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衣宝廉院士详解氢燃料电池汽车的发展现状和问题

发表时间:2016-12-28

能源无疑是当今全世界共同关注的一大话题,受全球能源消费量不断增长和能源消耗导致的气候问题,越来越多的有识之士认为,氢燃料电池汽车作为一种真正意义上的“零排放,无污染”载运工具,是未来新能源清洁动力汽车的必然方向,氢燃料电池汽车研发与量产,必将成为全球汽车工业领域的一场新革命。而衣宝廉,正是这方面的专家。

                                           

氢燃料电池汽车专家衣宝廉

  衣宝廉,中国工程院院士,原国家863《电动汽车重大专项》专家组成员和燃料电池发动机责任专家,中国科学院大连化学物理研究所研究员,新源动力股份有限公司名誉董事长。

  衣宝廉所在的中科院大连化物所是国内最早开展燃料电池技术的科研机构,从事燃料电池的研究和开发已有逾四十年的历史。经过四十年多年特别是最近几年的快速发展,大连化物所在燃料电池领域有了很好的技术积累和人才储备,是公认的国内一流的燃料电池研发单位,并在国际同行中具有相当的地位。在长期的研发过程中,大连化物所形成了较完整的燃料电池和电解池知识产权体系,在催化剂、离子交换膜、膜电极、双极板、电堆、燃料电池系统、检测与控制等方面申报国家发明专利200余项,形成了燃料电池自主知识产权体系。

  经过四十多年的研究,衣宝廉院士越来越深刻地认识到,我国车用氢燃料电池产业化必须解决的一系列问题需要更多人了解,为此,他对中国客车网详细解释了氢燃料电池的原理和历史沿革,以及他的研发团队的成果,并指出了燃料电池商业化必须要解决的技术问题。

  氢燃料电池的原理

  衣宝廉院士告诉中国客车网,燃料电池之所以叫“电池”两个字,因为它的发电原理是电化学的,跟锂电池、锌锰干电池是完全一样的。它是用一张隔膜把一个氧化还原反应分为两部分,一部分发生氧化反应,一部分发生还原反应,就构成了一个电池。

  但是燃料电池的工作方式跟日常使用的干电池是不一样的,燃料电池是一个能量转化系统,它要供给氢气、空气,作为电化学反应产物的水要排出来,就跟传统内燃机一样工作是要有汽油和空气供给,要排出来二氧化碳,因此氢燃料电池的工作方式是内燃机式的。氢燃料电池的一节工作电压小于1V(一般额定输出电压为0.6-0.7V左右),航天设备使用电压一般为28V,乘用车一般为300V左右,大客车600V左右,为了满足实际应用需求,燃料电池需要成百、千节单电池串联起来形成电堆,其中一致性是非常关键的。

 

 

据衣宝廉院士介绍,从国际上来看,氢燃料电池车到现在分三个发展阶段。

  第一阶段为1990年到2005年。1990年美国能源署开始制订氢能和燃料电池研发和示范项目,世界发达国家(地区)纷纷加紧氢能与燃料电池的研发部署。当时人们对这项技术的攻关难度理解不够,以为燃料电池车可能在1995年左右实现产业化,以至于巴拉德公司股票涨到190多美元,实际上做出的三辆氢燃料电池车在试验阶段稳定运行很好,放在芝加哥上路运行不到一个月全部垮掉,大家这才意识到燃料电池不适用于汽车的工况。

  第二个阶段是2005年到2012年。用了7年时间终于解决了燃料电池的工况适应性问题,燃料电池比功率达到了2kW/L,在零下30oC也能储存和启动,基本上满足了车用要求。

  第三阶段是2012年到现在,丰田燃料电池比功率达到了3.1 kW/L,并在2014年12月15日宣布,“未来”氢燃料电池车实现商业化,进入了商业推广阶段,其后,本田与现代也推出了燃料电池商业化车。因此,从商业化角度,有人把2015年誉为燃料电池汽车的元年。

据中国客车网了解,当前国际氢燃料电池汽车的现状为:氢燃料电池汽车已经渡过技术开发阶段,进入到市场导入阶段。燃料电池发动机功率密度大幅提升,已经达到传统内燃机的水平;基于70MPa储氢技术,续驶里程达到传统车水平(燃料填充<5min);燃料电池寿命满足商用要求(5000hrs) ;低温环境适应性提高,可适应-30℃气候,车辆适用范围达到传统车水平 。通过技术进步降低成本、批量制造的开发、以及加氢站的建设成为下一步研发重心;铂用量的降低,特别是采用非铂催化剂是长期而艰巨的任务

  衣宝廉认为,现在产业化的关键问题是进一步建立生产线、降低成本和加氢站的建设。这是目前全球燃料电池汽车发展的共同问题。从燃料电池发动机来看,它现在可以做到跟内燃机互换,就是体积可以跟内燃机进行互换。从寿命来看,大巴车已经达到了1.8万小时,小车也超过了5千小时,功劳主要是采用了“电-电”混合方式,即二次电池与燃料电池混合驱动策略,使燃料电池在相对平稳状态工作,大幅提高了燃料电池的耐久性。

  从成本来看,目前如果按年产50万辆计,燃料电池每千瓦成本大约是49美元,这个价格是可以接受的。业内有种看法是燃料电池汽车受铂(Pt)资源的限制,现在氢燃料电池铂用量国际先进水平能做到0.2g/kW,国内目前水平是0.4g/kW左右,产业化的需求是要降低到小于0.1g/kW。小于0.1g/kW是什么概念?据衣宝廉院士介绍,就是跟汽车尾气净化器用的贵金属量相当,这是需要依靠技术进步逐步实现的。

  衣宝廉院士透露,现在国际各大汽车公司竞争的技术水平都是在燃料电池小轿车上体现,而小轿车对加氢站的数量依赖度较高,当加氢站不能够达到像加油站那么普及时,选择大巴车、物流车或轨道交通车发展是比较实际的做法。也就是对加氢站依赖度越低,越容易首先实现燃料电池车产业化,不会让用户产生加氢焦虑。

  衣宝廉说,从全球发展来看,燃料电池车现在已经进入商业化导入期,当下的焦点就是降低成本和加氢站的建设。燃料电池发动机从性能、体积上可以实现与传统内燃机互换,低温适应性可以达到-30℃,行驶里程可以达到700公里,一次加氢小于5分钟,跟燃油车效果完全是一样的。随着企业界的参与,产品工艺的定型,批量生产线的建立,以及关键材料与部件国产化,相信燃料电池成本会得到大幅度降低。此外,要加大力度推进加氢站的建设,目前,国内一些能源公司、工业副产氢公司及地方政府对加氢站建设表现了极大的兴趣,纷纷制定规划投入开发,开始从事加氢站的建设,从数量上逐渐满足区域性加氢(如公交运营线、物流区等)需求。

国内燃料电池汽车发展

  据中国客车网了解,国内目前用于示范的氢燃料电池汽车已达200余辆,累计运行里程十余万公里,虽然性能已经与国际水平接近,但成本、耐久性等方面亟待改善 。

  据衣宝廉院士介绍,我国的氢燃料电池车已经进行了十几年的研发,从“九五”开始,现在进入“十三五”,是第20个年头。

  2008年北京奥运会23辆车,其中3辆大巴,20辆轿车。2009年有16辆车到美国加州进行了试验。2010年上海世博会,一共是196辆燃料电池车参加了运营。燃料电池功率是50kW,锂电池的功率是20kW,此外,还参加了新加坡的世青赛。北京奥运会用的公交车在北京801路上进行了示范运行,燃料电池的功率是80kW。

  在这之后,上汽进行了2014创新征程万里行,燃料电池车、纯电动车和插电式混合动力车三种车型参加了示范,燃料电池汽车在全国14个省市自治区25个城市运行,超越10000公里,接受了沿海潮湿、高原极寒、南方湿热、北方干燥的考验。客车方面宇通推出了第三代燃料电池客车,氢燃料加注时间仅需10分钟,测试工况下续航里程超过600公里,尤其是成本下降了50%。此外,福田燃料电池客车也亮相北京奥运会和上海世博会,近年来技术又得到提升。近期,上海大通V80氢燃料电池版轻客,采用新源动力电堆驱动,最高车速可达120km/h。

国家公布的《中国制造2025》重点技术领域技术路线图中,关于新能源汽车发展规划里面提到,到2020年要实现燃料电池关键材料批量化生产的质量控制和保证能力;在2025之前,我国氢能汽车方面的制氢、加氢等配套基础设施基本完善,燃料电池汽车实现区域小规模运行。为了推行氢能燃料电池汽车,国家出台了相应的补贴政策,同时国务院办公厅提出:对符合国家技术标准且日加氢能力不少于200公斤的新建燃料电池车加氢站每个站奖励400万元。相信沿着这个目标,中国的氢燃料电池汽车,尤其是氢燃料电池客车必定会有一个大的发展机会。

  五大建议促氢燃料电池汽车产业化

  针对中国氢燃料电池汽车发展问题,衣宝廉院士结合多年研发和实践工作,着重讲了他的五个建议,分别是:

  ─,实现关键材料的批量生产。希望有志于燃料电池事业的企业家,投资建立燃料电池关键材料与部件的批量生产线,实现燃料电池关键材料与部件的批量生产,建立健全燃料电池的产业链。

  二,提高燃料电池电堆和系统可靠性和耐久性。希望研究车用工况下燃料电池衰减机理的科研单位与生产电堆和电池系统的单位真诚合作,开发控制电堆衰减的实用方法,大幅度提高电堆与电池系统的可靠性与耐久性。

  三,加快车用燃料电池系统用空压机与70MPa氢瓶的研发和加氢站建设。加大科研投入,联合攻关;空压机也可采用引进技术,合资建厂。

  四,加速轿车用燃料电池技术的开发。开发长寿命的薄金属双极板,大幅度提高燃料电池堆的重量比功率与体积比功率;开发有序化的纳米薄层电极,大幅度降低电池的铂用量和提高电池的工作电流密度;采用立体化流场,减少传质极化。

  五,加强整车的示范运行与安全实验。扩大燃料电池电汽车示范运行。

  针对国内氢燃料电池汽车市场化上述五个建议,衣宝廉院士详细解释如下:

  第一是关于实现关键材料的批量生产。

 

目前,我们国产发动机为什么比国外贵?其中一个因素就是我们的材料都是进口,这些材料,包括催化剂、隔膜、碳纸等。其实这方面国内已经取得了一定的研发成果,如国内的催化剂、复合膜、碳纸等从技术水平上已经达到或超过国外商业化产品,急需产业界投入建立批量生产线,实现国产化。

  第二是提高电堆与系统的可靠性和耐用性。

  现在中国的氢燃料电池车整体而言其实不比德国的、美国的、日本的车差,但可靠性和耐用性还有待于提高。所以我希望研究车载工况下燃料电池衰减机能的科研单位与电堆生产和电池系统的电池生产单位真诚合作。

  燃料电池系统的寿命不完全是由电堆决定的,还依赖与系统的配套,包括燃料供给、氧化剂供给、水热管理和电控等等,系统内部关系搞不好,电堆在里边生活环境就不好。就像现在国人讲养生,首先是身体基因,更重要的是生活环境、个人保健等等一系列事情,电池的寿命也是一样的。

  我们大连化物所在燃料电池衰减机理及控制策略方面已经开展了一些卓有成效的工作。研究表明采用限电位控制策略,可以显著降低燃料电池启动停车、怠速等过程引起的高电位的衰减。采用“电-电”混合策略,可以平缓燃料电池输出功率的变化幅度,对延长燃料电池的寿命起到了决定性的作用。此外,氢侧循环泵、MEA在线水监测等措施可以有效地改善阳极水管理,可以提高燃料电池耐久性。

  第三是关于燃料电池系统用的空压机与70MPa氢瓶的研发及加氢站的建设。

     这是涉及到燃料电池示范运行的一个大问题。希望我们国家能够加大科研投入,联合攻关。鉴于我国在燃料电池车载空压机技术方面比较薄弱,建议采用引进技术与自主开发相结合,尽快推进。高压氢瓶方面,建议尽快建立70Mpa IV型瓶的法规标准,氢瓶成本还要进一步降低。加氢站方面,尽管国家有补贴政策,但成本还是比较高,近期,可以根据燃料电池商用车或轨道交通车区域或固定线路运行的特点,建立区域性加氢站,满足示范运行需求,随着燃料电池汽车数量的增大,加氢站也会逐步增多,这是市场发展的必然趋势。

  第四,就是加速轿车燃料电池的开发。

  商用车看重的是可靠性和耐久性,对质量比功率和体积比功率没有太高的要求;轿车是各大汽车公司比拼的地方,因为车辆内空间有限,轿车要求重量比功率和体积比功率较高。现在都要达到3kW/L以上。国内我们大连化物所电堆体积比功率已经达到了2.7kW/L,接近国际先进水平。还要在高活性催化剂、低Pt电极、有序化MEA、3D流场方面做些研究工作。

  第五就是加速燃料电池汽车示范及安全实验。

  最近联合国环境开发署三期“促进中国燃料电池汽车商业化发展”示范项目已经启动,计划在北京、上海、郑州、佛山、盐城5个城市进行燃料电池汽车

示范。此外,云浮等地方政府也在积极推动示范运行项目,这是个好事,但还远远不够,还要加大示范力度。

  再就是安全性问题是老百姓比较关注的事情。一听说燃料电池带高压氢,大家都害怕。其实氢气比较轻,它的扩散系数是汽油的22倍,氢气漏出来以后很快就向上扩散了,不像汽油,漏出来以后就滞留在车的旁边。汽油着火是围绕车烧的,氢气的火是在车辆上方的,所以氢气在开放空间里是非常安全的。但氢气在封闭空间的安全性要引起足够重视,如家用氢燃料电池车在车库里,这个车库要加氢传感器,而且要加上通风装置,以防发生危险。现阶段建议载有氢燃料的车最好露天停放。

总之,目前我国政府非常重视新能源汽车的发展,燃料电池汽车迎来了好的发展机遇。科研院所与企业界要联合攻关,继续完善燃料电池技术链,发展燃料

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