價燃料電池關(guān)鍵技術(shù)是非鉑電催化劑，采用廉價膜的膜電極三合一與廉價雙極板。
燃料電池進入儲能領(lǐng)域的技術(shù)難點：一是上述的高成本，二是由于氧電極的不可逆性，雖然燃料電池發(fā)電效率高達60%～70%，但總的儲能效率在40%～60%，降低了燃料電池用于儲能的競爭力。目前在這方面的研究熱點是利用SOFC（固體氧化物燃料電池）技術(shù)的高溫水電解和利用PEMFC（質(zhì)子交換膜燃料電池）的高壓水電解，目的均是提高系統(tǒng)的總效率。探索可逆氧電極和電催化劑是低溫燃料電池永恒的課題。
記者：衣院士，您除了研究燃料電池外還涉足了全釩液流電池領(lǐng)域，而全釩液流電池在儲能領(lǐng)域的示范項目已開展，請您談?wù)勊膽?yīng)用前景如何？與其它儲能技術(shù)相比有何優(yōu)劣？我國目前的研究如何？
衣院士：中國科學院大連化學物理研究所（簡稱大連化物所）對儲能一直十分關(guān)注。在燃料電池技術(shù)基礎(chǔ)上，我“七五”期間開展了Fe-Cr液流電池研究，組裝了1kW的電池系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)的主要問題有：隨循環(huán)次數(shù)增多，鉻電極極化增大，并出現(xiàn)鐵鉻互混現(xiàn)象。20世紀90年代中后期，我又安排博士后進行多硫化鈉-溴液流電池研究，盡管該電池國外已建設(shè)示范儲能電站，但物質(zhì)互混是影響電池發(fā)展的最大技術(shù)問題。同時，從日本引進的張華民研究員安排研究生開展全釩液流電池的研究，全釩液流電池的最大優(yōu)勢是不存在物質(zhì)互混，而電解液中釩價態(tài)的調(diào)控通過加入輔助電極很易實施。全釩液流電池電堆決定功率輸出，儲罐大小決定儲能量，二者可分開設(shè)計，有利于用戶選擇。又因為電堆的電解液腔室很小，儲存的氧化劑和還原劑有限，即使分離膜破碎，只要關(guān)閉電解液循環(huán)泵，就不會發(fā)生爆炸、著火等事故，即這種電池很安全。我認為液流電池在儲能領(lǐng)域大有用武之地，前景很好！在張華民研究員的帶領(lǐng)下，經(jīng)過十多年的拼搏，我國的液流電池技術(shù)已處于國際領(lǐng)先地位。
從儲能應(yīng)用來說，全釩液流電池與鋰離子二次電池相比，其最大優(yōu)點是安全，最大不足是效率比鋰離子二次電池低，系統(tǒng)復(fù)雜。因此，對液流電池，應(yīng)開發(fā)水平衡、價態(tài)調(diào)控等控制策略；采用模塊化、機電一體化，開發(fā)全塑料電解液循環(huán)泵等；提高電池系統(tǒng)的可靠性和耐久性；降低系統(tǒng)的漏電電流和電池極化，特別是采用電極-極板一體化來降低電池歐姆極化，提高電池和電池系統(tǒng)的效率，達到可與鋰離子二次電池比高下的狀態(tài)。
記者：衣院士，在資源與環(huán)境壓力日益增大的今天，儲能技術(shù)有何現(xiàn)實意義和重要性？國家、科研人員、產(chǎn)業(yè)界應(yīng)如何推動這一領(lǐng)域的技術(shù)進步與產(chǎn)業(yè)繁榮？
衣院士：儲能在發(fā)展風能、太陽能與提高電網(wǎng)的安全性方面均有重要作用。在應(yīng)對環(huán)境污染、提高可再生能源利用比例、減少中心城市的用煤量、治理霧霾等領(lǐng)域均能發(fā)揮重要作用。國家應(yīng)大力支持儲能電池的發(fā)展，特別要提高儲能用鋰離子電池的安全性，提高全釩液流電池的可靠性、耐久性和總效率的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究。研究建議按官、產(chǎn)、學、研相結(jié)合的促進方式進行，利于企業(yè)界進入這一有前途、利國利民的行業(yè)。
人物簡介
衣寶廉，中國科學院大連化學物理研究所研究員，大連新源動力股份有限公司名譽董事長，“十五”、“十一五”國家“863”《電動汽車重大專項》專家組成員和燃料電池發(fā)動機責任專家。2003年當選為中國工程院院士。
衣寶廉院士主要從事化學能與電能的相互轉(zhuǎn)化及其相關(guān)領(lǐng)域的研究與開發(fā)。20世紀70年代參加并領(lǐng)導(dǎo)了航天堿性燃料電池系統(tǒng)的研究；80年代將燃料電池技術(shù)應(yīng)用于水溶液電解工業(yè)節(jié)能和電化學傳感器；90年代作為科技部“九五”攻關(guān)和中科院重大項目“燃料電池技術(shù)”的負責人，組織領(lǐng)導(dǎo)了質(zhì)子交換膜燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池的研究，在質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)方面取得突破性進展并形成自主知識產(chǎn)權(quán)；積極推動大連化物所與國內(nèi)企業(yè)聯(lián)合成立了新源動力股份有限公司，開發(fā)批量生產(chǎn)技術(shù)并開拓市場；“十五”期間與燃料電池工程中心和新源動力股份有限公司的領(lǐng)導(dǎo)一起，組織進行30～100kW車用燃料電池發(fā)動機的研制。
衣寶廉院士先后獲得國家和省部級獎7項，專利22件，在國內(nèi)外學術(shù)刊物發(fā)表論文124篇。撰寫出版了燃料電池專著《燃料電池——原理、技術(shù)與應(yīng)用》。先后培養(yǎng)了博士后、博士和碩士40名。
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