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中外科學家發現石墨烯類膜新特性 有望推動燃料電池革命性進步

一項由中外科學家聯合取得的新成果登上《自然》網站首頁頭條：石墨烯、氮化硼等二維納米材料具有只容質子穿透的特性，因而有望取代制作燃料電池的核心部件“質子傳導膜”的現有材料，推動燃料電池的革命性進步。

該成果由中國科學技術大學吳恒安教授、王奉超特任副研究員與諾貝爾物理獎得主、英國曼徹斯特大學安德烈·海姆教授課題組及荷蘭內梅亨大學研究人員合作完成，相關論文在國際頂尖學術期刊《自然》在線發表。

燃料電池是將燃料具有的化學能直接轉變為電能的發電裝置，具有能量轉化效率高、無需耗費充電時間、零排放無污染等諸多優點，應用前景非常廣闊。然而，燃料電池中的核心部件質子傳導膜存在的燃料滲透等缺陷，使其大規模應用受到很大限制。

據吳恒安教授介紹，石墨烯是一種由碳原子按照六角蜂巢晶格排列而成的單層網狀二維材料，二維氮化硼納米材料也具有跟石墨烯相似的六角網狀結構。傳統觀點認為，任何氣體分子或流體分子，哪怕是最小的氫原子，都無法穿透沒有缺陷的完美石墨烯片層。此次的研究則表明：質子可以較為容易地穿越石墨烯和氮化硼等二維材料；如果升高溫度或加入催化劑，穿透過程會明顯加快；而且，除了質子，其他物質都不能穿越石墨烯和氮化硼等二維材料。

據王奉超副研究員介紹，基于此項研究成果，可采用石墨烯和氮化硼等單原子層二維材料作為質子傳導膜，這將使燃料電池更高效、更安全、更環保、更輕薄，其應用領域會極大拓展、應用步伐會明顯加快。同時，該成果也將極大地促進氫相關技術的研究。

該論文發表后，《自然》網站以首頁頭條形式第一時間進行了報道，同期的《自然新聞視點》欄目也對該成果進行了重點評論和展望。麻省理工學院的Karnik 教授在評論中指出，質子傳導膜是燃料電池的核心所在，本項研究取得的突破性進展在理論上已經達到美國能源部設定的2020年質子傳導膜輸運性能目標。

歐洲客車制造商承諾推進燃料電池客車商業化

日前，燃料電池和氫國際合作伙伴計劃（FCH JU）利益相關者論壇在布魯塞爾舉行，戴姆勒（DaimLer）、曼（MAN）、索拉瑞斯（Solaris)、范胡爾（Van Hool）、VDL 等五家歐洲主流客車制造商共同簽署諒解備忘錄，承諾大力推進城市公交系統燃料電池客車的商業化和市場推廣。

戴姆勒客車產品設計經理Gustav Tuschen 表示：“燃料電池和氫技術是我們乘用車和城市公交車單元重要的戰略發展領域之一。”

簽署備忘錄的制造商均表示，燃料電池客車具備較長的續航里程和較短的補給時間，所以與傳統柴油客車相比具備相同的運營靈活性，同時還具備電動汽車所有的優點，如零尾氣排放、大幅度降低的噪音和震動以及由此帶來的高舒適性。“模塊化和降低零排放公交運營方總成本將是VDL 未來幾年的主要發展戰略。”VDL 總經理 Remi Henkemans 表示。

該備忘錄已遞交德國漢堡市長Olaf Scholz 和英國倫敦市長Kit Malthouse，這兩個城市是歐洲推廣低排放交通系統的領先城市。

由FCH JU 提出的促進燃料電池客車商業化的倡議，在協議簽署方和歐洲主要城市公交運營商的支持下，定下的目標是到2020年在歐洲共運營500～1000 輛燃料電池客車。

大眾汽車著手研究第五代燃料電池技術預計2015年年底成熟

日前，德國大眾集團在洛杉磯車展上推出了3 款氫燃料電池汽車，分別為：奧迪A7Sportbackh-tron quattro，高爾夫Sportwagen Hy Motion 以及帕薩特 Hy-Motion 車型。

這3 款燃料電池車型均采用了大眾自主研發的第四代燃料電池組，該燃料電池組采用100 千瓦低溫質子交換膜燃料電池，該電池是由大眾集團電力牽引技術中心的大眾集團研究院研發完成的。來自奧迪汽車公司的技術發展管理委員會成員烏爾里希·哈肯伯格博士在洛杉磯車展上的一個燃料電池技術研討會上對外表示，大眾集團已經開始著手研究第五代燃料電池技術，預計新技術將于2015年年底成熟。

繼承模塊化風格

從外觀上來看，大眾集團推出的以上幾款燃料電池汽車所采用的零部件基本上直接來自于各自的量產車型。這也反映了大眾集團為同一款車型開發不同動力配置從而不斷豐富產品線為消費者提供更加多樣的產品選擇的設計理念。

從以上幾款燃料電池汽車所采用的技術上可以看出，大眾集團的目的就是重點利用其模塊化的生產平臺來進行汽車模塊化生產。這幾款燃料電池汽車分別采用了大眾汽車公司的MQB（橫置發動機） 平臺以及奧迪汽車公司的MLB（縱置發動機）平臺。大眾集團與品牌負責人一再強調，以上模塊化生產平臺的終極目標就是為同一款車型采用同一生產線生產并可以實現各種不同的動力輸出系統，其中不同的動力輸出系統主要包括汽油機、柴油機、天然氣、插電式混合動力、電池電力驅動以及燃料電池等動力驅動方式。基于大眾MQB 平臺打造的高爾夫Sportwagen HyMotion，其整個車系已經成為市場上搭載最多種動力系統的車型，分別有汽油、柴油、天然氣、純電動以及混動多種形式驅動。

氫的問題依然存在

對于以上燃料電池汽車的量產時間以及目標市場，大眾集團并未像豐田、本田和現代汽車公司一樣做過多的介紹。

大眾汽車集團開發部管理委員會成員海因茨·雅各布·諾伊爾博士表示：“在2009年時，我們曾預測在2020年之前氫氣燃料電池很難實現突破性的進展，現在我們仍然堅信這一點。但是燃料電池一直以來就是我們大眾電氣化戰略非常重要的一部分。因此，只有在氫氣燃料電池和加氫站等所有相關問題都得以解決后我們才會正式推出氫氣燃料電池汽車，屆時我們也將非常愿意向人們展示我們的研發成果。”

目標定位：效率與里程

大眾第四代燃料電池組由300 多個單獨的燃料電池單元組成。每個單獨的燃料電池的核心部分均采用了聚合物的質子交換膜，在質子交換膜的兩側均涂覆有鉑基催化劑。

在質子交換膜燃料電池中，氫氣直接與陽極相連接，氫氣被分解成質子和電子，質子在電勢作用下穿過交換膜到達陰極，之后質子再與陰極空氣中的氧作用生成水蒸氣。與此同時，由氫氣分解得到的電子會在燃料電池組外部朝一定方向移動形成電流，從而為燃料電池提供電能。根據負載的不同，每個單獨的燃料電池單元的供電電壓為0.6～0.8 伏，所以整個燃料電池組的供電電壓可以達到230～360 伏。

以上燃料電池組的輔助部件主要包括一個渦輪增壓器、一個循環風扇和一個冷卻液泵。其中，渦輪增壓器的主要作用是為燃料電池提供更多的進氣量，而循環風扇則可以將未消耗的氫氣輸送回電池陽極從而提高電池工作效率。這些燃料電池輔助部件采用的是高壓驅動方式，直接由燃料電池進行電力驅動。

該燃料電池配備有一個獨立的冷卻回路，以此來實現燃料電池的散熱功能。同時，該燃料電池還配備有一個熱交換器和一個熱電式自適應輔助加熱元件，通過以上功能的應用可以使得燃料電池安裝固定倉內維持穩定舒適的工作溫度。

在燃料電池研討會上，海因茨·雅各布·諾伊爾博士表示大眾集團研究燃料電池主要集中在如何提高工作效率和增加續航里程這兩個方面，而采用的方法第一是盡可能降低燃料電池壓力損失，其次就是質子交換膜技術。大眾集團正在研發一種納米鉑涂層，通過該納米鉑涂層的應用不僅可以大幅提高鉑涂層的表面接觸面積，還可以降低鉑涂層的厚度。

海因茨·雅各布·諾伊爾還表示采用質子交換膜所用的納米結構與電池自身的納米結構相類似。關于燃料電池的納米結構，大眾集團也正在全力進行研發。

豐田廣州車展發布FCV氫燃料電池概念車

在前不久舉辦的廣州車展上，豐田展示了眾多概念車型。各款概念車都有不同的應用方向，這其中名為“豐田FCV”的概念車引起了人們的注意。該車的最大看點便是使用氫燃料電池作為動力來源。

該車作為一款概念車型，在外形上依舊保持了概念車那種十分個性的風格。前臉最為惹眼的是左右兩側巨大的進氣格柵，其尺寸用“獠牙”一詞已經不足以形容了。中網很有豐田近些年的家族設計的感覺，和最近上市的雷凌十分相似。

作為一款三廂車型，豐田FCV 的側面看起來也同樣個性。A、B、C 柱采用了隱藏式設計，并且車頂線條從B 柱之后就迅速下落，與上揚的腰線相呼應后，使得尾部的視覺效果看起來十分上揚。

當然，這款車最大的看點并不是其外形設計，而是清潔能源氫氣的使用。該車的動力系統由一套氫燃料電池提供。該系統以氫為燃料，經過一系列的化學反應而產生電流。整個過程的最終產物只有水，所以氫燃料電池車型是不折不扣的環保車型。

雖然稱其為氫燃料電池，但事實上，車內并沒有“燃燒”這一內燃機汽車所必需的過程。氫在電池內部陽極板上反應釋放電子，電子流動形成電流。所以氫燃料電池車型也是屬于純電動車型一類的，只是它仍然需要空氣中的氧氣支持整個反應。

通過豐田FCV 公布的數據來看，該車只需3 分鐘便可以完成補給，在滿狀態下續航里程可達到500 公里左右，由燃料電池帶動的電機可提供100 千瓦的最大功率。

不能忽略的一點是，氫燃料電池的車型，普遍售價都會很高。即使這幾年豐田已經將價格下拉了很多，可是由于氫燃料電池的造價問題，這樣一臺FCV 在日本的預計售價仍為6.9 萬美元，約合人民幣41 萬，進口到國內之后售價更會只高不低，所以價格還是會在很大程度上影響氫燃料電池汽車的普及。

日本鈴木燃料電池摩托車亮相國際車展

前不久，日本鈴木公司攜SX4 燃料電池摩托車亮相EICMA 國際摩托車展。該車整車質量170 公斤，與傳統汽油摩托車相當，在32 公里/小時的速度下，單次加氫可行駛220 英里。

據悉，SX4 燃料電池概念車曾于2009年在第41 屆東京摩托車展覽會上展出，經過多年的發展，鈴木公司終于把新產品帶到國際車展上。該車使用燃料電池與蓄電池混合供電，燃料電池安放在車座下，儲氫罐布置于駕駛員腳下，傳統的加油口也被加氫口取代。得益于電動機的高扭矩輸出，這款摩托車的加速性能良好。與此同時，該車配備能量回收裝置，當駕駛員踩下剎車時，發電機會把前進的動能轉化為電力，以達到提高能量使用效率的目的。

鈴木公司以旗下最暢銷的車型為原型開發燃料電池摩托車，試圖打破燃料電池車輛制造成本和維護成本高昂的現狀。鈴木希望配合上加氫站的快速發展，該車輛能為綠色環保做出重要貢獻。

日本東芝公司將開展燃料電池應急供電系統實驗

東芝公司宣布與日本川崎市政府達成合作意向，將在室內開展一項可再生能源及氫氣應急供電系統的實驗。根據設計標準，該系統的儲氫量為275 升，輸出功率為30 千瓦，儲存能量達350 千瓦時，熱水供應量為60 升/小時。實驗項目將從2015年4月開始，直到2020年財政年度結束。

據悉，應急系統將安裝在川崎市馬里蘭公共應急設施內。在應急情況下，該應急設施可以為300 名避難人員供應長達一周的電力和熱水。應急系統由光伏裝置、儲能蓄電池、電解水制氫設備、氫氣和水儲存罐以及燃料電池組成。光伏發電裝置可以把太陽能轉換為電力。通過電解水制氫，電力將以氫氣的形式被儲存起來。在需要的時候，氫氣將用于燃料電池發電以及水的加熱。由于該系統在有水和太陽光的情況下就可以正常工作，所以非常適合用于應急供電和供水。該系統具有便攜性，可以通過拖車把它運輸到受災區域，為災區供水供電。除了應急使用外，該系統也可以通過控制電解水以及儲能來參與附近區域的電網錯峰和調峰工作。

根據協議安排，川崎市政府將為測試提供環境，東芝公司負責設計、制造以及維護。東芝公司將會繼續致力于民用燃料電池以及相關氫能技術的研發，為氫能社會做出貢獻。

加拿大科學家發現氧化石墨烯有可能用于制造更好的太陽電池

加拿大薩省大學的科學家亞歷山大·莫維斯和安德瑞·赫特經過仔細研究后表示，氧化石墨烯或許能被用來制造性能更優異、更堅固耐用的太陽電池。

石墨烯是由單層碳原子采用蜂巢網格組成的二維結構，最初由英國曼徹斯特大學的科學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫于2004年研制而成，他們也因此獲得了2010年的諾貝爾物理學獎。赫特說：“石墨烯很薄，因此透明度很高；其導電能力很強；質地也非常堅硬；在空氣中不會被腐蝕，也不會降解，性能超級穩定。”

所有這些特性使石墨烯成為制造太陽電池的好選擇，其極佳的透明性和導電能力或許可以解決太陽電池面臨的兩大問題：首先，為了將光轉變成有用的能量，需要好的導體；其次，太陽電池也需要透明，讓光能夠透過。

目前，市場上的大多數太陽電池使用的是銦錫氧化物和不導電的玻璃保護層。赫特說：“銦非常罕見，因此很昂貴，這也是導致太陽電池的成本居高不下的主要原因；而石墨烯可能會非常便宜，因為碳很豐富。”

不過，盡管石墨烯擁有良好的導電性，但其在收集太陽電池內部產生的電流方面卻差強人意，這也是赫特等人想方設法改進石墨烯的原因。氧化石墨烯因此成為了赫特的研究重點。

研究人員將氧氣送入碳網格，使得到的氧化石墨烯的導電性減弱，但透明性和電荷收集能力增強。隨后，赫特等人使用X 射線散射技術以及美國勞倫斯伯克利國家實驗室的先進光源的8.0.1 光束線，對依附到石墨烯網格的氧化物如何改變石墨烯的性能以及其與攜帶電荷的石墨烯原子之間的相互作用進行了研究。

研究發現，氧化石墨烯內每個不同的部分都擁有獨特的電學標記。使用同步加速器，赫特能測量電子位于石墨烯的何處以及不同的氧化物群如何改變石墨烯的屬性。另外，他也對氧化石墨烯如何衰減進行了研究，結果發現，有些氧化群并不穩定，且能組合在一起撕破石墨烯的網格，其他氧化群則能與水發生反應。如果氧化石墨烯設備中進水，它將被加熱，水實際上會讓氧化石墨烯燃燒，產生二氧化碳，這一點或許對厘清如何研制出持久耐用的太陽電池非常重要。

赫特表示，為了利用石墨烯制造太陽電池，還需要進行更多類似的研究。

西班牙研制出世界首例石墨烯聚合材料電池

據西班牙《世界報》網站消息，西班牙Graphenano 公司（一家以工業規模生產石墨烯的公司） 同西班牙科爾多瓦大學合作研制出了世界首例石墨烯聚合材料電池，其儲電量是目前市場上最好的鋰電池產品的3 倍，用此電池提供電力的電動車最多能行駛1000 公里，而其充電時間不到8 分鐘。

石墨烯自2004年問世以來，一直被認為將在電池領域帶來重大變革，但事實上將它大規模投入生產非常困難。直到2012年，Graphenano 公司成為世界上第一家以工業規模生產石墨烯的公司。從那時起，這家公司主要致力于加快應用被稱為“上帝的材料”的石墨烯，終于用它做出了電池。

這項新技術是將石墨烯做成聚合物，其優勢在于它的能量密度、持續時間、充電速度、質量和價格。該公司的副總裁強調：“它對于航空業、汽車業、計算機產業和能源產業都意味著一個跨越性的發現，它能大大增加產業效率，并且能將之前的一些想象變成可能。”

這款新產品有著遠超市場上其他產品的卓越性能。目前最先進的鋰電池的比能量為180 瓦時/千克，而一個石墨烯電池的比能量則超過600 瓦時/千克，也就是說，它的儲電量是目前市場上最好的鋰電池產品的3 倍。

這種電池的使用壽命也很長，是傳統氫化電池的四倍，是鋰電池的兩倍。用它來提供電力的電動車最多能行駛1000公里，而將它充滿電只需要不到8 分鐘的時間。

石墨烯的輕薄特性使得電池的質量可以減少為傳統電池的一半，使得裝載該電池的汽車更加輕量化，進而提高汽車燃油效率。科爾多瓦大學正在研究如何減小電池體積從而使電池外觀更完美。由于石墨烯的密度過大，目前只能應用于電動交通工具（汽車和船只等）。研究團隊希望在未來能減小它的體積，將其應用到手機等電子設備當中。

雖然新型電池具有各種優良的性能，但其成本并不高。Graphenano 公司相關負責人稱，它的成本將比鋰電池低77%，完全在消費者承受范圍之內。因此，它能被用于一些現有的設備和交通工具中，避免了和基礎設施不適配的問題。

科爾多瓦大學已經成功制造出這種電池的原型。Graphenano 公司希望能在2015年的第一季度將此類電池在西班牙推廣使用。德國兩家汽車公司將于近期在汽車上采用該技術進行試驗并加快實施這項工作。

工業和信息化部擬對鋰離子電池生產項目實施準入

日前，工業和信息化部發布了《鋰離子電池行業規范條件》征求意見稿（以下稱《條件》），明確了我國鋰離子電池企業和產品的準入規則。該《條件》如果實施，將豎起鋰離子電池生產的門檻，以避免行業“散、小、亂”趨勢持續發展。

《條件》擬于2015年開始實施，管理范圍適用于鋰離子電池行業上下游企業，包括正極材料、負極材料、隔膜、電解液(含電解質)、電池等企業，不符合要求的項目不得設立。而且未滿足規范條件的企業及項目，也要根據產業轉型升級的要求，在國家產業政策的指導下，通過兼并重組、技術改造等方式，盡快達到本規范條件的要求。

《條件》對鋰電子電池生產準入的主要條件有：

產能規模：電池年產能不低于1 億瓦時；正極材料年產能不低于2000 噸；負極材料年產能不低于2000 噸；隔膜年產能不低于2000 萬平方米；電解液年產能不低于2000 噸，電解質產能不低于500噸。企業申報時上一年實際產量不低于實際產能的50%。

工藝要求：應采用工藝先進、節能環保、安全穩定、自動化程度高的生產工藝和設備，在電極制造和電極卷繞或疊片等關鍵工序應采用自動化設備，注液時具備溫濕度和潔凈度等環境條件控制，具備有機溶劑回收系統；同時要有高精度的檢測能力，比如應具有涂敷厚度和長度檢測手段，涂敷厚度的測量精度為2微米，涂敷長度的測量精度為0.1毫米。

產品質量要過關：動力型電池分能量型和功率型，其中能量型單體電池比能量≥130瓦時/千克，電池組比能量≥100瓦時/千克，循環壽命≥1000次且容量保持率≥80%；功率型單體電池比功率≥3000瓦/千克，電池組比功率≥2100瓦/千克，循環壽命≥2000次（其中電動自行車用電池組≥1000次，電動工具用電池組≥500次）且容量保持率≥80%。

此外，《條件》還對鋰離子電池項目發起的法律、環境、安全、衛生等準入條件進行了闡釋。

工信部同時發布了《鋰離子電池行業規范條件編制說明》(以下稱《說明》)，解釋了為何以及如何編制的《條件》。《說明》首先闡釋了鋰離子電池產業的重要地位，緊接著指出，中國鋰離子電池相關生產企業已近2000家，但大部分企業的生產工藝和裝備水平較低，產品技術含量和企業生產規模較低，主要占領價格低廉的低端產品，而一些高端材料、關鍵制造設備和筆記本、IPAD、高性能動力電池市場主要被少數鋰離子電池生產強國所占有，產業“散、小、亂”趨勢明顯，低水平重復建設和資源浪費等現象開始出現。這樣不僅形成惡性競爭態勢，也嚴重影響中國鋰離子電池行業的健康發展，因此有必要出臺準入條件。