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中国工程院院士衣宝廉:燃料电池汽车现状愿景与氢源

日期:2021-12-16    来源:中国新能源发展论坛

能源资讯中心

2021
12/16
16:12
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关键词: 燃料电池汽车 盐城新能源 氢能产业

编者按

2021中国新能源发展论坛分论坛——氢能主题论坛召开期间,来自氢能领域的专家学者、行业代表齐聚一堂,共同探讨氢能产业高质量发展路径。现摘录部分嘉宾精彩发言,持续推送给关心盐城新能源产业发展的各界人士!

中国工程院院士衣宝廉以视频的形式出席氢能主题论坛并发表主旨演讲《燃料电池汽车现状愿景与氢源》:

要实现30·60碳达峰和碳中和,必须大力发展可再生能源,利用可再生能源电解水制备绿氢,即可实现储能和可再生能源的再分配,还可实现难于脱碳领域如交通、冶金、建筑等领域的脱碳。

燃料电池车的产业化是氢能应用的突破口,要坚持自主创新,突破卡脖子技术,实现关键材料与部件的批量生产,大幅度降低燃料电池车,加氢站建设和氢源的成本,尽快实现燃料电池车的产业化!

燃料电池的发电原理是电化学。因此,它的效率比较高,在60%左右,燃料电池的核心材料是电解质膜、电催化剂、扩散层和双极板。工作方式是要构成一个系统,发电的核心燃料电池电堆,要有空气的供应系统和水热管理系统以及电控系统。

它具有两大特点,一是比较安全,燃料电池堆只要把氢端切断,燃料电池侧不会发生燃烧和爆炸。燃料电池的能量比较高,达到每公斤500瓦时和1000瓦时。把燃料电池装到车上,是利用氢能代替油箱,用燃料电池的发动机代替内燃机,那尾排仅仅是水,将没有任何污染物和二氧化碳。燃料电池发动机装到车上,这是在轿车上、大巴车上的布局。燃料电池是一个大电流、低电压的发电装置,它通过定期的增压以后,跟二次电池进行混炼,来推动电机,进而驱动车辆运行,现在已经被世界采用。

由于燃料电池的比能量比较高,所以它特别适用于长途车和重载车。电堆与氢罐是分开的,提高了发动机的安全性,电堆不会产生爆炸。氢燃料电池车续驶里程,加氢时间,驾驶舒适性均可与燃油车艳美。

必须攻克难点:目前燃料电池发动机贵,导致一辆车售价是燃油车的2倍多,锂离子电池车的1.5倍。加氢站的建设费用也高达1200-1500万元。在加氢站的加氢费用每公斤高达60-70元,只有降到30元以下才能与燃油竞争!因此,要实现无补贴的燃料电池车商业化,必须大幅度降低燃料电池发动机的成本和氢气的成本,同时降低加氢站的建设费用。

因此,国家五部委出台了文件,实现双轮驱动的商业化。要求每个城市群要有至少一千辆车,每个单车的运行要达到3万公里,现在第一批北京、珠三角、长三角地区已经批准,正在申报第二批。

要想降低燃料电池电堆与系统成本,提高电堆的比功率,降低铂用量。实现关键材料:电催化剂、质子交换膜、双极板、膜电极三合一(MEA)与电堆和关键部件如空压机等的批量生产。依据工况和电堆适宜运行条件制定控制策略,确保电池系统的可靠性与耐久性。

车载工况催化剂衰减,Pt资源有限、成本高,污染环境中毒。降低Pt用量,提高活性,或非Pt催化剂,提高稳定性。要把Pt用量降低,降到每千瓦0.1克以下。

全氟磺酸聚合物膜厚度对性能的影响,膜越薄性能越好,欧姆极化越小,但是膜薄了以后,机械强度下降,透气量增加。因此,要做更致密的复合膜。

膜减薄以后,可以大幅度降低欧姆极化,现在有三种办法,第一种是把催化层做到靠散层上,这个膜比较厚,30微米左右;第二种是把催化剂放到交换膜上,这是全世界都在用这种方法来做的,正在发展的是有序化电极。第三种是用部分有催化剂的催化层,装成电堆以后,Pt量每千瓦0.134克,这种方法适合于小批量电堆。

双极板,一种是无孔碳板,这种碳板抗腐蚀,有它的优越性,但是电堆性比较厚。第二种是负荷板,用膨胀石墨来做流程,最先把复合板进行了产业化,分别采用碳板做分割板,网状做流程,所以复合板现在实现了产业化。第三种是金属板,采用金属初扎成形,目前已经完成了,但是表面涂层正在形成考验过程当中。

燃料电池性能成本要大幅度下降,电堆成本从每千瓦5000到8000美元,现在已经降到了2000美元,我们希望通过关键材料和固电的批量生产,突破这些卡脖子技术,这个成本能够降到1000美元,首先实现商用车的产业化。

创新驱动燃料电池车的发展,简化系统和电堆结构,降低燃料电池发动机成本和延长电堆寿命,我们要采用薄膜、氢空逆流、去除增湿器、阳极水管理、消除局部反极,延长电堆寿命。消除扩散层,降低电堆成本。

研发高温膜和抗毒的电催化剂,降低氢气成本。研发高温膜,燃料电池在近200度的温度下工作,既抗一氧化碳毒化作用,又利于燃料电堆排热和消除二相流提高电堆一致性,进而提高工作电流密度和电堆比功率,利用有序化电极应用,大幅度降低铂用量。研发抗毒的阳极电催化剂,让燃料电池也能制氢,降低燃料氢气的成本。

氢气的来源现在有三类,一是化石燃烧制氢,二是工业副产氢,三是可再生能源制氢。利用副产氢,制定标准,这就需要搞燃料电池合作。化石燃料制氢比较便宜,但是会产生二氧化碳,要把二氧化碳封存,化学燃料制氢的成本大幅度升高,建议应利用电解水制氢的副产氧,进行煤制氢,收集产生的二氧化碳注入油井,提高产油率。开发天然气热催化裂解制备氢气和固态碳,做到零碳排放。

目前,我们正在进行兆瓦级的实验,正在研发的是固体氧化物制氢。氧化物所在开发燃料电池的同时,也进行了相应的电解水制氢的工作。现在已经做到300千瓦的电解膜,它的面积从300平方米放大到了1500平方米,能耗也是世界第一。

对于氢气车的安全,要利用氢的两个特点,一个是氢的扩散快,二是氢气容易检测。做廉价可靠的氢能的加氢站,氢气容易泄露的地方都加上传感器,这样就保证氢的安全。同时,利用它的两个特点,要大力发展氢能,提高清洁安全。现在全世界有3万多辆燃料电池车在运行,没有一辆车发生燃烧或爆炸,得益于氢传感器和排风系统的应用。

要实现燃料电池关键材料和部件国产化、批量生产,同时提高电堆的比功率,就可以大幅度降低燃料电池发动机成本,进而降低燃料电池车的成本。靠技术创新,简化电堆结构和电池系统,采用超低铂有序化电极大幅度降低铂用量,将燃料电池车的成本降到锂离子电动车水平。

大力发展可再生能源,电解水制备绿氢,采用天然气或纯氢管网输送氢气,加氢站加的氢可降至每公斤30元以下,燃料车的运行费用就可以和燃油车竞争了。

实现氢气压缩机,高压储氢瓶和加氢机等国产化和批量生产,建油、氢、电合建站,就可大幅度降低加氢站建设费用。待加氢站达到一定密度,再商业化乘用车。

(发言根据演讲速记整理,未经演讲人审核)

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