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可靠耐久是氫燃料電池研發關鍵
——專訪中國工程院院士、中科院大連化學物理研究所研究員衣寶廉
2018-07-09 13:09  · 來源:中國能源報  · 作者:朱妍  · 責編:劉文穎

  編者按

  當前,電動汽車行業發展一浪高過一浪,而近期最為熱門的話題非氫燃料電池汽車莫屬。政策支持、業界看好、資本涌入,如果說2017年被視為“氫燃料電池汽車元年”,今年則是大規模商業化的重要開端。

  多重利好之下,氫燃料電池汽車距離量產還有多遠?我國的技術水平相比國際先進差距何在?此外還有哪些關鍵環節亟待突破?潛心行業40多年,中國工程院院士、中科院大連化學物理研究所研究員衣寶廉對此有著自己的看法。

 

  ■本報記者 朱妍

  尚處商業化導入階段

  中國能源報:有人用“起個大早、趕個晚集”形容我國氫燃料電池汽車的現狀,其發展究竟如何?

  衣寶廉:燃料電池汽車在我國起步較早,實際上“九五”時期就已進入準備。2001年,科技部制定了“三縱三橫”的新能源汽車研發布局,燃料電池汽車當時便被列為重點。

  20多年來,以氫能作為主要燃料的燃料電池汽車,在我國的發展有目共睹。我國現已掌握車用氫燃料電池的核心技術,基本建立具有自主知識產權的燃料電池動力系統平臺,并進行了示范運行。在壽命、可靠性、可使用性等方面,氫燃料電池均基本達到車輛使用要求,具備大規模示范的基礎并趨于成熟。

  不過也應看到,我國目前投入示范的車輛基本為大巴車,相關部門提出的1000輛示范,主要也是大巴車。換句話說,氫燃料汽車尚處大規模商業化的導入階段,要作為乘用車走進尋常百姓家依然任重道遠。

  中國能源報:國際的整體發展現狀如何?與其相比我國存在哪些主要差距?

  衣寶廉:國際上大約可分三個發展階段,從上世紀90年代開始探索,證明燃料電池車可滿足汽車應用性能的要求;2005-2012年主要解決電池壽命問題,例如美國能源部要求大巴車燃料電池壽命大于1萬小時、轎車大于5000小時等;目前已進入商業化初始階段,主流車企不斷推出新款燃料電池汽車,但也面臨成本、加氫站配套等難題。

  整體而言,氫燃料汽車暫未進入預想的大規模上升期。我認為,實現盈利還需5年左右時間,大幅提高則要到2025-2030年。

  而對比國際先進水平,我認為國產整車性能并不差,但在燃料電池發動機的可靠性與耐久性方面,仍有一定差距。國外燃料電池堆在轎車上已經大于5000小時,客車工況下已突破2萬小時壽命。國內新源動力,電堆運行壽命已達5000-8000小時,當然還需改進提高,此外在電堆的比功率方面還需向國際水平靠攏。新源動力的電堆已在國內首款商業化的燃料電池汽車上汽大通FCV80上得到應用。FCV80燃料電池車已公開銷售,扣除政府補貼售價30萬,是國內燃料電池車的一個亮點。

  耐久性、可靠性與經濟性是瓶頸

  中國能源報:“可靠性、耐久性”難題的根源何在?有何解決方向?

  衣寶廉:燃料電池的發電原理是把燃料中的化學能直接轉化為電能。一方面,在額定工作條件下,1節單電池的工作電壓約為0.7伏,車用燃料電池正是由數百節這樣的單電池組成,一致性運行的難度加大,系統復雜也給可靠性帶來挑戰。另一方面,內燃機在燃油車中已有100多年應用,技術十分成熟,車用燃料電池僅有20余年實踐,難免存在不足。

  如何讓燃料電池運行更久、更穩定?我認為可從系統與控制策略入手,通過調整優化,讓燃料電池處于更有利的運行狀況下,減少甚至避開不利條件,達到延緩衰減的目的。同時,持續加速新材料研發,當能抵抗車用苛刻工況的新材料技術發展成熟時,材料本身的機械性損傷減小,系統有望進一步簡化,從而延長電池壽命。

  中國能源報:除此之外,還有哪些主要制約?

  衣寶廉:另一關鍵是成本。雖有諸多示范,但現階段考慮更多的是技術可行性,并未過多關注成本。從整車造價看,氫燃料汽車成本仍是燃油車的3-4倍,是鋰電池汽車的1.5-2倍。要走向商業化,經濟性必不可少。

  例如,催化劑作為氫燃料電池的核心部件,鉑是其中必不可少的材料。鉑就是通常所說的白金,全世界產量都很有限,價格自然就上去了。為降低成本,要么尋找替代,要么通過技術手段降低用量。目前,國際先進技術下的鉑用量低至0.2g Pt/kW,我國平均在0.4g Pt/kW左右。我認為,每輛車中的鉑用量低至5-10克時,即0.1g Pt/kW,才能真正達經濟性要求,這相當于汽車尾氣凈化器中的鉑用量。

  此外,部分關鍵材料、零部件及配套工藝等,目前仍依賴進口。國內市場暫未形成氣候,我們也未完善自己的燃料電池產業鏈,無形中徒增成本。

  技術可行走向商業可行

  中國能源報:基于上述瓶頸,氫燃料汽車如何實現進一步推廣?

  衣寶廉:首先應認識到,我國發展氫燃料汽車擁有先天優勢。作為全球之最的用氫大戶,包括煤制氫、電解水制氫在內等方式,都為燃料供應奠定充足保障。每年僅副產氫量,我國就達1000多萬噸,再加上棄光、棄水電量年可制氫約300萬噸,這1300萬噸氫足可供燃料電車汽車使用。而這也是歐美、日本等地不具備的優勢。

  其次要想實現大規模發展,作為核心部件的燃料電池,還需跨過以下幾關:一是“壽命關”,至少實現0.5-1萬小時,才能滿足車用要求。二是經濟性,車輛在扣除政府補貼后,應達到與燃油車、鋰電池車相近的價格水平。在此情況下,哪怕政府補貼退坡,也能繼續保證氫燃料汽車的商業化推廣。第三是核心部件、關鍵材料的國產化,既要在技術層面研發突破,也要建立燃料電池電堆、系統等批量生產線。

  推廣方式上,我認為可從大巴、物流車出發,再逐步向乘用車推廣。一方面,我國現有已建、在建的加氫站只有40多座,配套設施仍待完善,而商用車對加氫站的依賴相對較低,可率先嘗試。同時,或可在棄光、棄水較為嚴重的地區先行發展,由此縮短運輸距離、降低難度。至少應保證示范車輛的出行率在90%以上,然后通過各角度對比完善,由技術性可行向商業化可行過渡。

  中國能源報:推廣中還有哪些值得注意的問題?

  衣寶廉:不久前,全國燃料電池及液流電池標準化技術委員會剛剛討論通過《燃料電池電動汽車燃料電池堆安全要求》,并決定將這項填補國內空白的標準作為推薦性國家標準。為配合下一步的大規模運行,針對安全、技術等方面的行業標準應盡快跟上,從制度上規范燃料電池汽車的未來發展。

 
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