2020年1月10-12日，以"把握形勢聚焦轉型引領創新"為(wei) 主題,由中國電動汽車百人會(hui) 精心策劃第六屆年度論壇--中國電動汽車百人會(hui) 論壇(2020)在北京釣魚台國賓館正式召開，會(hui) 議繼續秉持"傳(chuan) 遞權威信息、廣泛展開討論、促進溝通合作"的目標，試圖幫助業(ye) 界人士梳理分析產(chan) 業(ye) 形勢，探討及回應產(chan) 業(ye) 關(guan) 切的問題，尋找今後3-5年產(chan) 業(ye) 調整的方向及路徑。

　　論壇現場，南方科技大學教授、加拿大工程院院士王海江發表了主題演講。

　　以下為(wei) 王海江院士的演講實錄：

南方科技大學教授、加拿大工程院院士王海江

　　尊敬的各位領導，各位專(zhuan) 家，各位嘉賓，我是來自南方科技大學的教授王海江。剛才潘牧教授跟大家講了整個(ge) 可再生能源發展的一些情況，在整個(ge) 可再生能源裏麵，它有很多細小的技術問題是需要我們(men) 來解決(jue) 的。今天我的講座要聚焦到非常小的一個(ge) 方麵，就是質子交換膜燃料電池裏麵的一個(ge) 核心材料氣體(ti) 擴散層方麵的情況。

　　要實現我們(men) 國家燃料電池技術規模化的生產(chan) ，我們(men) 就需要解決(jue) 燃料電池裏麵核心材料這樣一個(ge) 問題。氣體(ti) 擴散層就是燃料電池電堆裏麵的一個(ge) 核心材料，目前我們(men) 國家還是主要依靠進口來解決(jue) 氣體(ti) 擴散層這樣一個(ge) 材料問題。氣體(ti) 擴散層總體(ti) 來說，也是我們(men) 燃料電池技術發展裏麵一個(ge) 卡脖子技術。我們(men) 必須要解決(jue) 這樣一個(ge) 技術，南方科技大學氫能與(yu) 燃料電池研究團隊不辱使命，在過去兩(liang) 年多的發展裏麵，優(you) 化了燃料電池氣體(ti) 擴散層的結構，開發了氣體(ti) 擴散層的生產(chan) 工藝，也實現了氣體(ti) 擴散層小批量生產(chan) 。感謝電動汽車百人會(hui) 給我這個(ge) 機會(hui) ，今天有機會(hui) 向各位領導、各位專(zhuan) 家就南方科技大學氣體(ti) 擴散層方麵的研究情況給大家做一個(ge) 匯報。

　　首先從(cong) 燃料電池單電池的結構開始，燃料電池電堆是由很多單電池串聯組成的。對燃料電池的單電池有一個(ge) 七層的結構，中間是質子交換膜，質子交換膜的兩(liang) 側(ce) 是催化層，催化層的兩(liang) 側(ce) 是有兩(liang) 片氣體(ti) 擴散層，再加上雙極板就構成了燃料電池單電池這樣一個(ge) 結構。可以看到一個(ge) 燃料電池單電池需要兩(liang) 片氣體(ti) 擴散層，雖然目前市場上氣體(ti) 擴散層的價(jia) 格比質子交換膜要便宜一些，但是它的用量比較大，需要兩(liang) 片，所以它對燃料電池的價(jia) 格有非常大的影響。這個(ge) 圖裏麵可以看到，美國能源部按照現有的燃料電池技術所做的一些計算。可以看到紫色的是氣體(ti) 擴散層在燃料電池電堆裏麵價(jia) 格的分布，在小批量的時候，基本上價(jia) 格占到21%，比質子交換膜還要貴一些。隨著量的增加，氣體(ti) 擴散層的價(jia) 格占比會(hui) 減少一些，但即使到批量化的生產(chan) ，它也占有一定的比例。當規模達到50萬(wan) 輛的時候，它還有6%的價(jia) 格比例，所以氣體(ti) 擴散層對燃料電池的價(jia) 格有非常大的影響。氣體(ti) 擴散層影響到燃料電池裏麵的傳(chuan) 質、傳(chuan) 熱以及歐姆電阻，因為(wei) 它對水管理有非常大的作用，它間接的影響到燃料電池裏麵的動力學。因為(wei) 它影響燃料電池的性能，所以間接影響到燃料電池的成本。尤其是我們(men) 現在燃料電池技術發展是朝著高電流操作這樣一個(ge) 方向來發展，高電流操作的時候，傳(chuan) 質就非常重要。這個(ge) 圖裏麵可以看到，好的氣體(ti) 擴散層和壞的氣體(ti) 擴散層對燃料電池的性能有非常大的影響。如果你不能提高操作電流，因為(wei) 氣體(ti) 擴散層的問題很難進一步降低燃料電池的成本。

　　如何有一個(ge) 好的氣體(ti) 擴散層的材料?首先要分析一下它在燃料電池裏麵所起的作用。首先第一個(ge) 作用是傳(chuan) 質的作用，它要把我們(men) 的氣體(ti) 均勻的擴散到催化劑上進行反應，同時要把這個(ge) 產(chan) 物這個(ge) 水能夠帶出來，這是它的第一個(ge) 作用。同時，燃料電池裏麵反應產(chan) 生的熱量也要通過氣體(ti) 擴散層帶出去。另外所產(chan) 生的電流也要通過氣體(ti) 擴散層導到外麵的電路，傳(chuan) 質、傳(chuan) 熱、導電是氣體(ti) 擴散層在燃料電池裏麵主要的功能。同時它需要有一定的機械強度來支撐我們(men) 膜電極，膜電極比如是CCM機械強度不夠，需要有一個(ge) 支撐，這個(ge) 是氣體(ti) 擴散層四個(ge) 功能。因為(wei) 有這樣一個(ge) 功能的要求，所以我們(men) 對氣體(ti) 擴散層的材料選擇也是有一定的要求。首先它必須是多孔的介質，需要良好的導熱性，有良好的導電性，同時有一定的機械強度。另外因為(wei) 它在燃料電池裏麵工作，所以它需要有良好的化學穩定性。正因為(wei) 有這樣一個(ge) 要求，所以氣體(ti) 擴散層的選擇並不是很多。早期的時候有些人用金屬網或者金屬泡沫來做氣體(ti) 擴散層，因為(wei) 它的化學穩定性不高，所以後來基本上氣體(ti) 擴散層材料的選擇隻有兩(liang) 種，要麽(me) 就是碳布，要麽(me) 是碳紙，碳布的機械強度不是特別高，所以後來基本上所有的公司都是用碳紙作為(wei) 氣體(ti) 擴散層。

　　現在材料基本上定下來了，材料的結構對我們(men) 氣體(ti) 擴散層的性能有非常大的影響。如何去解決(jue) 氣體(ti) 擴散層結構的問題?我們(men) 團隊首先在模擬計算這方麵，多孔介質兩(liang) 相流動等等，我們(men) 用模擬方法來優(you) 化它的結構。我們(men) 用一些現有的氣體(ti) 擴散層，用CT掃描的方法，得到它的結構，再把它的這個(ge) 結構放在計算機裏麵進行兩(liang) 相模擬，來優(you) 化這個(ge) 氣體(ti) 擴散層的結構。有了這個(ge) 模擬以後，我們(men) 還需要用試驗來測量氣體(ti) 擴散層它的一些性能。氣體(ti) 擴散層最主要是氣體(ti) 要從(cong) 它裏麵走，氣體(ti) 在多孔介質裏麵的擴散係數是決(jue) 定在燃料電池裏麵性能一個(ge) 關(guan) 鍵的指標。我們(men) 這裏麵用了一個(ge) 做擴散係數的測量，有兩(liang) 個(ge) 腔體(ti) ，一個(ge) 腔體(ti) 裏麵放上氮氣，一個(ge) 腔體(ti) 裏麵放上氧氣，中間有一個(ge) 球閥，等球閥打開的時候，氧氣就會(hui) 通過我的樣品走到另外一個(ge) 腔體(ti) 裏麵，模擬另外一個(ge) 腔體(ti) 裏麵氧氣的濃度，就可以計算出來氧氣在多孔介質裏麵的擴散係數。有了擴散係數的測量，我測量不同結構的樣品，就能優(you) 化氣體(ti) 擴散層結構的性能。

　　另外一個(ge) 研究就是我們(men) 氣體(ti) 擴散層裏麵水管理的研究，這裏我們(men) 用了一個(ge) 非常簡單的方法，我們(men) 用一個(ge) 類似於(yu) 單電池的測試，但是這個(ge) 單電池裏麵我們(men) 沒有放一個(ge) 正常的MEA，而是放了氣體(ti) 擴散層的樣品和一個(ge) 質子交換膜，陽極這一側(ce) 是水在裏麵流動，這個(ge) 膜永遠是完全潤濕的。陰極這一側(ce) 按照不同的空氣流量，在不同的空氣流量下麵來測量水從(cong) 這裏麵走出來的速度，這樣就得到水穿過氣體(ti) 擴散層的速度與(yu) 空氣流量之間的關(guan) 係。得到右下角這樣一個(ge) 圖，從(cong) 這個(ge) 圖裏可以看到燃料電池裏麵水平衡的情況。在紅色的虛線上麵，水流過氣體(ti) 擴散層的速度特別大，就造成了燃料電池裏麵膜容易幹的這種現象。在虛線的下側(ce) ，水走的速度比較小，這樣的情況造成水淹的情況，有了這樣一個(ge) 測量以後，我們(men) 就可以計算出來什麽(me) 樣的氣體(ti) 擴散層在燃料電池裏麵的水管理是最為(wei) 有效的。

　　我們(men) 有了這樣一些研究之後，就可以確定氣體(ti) 擴散層的結構，然後進一步來開發氣體(ti) 擴散層它的工藝。氣體(ti) 擴散層生產(chan) ，把南方科技大學的研究成果放到一個(ge) 產(chan) 業(ye) 化公司裏麵來實施。在過去幾年裏麵，我們(men) 通過南方科技大學的研究平台，創立了三個(ge) 燃料電池產(chan) 業(ye) 化平台，其中一個(ge) 就是通用氫能。氣體(ti) 擴散層的生產(chan) 就是通過我們(men) 通用氫能公司來實現。在過去一年多的時間，通用氫能公司開發出來氣體(ti) 擴散層的生產(chan) 線，目前產(chan) 能一般情況下是10萬(wan) 平米，如果說三班倒的話，可以做到年產(chan) 30萬(wan) 平米氣體(ti) 擴散層的生產(chan) 能力。中間上麵這個(ge) 表是我們(men) 氣體(ti) 擴散層的一些性能指標，這個(ge) 指標和國外商業(ye) 化的氣體(ti) 擴散層基本是非常類似的。下麵這個(ge) 圖是氣體(ti) 擴散層在燃料電池裏麵它的性能表現，可以看到我們(men) 的氣體(ti) 擴散層和國外的氣體(ti) 擴散層的性能基本上是一樣的。這個(ge) 曲線裏麵有一個(ge) 特點，兩(liang) 個(ge) 安培的時候，仍然沒有看到有傳(chuan) 質控製這樣一種現象，所以它的好處，放在燃料電池電堆裏麵，如果操作點為(wei) 1A/cm2的情況下，可以過載100%都沒有問題。這個(ge) 就是我們(men) 氣體(ti) 擴散層的特點，現在生產(chan) 能力基本上就是每年10萬(wan) -30萬(wan) 平米這樣一個(ge) 產(chan) 能。如果有需要氣體(ti) 擴散層的公司，可以和我們(men) 聯係，這個(ge) 就是我今天向各位領導匯報的全部內(nei) 容。謝謝大家!