【新材料●新能源●低碳环保】 2018 第十一期 李克强总理在日本看到的这款丰田Mirai 到底有多猛？清华联合科技企业攻克燃料电池催化剂产业化生产难题 打破国外垄断；简单方程指导清洁能源催化剂的制备

【新材料●新能源●低碳环保】 2018 第十一期 李克强总理在日本看到的这款丰田Mirai 到底有多猛？清华联合科技企业攻克燃料电池催化剂产业化生产难题 打破国外垄断；简单方程指导清洁能源催化剂的制备，并大大降低催化剂的成本

2018-05-21 张江发展战略研究院

采编 | Paul

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上海人大人科学发展研究院）

业界风云

李克强总理在日本看到的这款丰田Mirai 到底有多猛？

来源：产业互联网|

5月11日，李克强总理参观了位于北海道的日本丰田汽车旗下工厂。当看到某款新能源汽车时，李克强总理脸色凝重。

这是什么车？为什么李克强总理如此严肃？

李克强总理看的这款车，就是丰田汽车的氢燃料电池轿车Mirai（日文“未来”之意）。

“Mirai”是丰田首款量产的氢燃料电池车。如其名，Mirai被丰田汽车视为“未来之车”。

Mirai在行驶过程中不加油、不充电、不排放尾气，唯一排放的废物是纯净水！

Mirai代表着未来，一个真正节能而环保的汽车时代。

那么这一切都是如何实现的呢？

Mirai的工作原理，通过电解水制氢，再把氢气加入车内发生化学反应驱动电机为车提供动力。

技术将梦想变成现实

“燃料电池”这四个字想必大家或多或少都听说过，因为这是全世界科学家研究了数十年的技术，始终没有取得重大的技术突破，至少是没有谁能够拿得出成本适合消费级市场的成熟技术。

而在四年以前，丰田就已放出豪言说已经在燃料电池领域取得了技术突破，可以使车用燃料电池的成本从100万美元降到5万美元，降幅高达95%！不到一年，丰田便用Mirai兑现了豪言。这是首次投放市场的量产燃料电池车。

宇宙黑科技的由来

丰田Mirai的结构与传统的汽油车或者纯电动车都不一样，如果硬要找出一个类似的结构，可能丰田最畅销的普锐斯跟Mirai会有着一点点相似的结构吧。

Mirai的动力系统被称作TFSC（Toyota FC Stack），即丰田燃料电池堆栈，是以燃料电池堆栈为核心组件的混合动力系统。TFSC没有传统的汽油发动机，也没有变速器，发动机舱内部是电动机和电动机的控制单元。

在驾驶舱底部布置着的燃料电池堆栈是整套系统的核心，本文也将着重点笔墨来对其做出解析。在车身后桥部分放置着一个镍氢动力电池组和前后两个高压储氢罐，没错，没有油箱和大面积的锂离子电池，Mirai唯一需要消耗的“燃料”就是氢气，不用加油也不用充电，加满5公斤氢气就可以连续跑上650公里！

而为什么要在题目中说燃料电池是“宇宙黑科技”呢？那是因为氢元素是宇宙中最丰富的成分，氢元素在地球上储量也是最丰富的，而氢气在燃料电池中跟空气中的氧气结合，排出的唯一“废物”是纯净水！所以氢燃料电池一直被认为是“外星科技”，是最适合宇宙空间站或者宇宙探测器使用的备用能源之一。

燃料电池工作原理

虽然燃料电池名字里面有“燃料”字样，同时氢气也能够跟氧气在一起剧烈燃烧，但在燃料电池却不是利用燃烧来获取能量，而是利用氢气跟氧气化学反应过程中的电荷转移来形成电流的，这一过程最关键的技术就是利用特殊的“电解质薄膜”将氢气拆分，整个过程可以理解成蚊子无法穿过纱窗，但是更小的灰尘却可以……电解质薄膜也是燃料电池领域最难被攻克的技术壁垒。

因为氢分子体积小，可以透过薄膜的微小孔洞游离到对面去，但是在穿越孔洞的过程中，电子被从分子上剥离，只留下带正电的氢质子通过，氢质子被吸引到薄膜另一侧的电极与氧分子结合。电解质薄膜两侧的电极板将氢气拆分成氢离子（正电）和电子、将氧气拆分成氧离子（负电）和电子，电子在电极板之间形成电流，两个氢离子和一个氧离子结合成为纯水，是反应的废物。所以本质来讲，整个运行过程就是发电过程。因此Mirai是纯电动车，燃料电池堆栈代替的就是厚重且充电效率低下的锂离子电池组。

丰田Mirai搭载的燃料电池堆栈是由370片薄片燃料电池组成的，因此被称为“堆栈”，一共可以输出114千瓦的发电功率。此前我们也分析了大众集团的燃料电池技术，结构基本类似。丰田的燃料电池堆栈经历了十几年的技术优化，形成了自己的特色结构，比如3D立体微流道技术，通过更好地排出副产物水，让更多空气流入，有效改善了发电效率。所以整个堆栈的发电效率达到了世界先进水平，达到了3.1千瓦/升，比2008年丰田的技术整整提升了2.2倍。

由于燃料电池堆栈中每片电池发电的电压大约在0.6V-0.8V之间，整体也不会超过300V电压，所以为了更好驱动电动机，还需要安装一个升压器，将电压提升到650V。

700个大气压下储存氢气

了解氢气物理特性的人都清楚，氢气跟汽油不同，常温下氢气是气体，密度非常低并且非常难液化，常温下更是无法液化，所以氢气要安全储藏和运输并不容易。所以氢气无法像汽油那样直接注入普通油箱里。丰田设计了一大一小两个储氢罐，通过高压的方式尽可能多充入一些氢气。以目前的主流储存技术，丰田选用了700Mpa也就是700个大气压的高压储气罐，类似我们常见的“煤气罐”，只不过罐体更厚重。两个储氢罐一共的容量是122.4升，采用700个大气压储存，也只能容纳约5公斤的氢气。所以实际上燃料的重量并不大，反而储氢罐特别笨重。

为了在承受700个大气压的前提下仍旧保持行驶安全性，我们可都不希望坐在两个炸弹上面开车吧？所以储氢罐被设计成四层结构，铝合金的罐体内部衬有塑料内胆，外面包裹一层碳纤维强化塑料的保护层，保护层外侧再增加一层玻璃纤维材料的减震保护层，并且每一层的纤维纹路都根据所处罐身位置不同而做了额外的优化，使纤维顺着压力分布的方向，提升保护层的效果。

燃料电池堆栈+镍氢电池混合动力

直接驱动Mirai车轮的电动机功率是113千瓦，峰值扭矩335牛米，基本相当于一辆2.0升自然吸气家轿的动力水平。除了燃料电池堆栈发电之外，Mirai后轴上方布置的1.6千瓦时的镍氢电池组也有着非常重要的作用——动力电池+储能电池。这个电池组基本上跟凯美瑞混动的电池完全一样，在整车负载低的时候可以单独用它供电带动车辆前进，与此同时燃料电池堆栈发出来的电可以给电池充电，用镍氢电池充当一个“缓存”；

当车辆有更大的动力需求的时候，镍氢电池组很快就会耗光，所以这时候燃料电池堆栈就直接向电动机输电，跟镍氢电池组实现双重供电来满足需求；当车辆减速行驶的时候，电动机转化为发电机来回收动能，电量直接输送到镍氢电池组内储存起来。

小结：

纵观氢燃料电池整个运行过程中，除了消耗氢气和空气之外，没有其他的能源消耗，没有加油也没有充电。相比纯电动车而言，目前充电最快的特斯拉Model S的超级充电站也需要1.25小时才能充满电量。氢气加注的速度则更快，仅需3分钟即可充满两个储氢罐，并且超过600公里的续航里程甚至比普通汽油车更优越。

虽然现在加氢站还是极度罕见，但是普通加油站改造成加氢站的成本要远低于改造成快速充电站的成本。因此我们可以预计，如果燃料电池车能在成本控制上取得突破，实际上市场空间会比纯电动车更大。

业界风云

技术洞察

清华联合科技企业攻克燃料电池催化剂产业化生产难题 打破国外垄断

记者从清华大学核能与新能源技术研究院新型能源及材料化学研究室获悉，燃料电池关键材料催化剂产业化生产难题，已被清华大学氢燃料电池实验室与武汉一家科技公司的联合研发团队攻克。目前，该催化剂获得17项专利，产能达到每天1200克，且价格仅为进口产品一半。

催化剂作为燃料电池核心材料，其综合性能与国产化直接关系到我国燃料电池技术的核心竞争力及其产业化前景。但相关知识产权一直掌握在西方少数发达国家手中，催化剂核心材料长期依赖进口的高成本现状，制约了我国氢能产业的自主发展。

2015年，清华大学与武汉喜玛拉雅光电科技股份有限公司开展校企深度合作，联合利用清华大学催化剂制备工艺开展Pt/C 催化剂的量产技术攻关。目前，催化剂产能达到1200克/天的规模，可满足40台36kW燃料电池电堆使用，并具备大规模工业化生产条件。该系列成果彻底打破少数国家对该技术的长期垄断，且价格仅为同类进口产品一半。

催化剂系列化产品已应用在中科院、高校和多家燃料电池公司的燃料电池电堆中。今年底，采用该催化剂生产的氢燃料电池可达1000台。

攻关团队带头人、清华大学氢燃料电池实验室主任王诚表示，下一步团队将继续提升催化剂的各项指标，提高对硫化物、氮化物等杂质的耐受性，为我国燃料电池国产化不断注入强大动力。

简单方程指导清洁能源催化剂的制备，并大大降低催化剂的成本

来源：材料科技在线|

摘要：新的研究方案可以设计成本更低，效率更高的催化剂，以加速氢气生产作为可再生燃料。结合公式，该团队发现了几个原子框架组合，其性能可与贵金属催化剂-铂金，金，铱等相媲美，但其成本仅为贵金属的千分之几。

图片来源：内布拉斯加大学林肯分校

内布拉斯加州和中国研究人员确立的研究方案表明，他们将设计成本更低，效率更高的催化剂，以加速氢气生产作为可再生燃料。

来自于内布拉斯加州的曾晓成和他的同事们发现了几个对单原子催化剂的性能至关重要但却易忽略的因素：单个原子，通常是金属的，通过周围的分子骨架锚定，能够启动并加速化学反应。





研究团队将这些变量演变成一个简单的等式，需要进行曾所说的“信封式的计算”。研究人员通过该方程预测原子及其周围材料的性能，选择合适的催化剂。在这之前，研究人员要找到一个极具前景的单原子催化剂通常要花费大量的时间，以及实验失败后重复无数遍。




“所有这些（相关的）信息都可以很容易地从教科书中获得。”曾说。“甚至在做实验之前，你也可以很快地看出这是否是制造催化剂的好方法，我们正在简化程序。”





利用这个方程式，研究小组发现了几个原子框架组合，它们近似于贵金属催化剂—铂、金、铱的性能，只需花费成本的千分之一。其中一个用铂原子代替锰，另一个用钴代替铱。





“有两种（主要）方法来降低这些催化剂的价格。”曾说。“一种是尽可能少地使用合金，因此单原子催化剂是最便宜的。另一个方向是寻找替代贵金属的材料，如铁、铝或锌，这些金属非常便宜。”





该小组的原子框架组合可以将水分解为两个组成部分：一个氧原子和两个氢原子，后者可作为车辆和其他应用的绿色燃料。另外两个候选催化剂帮助氧原子吸收更多的电子，使它们与带正电的氢原子结合，形成水，这正是氢燃料电池所需要的副产物。

“目前，这还不是最流行的制氢方式。”曾说。“这个行业仍继续使用化石燃料来生产氢气。所以，我们的动机是：降低成本，使所有这些清洁的，产生燃料的反应变得可行。”

调研报告

研究人员发现，该变单原子催化剂的原子数，可改变其催化化学反应的方式。在某些情况下，催化原子可以附着在其他三个或四个原子上，每个原子本身就是一个五原子或六个原子环的一部分。这个网络中的每一个原子对电子也有一个已知的吸引力，这种吸引力的强度进一步影响催化性能。





曾说，相邻原子的排列和性质也很重要，就像一条进攻线对于一个传球的四分卫很重要。他说，该小组的新公式可以作为研究人员的调研报告，研究人员希望在今后的研究中可以扬长避短。





曾和他的同事认为，该研究所涉及到20多个所谓的过渡金属，在催化反应中通常达不到贵金属的催化性能，何谈取代了。但研究小组表明，只要在合适的环境对钴、铁或其他原子进行包围，如由碳原子构成的蜂窝状石墨烯，或者由氮原子构成的网络，可以提高其性能。





“每一条进攻线都不一样，”曾说。“你如何使四分卫发挥他们的作用？你如何在进攻组中找到最好的四分卫？如果你有一个二星级的四分卫，你需要确定一个更好的进攻线。即使是后备四分卫也能做到很好地进攻。”

曾与北京化工大学的同事共同完成了这项研究。这项研究发表在《自然催化》杂志上，并在美国化学学会出版的《化学与工程新闻》杂志上得到了突出报道。

文章来自sciencedaily，原文题目为Simple equation directs creation of clean-energy catalysts，由材料科技在线团队整理。

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