作者:李惠钰 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2017/2/15 15:42:23
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“举氢若重”还需技术升级

 

新年伊始,氢燃料电池好消息频现。

日本丰田汽车表示,其氢燃料电池客车——丰田FC客车计划于今年正式上路运营;日本本田汽车和美国通用汽车也宣布,将合作生产氢动力燃料电池车的新一代系统,力争2020年左右开始投入量产。

我国新能源客车也杀出黑马,进入市场仅三年的行业新兵——中植汽车,近日发布了一款氢燃料电池城市客车,拟于今年上市销售,并争取当年销售额突破1.5万辆。

氢燃料电池被看做是新能源汽车的“终极模式”。中国工程院院士、中国科学院大连化学物理研究所研究员衣宝廉就曾公开表示,未来汽车市场可能呈三分天下、三国争霸的局面,氢燃料电池汽车便是其中之一——氢燃料电池汽车跑长途,发挥大功率优势;锂离子电动汽车用于市内近郊交通;混合动力燃油车份额较小但不会终结。

“氢燃料电池已进入产业化前夜,不久的将来会在大巴汽车、城际轻轨和高铁优先获得应用和产业化,并逐渐在可移动电子设备及航天与水下领域获得应用。”在接受《中国科学报》记者采访时,衣宝廉对氢燃料电池的应用前景深信不疑。

但就目前而言,昂贵的质子交换膜、用贵金属铂作为催化剂等,都导致氢燃料电池成本居高不下,在多位专家看来,降成本是氢燃料电池商业化的前提,而这就需要攻克多道技术难关。

未来或将“举氢若重”

衣宝廉表示,氢燃料电池有三大优势:与热机过程相比,能量转化效率高,可达60%以上;比能量高,包括燃料和氧化剂,如航天用氢氧燃料电池,比能量大于1千万时/千克;环境友好,排出的产物是水或水蒸气。正是凭借多种优势,氢燃料电池或将在国民经济中起到“举氢若重”的作用。

目前,氢燃料电池最标志性的应用就是氢燃料电池汽车,特别是大型客车。中国电池工业协会会长王敬忠告诉《中国科学报》记者,氢能源电池可根据每辆车设计储氢容器的大小,大客车储氢容器的容量相对较大,从而使得续航里程更长。

“目前,国内已进入燃料电池大巴车产业化的前夜。”衣宝廉表示,北京、上海、佛山、郑州、如皋五个城市在联合国环境开发署的支持下,已经开展了百辆级燃料电池大巴车的第三期示范运行。未来,氢燃料电池汽车在新能源汽车产业竞争中具有很大的优势。

而除了车用电池领域,燃料电池载人低空飞机目前也已试飞成功,特殊应用的再生氢氧燃料电池系统已完成样机研制和验收。

值得一提的是,随着技术逐渐成熟,氢燃料电池还有望在分布式电站等领域发挥作用,但目前尚处于研发和示范阶段。

衣宝廉表示,为确保可再生能源上网,又不影响电网的稳定性,就要大力发展不受规模、地域限制的各种储能电池。但目前应用的各种方法,如抽水储能、压缩空气储能等物理储能和各种电池的化学储能,只能解决每天或几天的可再生能源的存储,无法解决季节性不均(如冬天风能丰富、夏天太阳能丰富)的问题。

“要解决可再生能源季节性不均问题,就需要将可再生能源转化为可长时间存储的化学能,如燃料氢。所以,利用可再生能源电解水制备氢气成为国际开发和示范的重点。”衣宝廉进一步解释道,燃料电池用于储能,先是用燃料电池的逆过程“电解水”制成氢气,氢气可现场应用于燃料电池再发电,或进入附近天然气管道送达需要的地方。

目前,各国正在大力发展氢燃料电池的逆过程——质子交换膜型水电解槽。2015年,美国Proton Onsite公司就推出了适合于储能要求的M系列产品,M1和M2产品每小时产氢能力分别达到200立方米和400立方米,成为世界首套兆瓦级质子交换膜水电解池。

中科院大连化学物理研究所此前也开发出产氢气量为1标准立方米/小时、输出压力为1.0 兆帕的水电解制氢机,单机能耗氢气4.2千瓦时/标准立方米,优于国外产品。但这种电解槽成本高,需要继续降低成本进行示范,从而推进产业化进程。

“电解槽的商业化再与氢燃料电池组合,构成再生氢氧燃料电池,可以很好地解决季节性不均导致的弃风、弃光问题。从这种意义上看,再生型氢氧燃料电池还是一种有前途、很重要的储能电池。”衣宝廉说。

降成本是产业化的前提

虽然氢燃料电池是公认的“零排放”绿色能源,但经过多年研究却仍未规模化应用,成本高昂是其主要原因。

“金属铂是氢燃料电池最重要的催化剂,目前,全球金属铂的产量十分有限,也就仅够制造几百万辆氢燃料电池车,成本较高,因而减少金属铂的用量以及寻找可替代的催化剂十分重要。”王敬忠说。

“国内要实现关键材料与部件如质子交换膜、电催化剂、碳纸与双极板的批量生产,为降低成本奠定坚实基础。”衣宝廉表示,还要加强超低铂和非铂电催化剂、电极结构与制备工艺、流场结构与传质关系等基础研究,特别是要将贵金属铂的用量大幅度下降,车用铂降到每千瓦仅用0.1克左右。

衣宝廉还提出要提高电池的工作电流密度,“如将电池的工作电流密度提高一倍,电池输出功率就提高一倍,原材料减少近一半,成本可下降30%~40%。”

而从氢燃料电池汽车的角度来讲,成本下降还牵涉到规模化发展的问题,但目前加氢站的布局却成为规模化的“拦路虎”。

“丰田推出的燃料电池轿车‘未来’售价五万美元,比锂离子电池车稍贵,要建立生产线,实现批量生产,成本还会下降,但目前受加氢站数量的限制,轿车还不可能大量投放市场。”衣宝廉说,对加氢站依赖度低的大巴,以及有固定运行线路的各种专用车和轻轨,应是氢燃料电池优先实现产业化的最佳选择。

仍需攻克多道难关

除了成本控制难题,氢燃料电池商业化仍有多道关卡亟待攻破。

衣宝廉称,氢燃料电池还需要提高可靠性与耐久性。要加强电堆和电池系统可靠性与耐久性研究和实验,达到车用燃料电池系统——轿车5000小时、大巴1万小时、民用发电4万小时的寿命,并发展快速评价方法。

另外,他还建议强化电堆和电池系统评价实验室的建设,大力开展电堆和电池系统的实验研究与评价,发现电堆衰减机理并提出解决对策,提高电池寿命。

而在王敬忠看来,氢燃料电池对储氢容器要求较高,安全性问题也值得重视。“大客车速度慢,碰撞损害低,但如果是速度较快的小客车,碰撞就会存在巨大隐患,氢燃料电池防撞装置是一个亟待解决的问题。”

目前,国家对氢燃料电池的扶持政策十分给力。未来5年,氢燃料电池车国家补贴分别为:燃料电池客车50万元,燃料电池中重型物流车50万元,燃料电池轻型物流车30万元,燃料电池轿车20万元;在加氢站建设上,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,每站奖励400万元。

同时,《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》也明确提出2020年实现燃料电池车批量生产和规模化示范应用,燃料电池将从“研究开发、示范应用”阶段向“产业化”阶段转折。在业界看来,这一《规划》或是氢燃料电池产业化的起点。

为加快氢燃料电池的产业化应用,衣宝廉还建议要鼓励企业进入燃料电池产业化领域,如建立关键材料生产线,进行燃料电池车的示范运行和燃料电池轻轨的实验研究。

在配套设施建设方面,武汉理工大学教授潘牧提出,可以考虑在加油站旁边建加氢站,将来随着加油站逐渐减少,加氢站扩大,最后加油站转变成加氢站。

清华大学教授李建秋则希望各个地方发展氢燃料电池要因地制宜,不要在没有氢气的地方推广,而是要在氢气富余、氢基础设施比较好的地方来推广。

总之,憧憬未来,专家表示,氢燃料电池“三分天下有其一”的景象,或许为期不远。

 
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