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中外科学家发现石墨烯类膜新特性 有望推动燃料电池革命性进步

一项由中外科学家联合取得的新成果登上《自然》网站首页头条：石墨烯、氮化硼等二维纳米材料具有只容质子穿透的特性，因而有望取代制作燃料电池的核心部件“质子传导膜”的现有材料，推动燃料电池的革命性进步。

该成果由中国科学技术大学吴恒安教授、王奉超特任副研究员与诺贝尔物理奖得主、英国曼彻斯特大学安德烈·海姆教授课题组及荷兰内梅亨大学研究人员合作完成，相关论文在国际顶尖学术期刊《自然》在线发表。

燃料电池是将燃料具有的化学能直接转变为电能的发电装置，具有能量转化效率高、无需耗费充电时间、零排放无污染等诸多优点，应用前景非常广阔。然而，燃料电池中的核心部件质子传导膜存在的燃料渗透等缺陷，使其大规模应用受到很大限制。

据吴恒安教授介绍，石墨烯是一种由碳原子按照六角蜂巢晶格排列而成的单层网状二维材料，二维氮化硼纳米材料也具有跟石墨烯相似的六角网状结构。传统观点认为，任何气体分子或流体分子，哪怕是最小的氢原子，都无法穿透没有缺陷的完美石墨烯片层。此次的研究则表明：质子可以较为容易地穿越石墨烯和氮化硼等二维材料；如果升高温度或加入催化剂，穿透过程会明显加快；而且，除了质子，其他物质都不能穿越石墨烯和氮化硼等二维材料。

据王奉超副研究员介绍，基于此项研究成果，可采用石墨烯和氮化硼等单原子层二维材料作为质子传导膜，这将使燃料电池更高效、更安全、更环保、更轻薄，其应用领域会极大拓展、应用步伐会明显加快。同时，该成果也将极大地促进氢相关技术的研究。

该论文发表后，《自然》网站以首页头条形式第一时间进行了报道，同期的《自然新闻视点》栏目也对该成果进行了重点评论和展望。麻省理工学院的Karnik 教授在评论中指出，质子传导膜是燃料电池的核心所在，本项研究取得的突破性进展在理论上已经达到美国能源部设定的2020年质子传导膜输运性能目标。

欧洲客车制造商承诺推进燃料电池客车商业化

日前，燃料电池和氢国际合作伙伴计划（FCH JU）利益相关者论坛在布鲁塞尔举行，戴姆勒（DaimLer）、曼（MAN）、索拉瑞斯（Solaris)、范胡尔（Van Hool）、VDL 等五家欧洲主流客车制造商共同签署谅解备忘录，承诺大力推进城市公交系统燃料电池客车的商业化和市场推广。

戴姆勒客车产品设计经理Gustav Tuschen 表示：“燃料电池和氢技术是我们乘用车和城市公交车单元重要的战略发展领域之一。”

签署备忘录的制造商均表示，燃料电池客车具备较长的续航里程和较短的补给时间，所以与传统柴油客车相比具备相同的运营灵活性，同时还具备电动汽车所有的优点，如零尾气排放、大幅度降低的噪音和震动以及由此带来的高舒适性。“模块化和降低零排放公交运营方总成本将是VDL 未来几年的主要发展战略。”VDL 总经理 Remi Henkemans 表示。

该备忘录已递交德国汉堡市长Olaf Scholz 和英国伦敦市长Kit Malthouse，这两个城市是欧洲推广低排放交通系统的领先城市。

由FCH JU 提出的促进燃料电池客车商业化的倡议，在协议签署方和欧洲主要城市公交运营商的支持下，定下的目标是到2020年在欧洲共运营500～1000 辆燃料电池客车。

大众汽车着手研究第五代燃料电池技术预计2015年年底成熟

日前，德国大众集团在洛杉矶车展上推出了3 款氢燃料电池汽车，分别为：奥迪A7Sportbackh-tron quattro，高尔夫Sportwagen Hy Motion 以及帕萨特 Hy-Motion 车型。

这3 款燃料电池车型均采用了大众自主研发的第四代燃料电池组，该燃料电池组采用100 千瓦低温质子交换膜燃料电池，该电池是由大众集团电力牵引技术中心的大众集团研究院研发完成的。来自奥迪汽车公司的技术发展管理委员会成员乌尔里希·哈肯伯格博士在洛杉矶车展上的一个燃料电池技术研讨会上对外表示，大众集团已经开始着手研究第五代燃料电池技术，预计新技术将于2015年年底成熟。

继承模块化风格

从外观上来看，大众集团推出的以上几款燃料电池汽车所采用的零部件基本上直接来自于各自的量产车型。这也反映了大众集团为同一款车型开发不同动力配置从而不断丰富产品线为消费者提供更加多样的产品选择的设计理念。

从以上几款燃料电池汽车所采用的技术上可以看出，大众集团的目的就是重点利用其模块化的生产平台来进行汽车模块化生产。这几款燃料电池汽车分别采用了大众汽车公司的MQB（横置发动机） 平台以及奥迪汽车公司的MLB（纵置发动机）平台。大众集团与品牌负责人一再强调，以上模块化生产平台的终极目标就是为同一款车型采用同一生产线生产并可以实现各种不同的动力输出系统，其中不同的动力输出系统主要包括汽油机、柴油机、天然气、插电式混合动力、电池电力驱动以及燃料电池等动力驱动方式。基于大众MQB 平台打造的高尔夫Sportwagen HyMotion，其整个车系已经成为市场上搭载最多种动力系统的车型，分别有汽油、柴油、天然气、纯电动以及混动多种形式驱动。

氢的问题依然存在

对于以上燃料电池汽车的量产时间以及目标市场，大众集团并未像丰田、本田和现代汽车公司一样做过多的介绍。

大众汽车集团开发部管理委员会成员海因茨·雅各布·诺伊尔博士表示：“在2009年时，我们曾预测在2020年之前氢气燃料电池很难实现突破性的进展，现在我们仍然坚信这一点。但是燃料电池一直以来就是我们大众电气化战略非常重要的一部分。因此，只有在氢气燃料电池和加氢站等所有相关问题都得以解决后我们才会正式推出氢气燃料电池汽车，届时我们也将非常愿意向人们展示我们的研发成果。”

目标定位：效率与里程

大众第四代燃料电池组由300 多个单独的燃料电池单元组成。每个单独的燃料电池的核心部分均采用了聚合物的质子交换膜，在质子交换膜的两侧均涂覆有铂基催化剂。

在质子交换膜燃料电池中，氢气直接与阳极相连接，氢气被分解成质子和电子，质子在电势作用下穿过交换膜到达阴极，之后质子再与阴极空气中的氧作用生成水蒸气。与此同时，由氢气分解得到的电子会在燃料电池组外部朝一定方向移动形成电流，从而为燃料电池提供电能。根据负载的不同，每个单独的燃料电池单元的供电电压为0.6～0.8 伏，所以整个燃料电池组的供电电压可以达到230～360 伏。

以上燃料电池组的辅助部件主要包括一个涡轮增压器、一个循环风扇和一个冷却液泵。其中，涡轮增压器的主要作用是为燃料电池提供更多的进气量，而循环风扇则可以将未消耗的氢气输送回电池阳极从而提高电池工作效率。这些燃料电池辅助部件采用的是高压驱动方式，直接由燃料电池进行电力驱动。

该燃料电池配备有一个独立的冷却回路，以此来实现燃料电池的散热功能。同时，该燃料电池还配备有一个热交换器和一个热电式自适应辅助加热元件，通过以上功能的应用可以使得燃料电池安装固定仓内维持稳定舒适的工作温度。

在燃料电池研讨会上，海因茨·雅各布·诺伊尔博士表示大众集团研究燃料电池主要集中在如何提高工作效率和增加续航里程这两个方面，而采用的方法第一是尽可能降低燃料电池压力损失，其次就是质子交换膜技术。大众集团正在研发一种纳米铂涂层，通过该纳米铂涂层的应用不仅可以大幅提高铂涂层的表面接触面积，还可以降低铂涂层的厚度。

海因茨·雅各布·诺伊尔还表示采用质子交换膜所用的纳米结构与电池自身的纳米结构相类似。关于燃料电池的纳米结构，大众集团也正在全力进行研发。

丰田广州车展发布FCV氢燃料电池概念车

在前不久举办的广州车展上，丰田展示了众多概念车型。各款概念车都有不同的应用方向，这其中名为“丰田FCV”的概念车引起了人们的注意。该车的最大看点便是使用氢燃料电池作为动力来源。

该车作为一款概念车型，在外形上依旧保持了概念车那种十分个性的风格。前脸最为惹眼的是左右两侧巨大的进气格栅，其尺寸用“獠牙”一词已经不足以形容了。中网很有丰田近些年的家族设计的感觉，和最近上市的雷凌十分相似。

作为一款三厢车型，丰田FCV 的侧面看起来也同样个性。A、B、C 柱采用了隐藏式设计，并且车顶线条从B 柱之后就迅速下落，与上扬的腰线相呼应后，使得尾部的视觉效果看起来十分上扬。

当然，这款车最大的看点并不是其外形设计，而是清洁能源氢气的使用。该车的动力系统由一套氢燃料电池提供。该系统以氢为燃料，经过一系列的化学反应而产生电流。整个过程的最终产物只有水，所以氢燃料电池车型是不折不扣的环保车型。

虽然称其为氢燃料电池，但事实上，车内并没有“燃烧”这一内燃机汽车所必需的过程。氢在电池内部阳极板上反应释放电子，电子流动形成电流。所以氢燃料电池车型也是属于纯电动车型一类的，只是它仍然需要空气中的氧气支持整个反应。

通过丰田FCV 公布的数据来看，该车只需3 分钟便可以完成补给，在满状态下续航里程可达到500 公里左右，由燃料电池带动的电机可提供100 千瓦的最大功率。

不能忽略的一点是，氢燃料电池的车型，普遍售价都会很高。即使这几年丰田已经将价格下拉了很多，可是由于氢燃料电池的造价问题，这样一台FCV 在日本的预计售价仍为6.9 万美元，约合人民币41 万，进口到国内之后售价更会只高不低，所以价格还是会在很大程度上影响氢燃料电池汽车的普及。

日本铃木燃料电池摩托车亮相国际车展

前不久，日本铃木公司携SX4 燃料电池摩托车亮相EICMA 国际摩托车展。该车整车质量170 公斤，与传统汽油摩托车相当，在32 公里/小时的速度下，单次加氢可行驶220 英里。

据悉，SX4 燃料电池概念车曾于2009年在第41 届东京摩托车展览会上展出，经过多年的发展，铃木公司终于把新产品带到国际车展上。该车使用燃料电池与蓄电池混合供电，燃料电池安放在车座下，储氢罐布置于驾驶员脚下，传统的加油口也被加氢口取代。得益于电动机的高扭矩输出，这款摩托车的加速性能良好。与此同时，该车配备能量回收装置，当驾驶员踩下刹车时，发电机会把前进的动能转化为电力，以达到提高能量使用效率的目的。

铃木公司以旗下最畅销的车型为原型开发燃料电池摩托车，试图打破燃料电池车辆制造成本和维护成本高昂的现状。铃木希望配合上加氢站的快速发展，该车辆能为绿色环保做出重要贡献。

日本东芝公司将开展燃料电池应急供电系统实验

东芝公司宣布与日本川崎市政府达成合作意向，将在室内开展一项可再生能源及氢气应急供电系统的实验。根据设计标准，该系统的储氢量为275 升，输出功率为30 千瓦，储存能量达350 千瓦时，热水供应量为60 升/小时。实验项目将从2015年4月开始，直到2020年财政年度结束。

据悉，应急系统将安装在川崎市马里兰公共应急设施内。在应急情况下，该应急设施可以为300 名避难人员供应长达一周的电力和热水。应急系统由光伏装置、储能蓄电池、电解水制氢设备、氢气和水储存罐以及燃料电池组成。光伏发电装置可以把太阳能转换为电力。通过电解水制氢，电力将以氢气的形式被储存起来。在需要的时候，氢气将用于燃料电池发电以及水的加热。由于该系统在有水和太阳光的情况下就可以正常工作，所以非常适合用于应急供电和供水。该系统具有便携性，可以通过拖车把它运输到受灾区域，为灾区供水供电。除了应急使用外，该系统也可以通过控制电解水以及储能来参与附近区域的电网错峰和调峰工作。

根据协议安排，川崎市政府将为测试提供环境，东芝公司负责设计、制造以及维护。东芝公司将会继续致力于民用燃料电池以及相关氢能技术的研发，为氢能社会做出贡献。

加拿大科学家发现氧化石墨烯有可能用于制造更好的太阳电池

加拿大萨省大学的科学家亚历山大·莫维斯和安德瑞·赫特经过仔细研究后表示，氧化石墨烯或许能被用来制造性能更优异、更坚固耐用的太阳电池。

石墨烯是由单层碳原子采用蜂巢网格组成的二维结构，最初由英国曼彻斯特大学的科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫于2004年研制而成，他们也因此获得了2010年的诺贝尔物理学奖。赫特说：“石墨烯很薄，因此透明度很高；其导电能力很强；质地也非常坚硬；在空气中不会被腐蚀，也不会降解，性能超级稳定。”

所有这些特性使石墨烯成为制造太阳电池的好选择，其极佳的透明性和导电能力或许可以解决太阳电池面临的两大问题：首先，为了将光转变成有用的能量，需要好的导体；其次，太阳电池也需要透明，让光能够透过。

目前，市场上的大多数太阳电池使用的是铟锡氧化物和不导电的玻璃保护层。赫特说：“铟非常罕见，因此很昂贵，这也是导致太阳电池的成本居高不下的主要原因；而石墨烯可能会非常便宜，因为碳很丰富。”

不过，尽管石墨烯拥有良好的导电性，但其在收集太阳电池内部产生的电流方面却差强人意，这也是赫特等人想方设法改进石墨烯的原因。氧化石墨烯因此成为了赫特的研究重点。

研究人员将氧气送入碳网格，使得到的氧化石墨烯的导电性减弱，但透明性和电荷收集能力增强。随后，赫特等人使用X 射线散射技术以及美国劳伦斯伯克利国家实验室的先进光源的8.0.1 光束线，对依附到石墨烯网格的氧化物如何改变石墨烯的性能以及其与携带电荷的石墨烯原子之间的相互作用进行了研究。

研究发现，氧化石墨烯内每个不同的部分都拥有独特的电学标记。使用同步加速器，赫特能测量电子位于石墨烯的何处以及不同的氧化物群如何改变石墨烯的属性。另外，他也对氧化石墨烯如何衰减进行了研究，结果发现，有些氧化群并不稳定，且能组合在一起撕破石墨烯的网格，其他氧化群则能与水发生反应。如果氧化石墨烯设备中进水，它将被加热，水实际上会让氧化石墨烯燃烧，产生二氧化碳，这一点或许对厘清如何研制出持久耐用的太阳电池非常重要。

赫特表示，为了利用石墨烯制造太阳电池，还需要进行更多类似的研究。

西班牙研制出世界首例石墨烯聚合材料电池

据西班牙《世界报》网站消息，西班牙Graphenano 公司（一家以工业规模生产石墨烯的公司） 同西班牙科尔多瓦大学合作研制出了世界首例石墨烯聚合材料电池，其储电量是目前市场上最好的锂电池产品的3 倍，用此电池提供电力的电动车最多能行驶1000 公里，而其充电时间不到8 分钟。

石墨烯自2004年问世以来，一直被认为将在电池领域带来重大变革，但事实上将它大规模投入生产非常困难。直到2012年，Graphenano 公司成为世界上第一家以工业规模生产石墨烯的公司。从那时起，这家公司主要致力于加快应用被称为“上帝的材料”的石墨烯，终于用它做出了电池。

这项新技术是将石墨烯做成聚合物，其优势在于它的能量密度、持续时间、充电速度、质量和价格。该公司的副总裁强调：“它对于航空业、汽车业、计算机产业和能源产业都意味着一个跨越性的发现，它能大大增加产业效率，并且能将之前的一些想象变成可能。”

这款新产品有着远超市场上其他产品的卓越性能。目前最先进的锂电池的比能量为180 瓦时/千克，而一个石墨烯电池的比能量则超过600 瓦时/千克，也就是说，它的储电量是目前市场上最好的锂电池产品的3 倍。

这种电池的使用寿命也很长，是传统氢化电池的四倍，是锂电池的两倍。用它来提供电力的电动车最多能行驶1000公里，而将它充满电只需要不到8 分钟的时间。

石墨烯的轻薄特性使得电池的质量可以减少为传统电池的一半，使得装载该电池的汽车更加轻量化，进而提高汽车燃油效率。科尔多瓦大学正在研究如何减小电池体积从而使电池外观更完美。由于石墨烯的密度过大，目前只能应用于电动交通工具（汽车和船只等）。研究团队希望在未来能减小它的体积，将其应用到手机等电子设备当中。

虽然新型电池具有各种优良的性能，但其成本并不高。Graphenano 公司相关负责人称，它的成本将比锂电池低77%，完全在消费者承受范围之内。因此，它能被用于一些现有的设备和交通工具中，避免了和基础设施不适配的问题。

科尔多瓦大学已经成功制造出这种电池的原型。Graphenano 公司希望能在2015年的第一季度将此类电池在西班牙推广使用。德国两家汽车公司将于近期在汽车上采用该技术进行试验并加快实施这项工作。

工业和信息化部拟对锂离子电池生产项目实施准入

日前，工业和信息化部发布了《锂离子电池行业规范条件》征求意见稿（以下称《条件》），明确了我国锂离子电池企业和产品的准入规则。该《条件》如果实施，将竖起锂离子电池生产的门槛，以避免行业“散、小、乱”趋势持续发展。

《条件》拟于2015年开始实施，管理范围适用于锂离子电池行业上下游企业，包括正极材料、负极材料、隔膜、电解液(含电解质)、电池等企业，不符合要求的项目不得设立。而且未满足规范条件的企业及项目，也要根据产业转型升级的要求，在国家产业政策的指导下，通过兼并重组、技术改造等方式，尽快达到本规范条件的要求。

《条件》对锂电子电池生产准入的主要条件有：

产能规模：电池年产能不低于1 亿瓦时；正极材料年产能不低于2000 吨；负极材料年产能不低于2000 吨；隔膜年产能不低于2000 万平方米；电解液年产能不低于2000 吨，电解质产能不低于500吨。企业申报时上一年实际产量不低于实际产能的50%。

工艺要求：应采用工艺先进、节能环保、安全稳定、自动化程度高的生产工艺和设备，在电极制造和电极卷绕或叠片等关键工序应采用自动化设备，注液时具备温湿度和洁净度等环境条件控制，具备有机溶剂回收系统；同时要有高精度的检测能力，比如应具有涂敷厚度和长度检测手段，涂敷厚度的测量精度为2微米，涂敷长度的测量精度为0.1毫米。

产品质量要过关：动力型电池分能量型和功率型，其中能量型单体电池比能量≥130瓦时/千克，电池组比能量≥100瓦时/千克，循环寿命≥1000次且容量保持率≥80%；功率型单体电池比功率≥3000瓦/千克，电池组比功率≥2100瓦/千克，循环寿命≥2000次（其中电动自行车用电池组≥1000次，电动工具用电池组≥500次）且容量保持率≥80%。

此外，《条件》还对锂离子电池项目发起的法律、环境、安全、卫生等准入条件进行了阐释。

工信部同时发布了《锂离子电池行业规范条件编制说明》(以下称《说明》)，解释了为何以及如何编制的《条件》。《说明》首先阐释了锂离子电池产业的重要地位，紧接着指出，中国锂离子电池相关生产企业已近2000家，但大部分企业的生产工艺和装备水平较低，产品技术含量和企业生产规模较低，主要占领价格低廉的低端产品，而一些高端材料、关键制造设备和笔记本、IPAD、高性能动力电池市场主要被少数锂离子电池生产强国所占有，产业“散、小、乱”趋势明显，低水平重复建设和资源浪费等现象开始出现。这样不仅形成恶性竞争态势，也严重影响中国锂离子电池行业的健康发展，因此有必要出台准入条件。