燃料电池和全钒液流电池在储能领域的应用前景光明

时间回溯到20世纪90年代初，由于全球石油资源供应日趋紧张，国际社会重新掀起了燃料电池的研发热潮，曾参加和领导我国航天飞船“曙光一号”主电源燃料电池研究工作的衣宝廉研究员敏锐地觉察到燃料电池全新的发展机会终于来了，他开始全力推进中国科学院重大任务和科技部“九五”攻关任务——燃料电池技术的启动。20余年过去了，在衣院士的主持下，1996年，我国第一台质子交换膜燃料电池达到了国际同类产品的先进水平；2008年和2010年，具有我国自主知识产权的燃料电池汽车作为北京奥运会和上海世博会绿色运输服务用车；如今，他又对全钒液流电池表现出了浓厚的兴趣。带着对燃料电池和全钒液流电池在储能领域应用前景的疑问我们采访了这位年逾古稀却精神矍铄、充满工作激情的学界老前辈。

记者：衣院士，您二十年如一日地研究燃料电池，请您介绍一下当初为什么选择了这个研究方向？燃料电池有哪些优缺点，我国目前的研究现状如何，与国外相比还有哪些技术亟待突破？

衣院士：20世纪60年代末，国家航天计划需要高比能量的燃料电池，我因为出身好，又是研究生，陪领导到北京承接了航天用燃料电池研究任务，尽管后来总任务下马，但我已进行近十年燃料电池的研究，坚信这一高效的能量转换技术对国家有用，就继续进行研究。

燃料电池的突出优点是能量转化效率高（高达60%～70%），系统具有高的比能量，如采用液氢、液氧作燃料的碱性电池系统，比能量可达1kW/kg。我国具有自主知识产权的燃料电池车已成功在2008年北京奥运会、2010年上海世博会和美国加州示范运行，证明我国研发的车用燃料电池系统已达到世界先进水平；但电池的可靠性和耐久性与世界先进水平相比还有差距。我们要深入研究电池衰减机理，改进材料和部件的可靠性以及耐久性，优化控制策略，力争在可靠性和耐久性方面尽快赶上世界先进水平。同时应协力攻关，大幅度降低电池贵金属铂的用量，早日实现燃料电池车的大规模示范运行。

记者：燃料电池的应用领域有哪些？如果成本能够下降，它是否能在储能市场大展身手？降低成本的关键技术是什么？

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衣院士：燃料电池由于成本高，首先在特种和特种领域成功获得应用，如美国的阿波罗登月，航天飞机和德国AIP-特种。在汽车和民用发电领域正在进行示范，但由于车用燃料电池铂用量高达0.8g/kW，民用发电的MCFC（熔融碳酸盐燃料电池）和PAFC（磷酸型燃料电池）的寿命达不到4万小时，也仅能在特殊领域应用。因此降低电池成本，特别是低温质子交换膜燃料电池的铂用量，提高各种电池的可靠性和耐久性是研究的永恒课题。我建议依据不同的应用要求，利用已有科研成果，开发廉价燃料电池。这种廉价燃料电池关键技术是非铂电催化剂，采用廉价膜的膜电极三合一与廉价双极板。

燃料电池进入储能领域的技术难点：一是上述的高成本，二是由于氧电极的不可逆性，虽然燃料电池发电效率高达60%～70%，但总的储能效率在40%～60%，降低了燃料电池用于储能的竞争力。目前在这方面的研究热点是利用SOFC（固体氧化物燃料电池）技术的高温水电解和利用PEMFC（质子交换膜燃料电池）的高压水电解，目的均是提高系统的总效率。探索可逆氧电极和电催化剂是低温燃料电池永恒的课题。

记者：衣院士，您除了研究燃料电池外还涉足了全钒液流电池领域，而全钒液流电池在储能领域的示范项目已开展，请您谈谈它的应用前景如何？与其它储能技术相比有何优劣？我国目前的研究如何？

衣院士：中国科学院大连化学物理研究所（简称大连化物所）对储能一直十分关注。在燃料电池技术基础上，我“七五”期间开展了Fe-Cr液流电池研究，组装了1kW的电池系统，发现的主要问题有：随循环次数增多，铬电极极化增大，并出现铁铬互混现象。20世纪90年代中后期，我又安排博士后进行多硫化钠-溴液流电池研究，尽管该电池国外已建设示范储能电站，但物质互混是影响电池发展的最大技术问题。同时，从日本引进的张华民研究员安排研究生开展全钒液流电池的研究，全钒液流电池的最大优势是不存在物质互混，而电解液中钒价态的调控通过加入辅助电极很易实施。全钒液流电池电堆决定功率输出，储罐大小决定储能量，二者可分开设计，有利于用户选择。又因为电堆的电解液腔室很小，储存的氧化剂和还原剂有限，即使分离膜破碎，只要关闭电解液循环泵，就不会发生爆炸、着火等事故，即这种电池很安全。我认为液流电池在储能领域大有用武之地，前景很好！在张华民研究员的带领下，经过十多年的拼搏，我国的液流电池技术已处于国际领先地位。

从储能应用来说，全钒液流电池与锂离子二次电池相比，其最大优点是安全，最大不足是效率比锂离子二次电池低，系统复杂。因此，对液流电池，应开发水平衡、价态调控等控制策略；采用模块化、机电一体化，开发全塑料电解液循环泵等；提高电池系统的可靠性和耐久性；降低系统的漏电电流和电池极化，特别是采用电极-极板一体化来降低电池欧姆极化，提高电池和电池系统的效率，达到可与锂离子二次电池比高下的状态。

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记者：衣院士，在资源与环境压力日益增大的今天，储能技术有何现实意义和重要性？国家、科研人员、产业界应如何推动这一领域的技术进步与产业繁荣？

衣院士：储能在发展风能、太阳能与提高电网的安全性方面均有重要作用。在应对环境污染、提高可再生能源利用比例、减少中心城市的用煤量、治理雾霾等领域均能发挥重要作用。国家应大力支持储能电池的发展，特别要提高储能用锂离子电池的安全性，提高全钒液流电池的可靠性、耐久性和总效率的基础与应用研究。研究建议按官、产、学、研相结合的促进方式进行，利于企业界进入这一有前途、利国利民的行业。