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可靠耐久是氢燃料电池研发关键

时间:2018-07-11 来源:中国能源报

当前,电动汽车行业发展一浪高过一浪,而近期最为热门的话题非氢燃料电池汽车莫属。政策支持、业界看好、资本涌入,如果说2017年被视为“氢燃料电池汽车元年”,今年则是大规模商业化的重要开端。

本文引用地址: http://power.21ic.com//ene/technical/201807/74552.html

多重利好之下,氢燃料电池汽车距离量产还有多远?我国的技术水平相比国际先进差距何在?此外还有哪些关键环节亟待突破?潜心行业40多年,中国工程院院士、中科院大连化学物理研究所研究员衣宝廉对此有着自己的看法。

尚处商业化导入阶段

中国能源报:有人用“起个大早、赶个晚集”形容我国氢燃料电池汽车的现状,其发展究竟如何?

衣宝廉:燃料电池汽车在我国起步较早,实际上“九五”时期就已进入准备。2001年,科技部制定了“三纵三横”的新能源汽车研发布局,燃料电池汽车当时便被列为重点。

20多年来,以氢能作为主要燃料的燃料电池汽车,在我国的发展有目共睹。我国现已掌握车用氢燃料电池的核心技术,基本建立具有自主知识产权的燃料电池动力系统平台,并进行了示范运行。在寿命、可靠性、可使用性等方面,氢燃料电池均基本达到车辆使用要求,具备大规模示范的基础并趋于成熟。

不过也应看到,我国目前投入示范的车辆基本为大巴车,相关部门提出的1000辆示范,主要也是大巴车。换句话说,氢燃料汽车尚处大规模商业化的导入阶段,要作为乘用车走进寻常百姓家依然任重道远。

中国能源报:国际的整体发展现状如何?与其相比我国存在哪些主要差距?

衣宝廉:国际上大约可分三个发展阶段,从上世纪90年代开始探索,证明燃料电池车可满足汽车应用性能的要求;2005-2012年主要解决电池寿命问题,例如美国能源部要求大巴车燃料电池寿命大于1万小时、轿车大于5000小时等;目前已进入商业化初始阶段,主流车企不断推出新款燃料电池汽车,但也面临成本、加氢站配套等难题。

整体而言,氢燃料汽车暂未进入预想的大规模上升期。我认为,实现盈利还需5年左右时间,大幅提高则要到2025-2030年。

而对比国际先进水平,我认为国产整车性能并不差,但在燃料电池发动机的可靠性与耐久性方面,仍有一定差距。国外燃料电池堆在轿车上已经大于5000小时,客车工况下已突破2万小时寿命。国内新源动力,电堆运行寿命已达5000-8000小时,当然还需改进提高,此外在电堆的比功率方面还需向国际水平靠拢。新源动力的电堆已在国内首款商业化的燃料电池汽车上汽大通FCV80上得到应用。FCV80燃料电池车已公开销售,扣除政府补贴售价30万,是国内燃料电池车的一个亮点。

耐久性、可靠性与经济性是瓶颈

中国能源报:“可靠性、耐久性”难题的根源何在?有何解决方向?

衣宝廉:燃料电池的发电原理是把燃料中的化学能直接转化为电能。一方面,在额定工作条件下,1节单电池的工作电压约为0.7伏,车用燃料电池正是由数百节这样的单电池组成,一致性运行的难度加大,系统复杂也给可靠性带来挑战。另一方面,内燃机在燃油车中已有100多年应用,技术十分成熟,车用燃料电池仅有20余年实践,难免存在不足。

如何让燃料电池运行更久、更稳定?我认为可从系统与控制策略入手,通过调整优化,让燃料电池处于更有利的运行状况下,减少甚至避开不利条件,达到延缓衰减的目的。同时,持续加速新材料研发,当能抵抗车用苛刻工况的新材料技术发展成熟时,材料本身的机械性损伤减小,系统有望进一步简化,从而延长电池寿命。

中国能源报:除此之外,还有哪些主要制约?

衣宝廉:另一关键是成本。虽有诸多示范,但现阶段考虑更多的是技术可行性,并未过多关注成本。从整车造价看,氢燃料汽车成本仍是燃油车的3-4倍,是锂电池汽车的1.5-2倍。要走向商业化,经济性必不可少。

例如,催化剂作为氢燃料电池的核心部件,铂是其中必不可少的材料。铂就是通常所说的白金,全世界产量都很有限,价格自然就上去了。为降低成本,要么寻找替代,要么通过技术手段降低用量。目前,国际先进技术下的铂用量低至0.2gPt/kW,我国平均在0.4gPt/kW左右。我认为,每辆车中的铂用量低至5-10克时,即0.1gPt/kW,才能真正达经济性要求,这相当于汽车尾气净化器中的铂用量。

此外,部分关键材料、零部件及配套工艺等,目前仍依赖进口。国内市场暂未形成气候,我们也未完善自己的燃料电池产业链,无形中徒增成本。

技术可行走向商业可行

中国能源报:基于上述瓶颈,氢燃料汽车如何实现进一步推广?

衣宝廉:首先应认识到,我国发展氢燃料汽车拥有先天优势。作为全球之最的用氢大户,包括煤制氢、电解水制氢在内等方式,都为燃料供应奠定充足保障。每年仅副产氢量,我国就达1000多万吨,再加上弃光、弃水电量年可制氢约300万吨,这1300万吨氢足可供燃料电车汽车使用。而这也是欧美、日本等地不具备的优势。

其次要想实现大规模发展,作为核心部件的燃料电池,还需跨过以下几关:一是“寿命关”,至少实现0.5-1万小时,才能满足车用要求。二是经济性,车辆在扣除政府补贴后,应达到与燃油车、锂电池车相近的价格水平。在此情况下,哪怕政府补贴退坡,也能继续保证氢燃料汽车的商业化推广。第三是核心部件、关键材料的国产化,既要在技术层面研发突破,也要建立燃料电池电堆、系统等批量生产线。

推广方式上,我认为可从大巴、物流车出发,再逐步向乘用车推广。一方面,我国现有已建、在建的加氢站只有40多座,配套设施仍待完善,而商用车对加氢站的依赖相对较低,可率先尝试。同时,或可在弃光、弃水较为严重的地区先行发展,由此缩短运输距离、降低难度。至少应保证示范车辆的出行率在90%以上,然后通过各角度对比完善,由技术性可行向商业化可行过渡。

中国能源报:推广中还有哪些值得注意的问题?

衣宝廉:不久前,全国燃料电池及液流电池标准化技术委员会刚刚讨论通过《燃料电池电动汽车燃料电池堆安全要求》,并决定将这项填补国内空白的标准作为推荐性国家标准。为配合下一步的大规模运行,针对安全、技术等方面的行业标准应尽快跟上,从制度上规范燃料电池汽车的未来发展。

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