作者:赵广立 来源:中国科学报 发布时间:2021/7/1 16:34:04
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中国工程院院士衣宝廉:
规模发展氢燃料电池车的三条“锦囊”

 

6月26~28日,2021全球智慧出行大会暨第二届中国(南京)国际新能源和智能网联汽车展览会(GIMC 2021)在南京召开。会上,中国工程院院士、中国科学院大连化学物理研究所(以下简称大连化物所)研究员衣宝廉在题为“燃料电池车的现状与愿景”的报告中表示,燃料电池车(FCV或FCEV)绿色、动力性能、安全性等优势明显,但未来要实现规模应用,降低燃料电池车与运行成本是关键。

对于如何降低成本,衣宝廉分别从燃料电池创新、优化制氢和氢能储运方案等角度,提出三条“锦囊”。

FCV优势多,且具有更高安全性

FCV的的动力燃料主要是氢能。“FCV与传统内燃机汽车很相似:FCV的氢瓶相当于传统汽车的油箱,燃料电池发动机相当于内燃机,但传统汽车的尾气排放是污染物,氢燃料电池车的尾排是水。”衣宝廉认为,与其他电动车(混合动力车、纯电动汽车)相比,燃料电池车具有续驶里程长、动力性能高、燃料加注时间短、安全性好等优点。

他解释说,由于燃料电池的比能量高,可达0.5-1.0KWH/Kg,因此特别适合重载卡车或大客车;同时,氢燃料电池车的续驶里程、加氢时间、驾驶舒适性均可与燃油车媲美。此外,由于FCV的电堆与氢罐是分开的,电堆不会产生爆炸,提高了发动机的安全性。

衣宝廉提到,人们已经习惯于以汽油作燃料,但是对氢气这种燃料还缺乏了解。事实上,氢的物理特性让其更能保障应用安全。“在开放空间,氢气的扩散系数是汽油的12倍。利用氢易于检测、扩散速度快等特点,在可能有氢泄漏的地方加装氢传感器,当氢浓度高于千分之五时,联动风机自动启动,可确保氢安全。”他说。

退一步讲,即便发生爆炸事故,氢的危险程度也更小。衣宝廉解释说:“发生爆炸时,氢气燃料由于密度远低于空气,会迅速上升扩散,爆炸将发生在气源上方;对比而言,汽油发生爆炸是在燃料的泄漏处,危险程度要远大于氢气。数据显示,汽油的爆炸能量是相同体积气体的氢气的22倍。”

降低成本是“必须要攻克的难点”

氢燃料电池汽车的优点显著,但成本等制约其发展的因素也摆在桌面上:目前不仅燃料电池发动机贵,加氢站的建设成本、制氢加氢成本等都居高不下。

衣宝廉列出了一组数字:目前由于燃料电池发动机贵,导致一辆车售价是燃油车的2~3倍,锂离子电池车的1.5~2.0倍;一座加氢站的建设费用,高达1200~1500万元;高成本的加氢站导致加氢费用居高不下,当前每公斤高达60~80元。

“只有加氢费用降到每公斤30元以下,FCV才能与燃油车竞争。”衣宝廉说,要实现无补贴的FCV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,“这些是必须要攻克的难点。”

2020年4月,财政部发布《关于开展燃料电池汽车示范推广的通知》(征求意见稿),重点支持珠三角、长三角、京津冀及中部地区的城市开展燃料电池产业化示范应用,示范为期4年。值得注意的是,该示范并非直接补贴。示范期间中央财政将按照结果导向,对围绕FCV关键零部件核心技术攻关、采取科学有效措施降低各类成本的示范城市,采取“以奖代补”方式给予奖励。

降本增效的三条“锦囊”

要降低FCV的成本,要从燃料电池上作文章。而燃料电池的基本单元——单电池又由膜电极组件(MEA,由电解质膜、电催化剂、扩散层等组成)和双极板组成,因此,降低成本的技术创新还要从膜电极组件下手。

衣宝廉介绍说,大连化物所相关研究团队已经通过改进电催化剂、质子交换膜,提高MEA性能、探索MEA批量生产技术等科技攻关,取得了一定的进展。比如,他们制取的“超小铂铜合金催化剂”,质量比活性是传统铂碳催化剂的3.8倍;通过对MEA催化层、气体扩散层的配方和工艺的优化,实现了MEA性能提高、铂用量降低等。基于这些研究成果,他们开发了不同功率和规格的系列化燃料电池电堆,并在一些新能源车型中试用。

“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的成本,进而降低燃料电池车的成本。”衣宝廉说,此外,还要依据工况和电堆适宜运行条件制定控制策略,以确保电池系统的可靠性与耐久性。

PCV降成本靠电池,PCV加氢降成本靠什么?衣宝廉给出的“锦囊”是:优化制氢来源和储运方式。

“制氢的方案有三种:工业副产制氢、化石燃料制氢和可再生能源制氢。三种方法中,石油化工、焦化、氯碱合成氨、甲醇等工业副产氢潜力巨大,但这需要我们发展精准对燃料电池有毒杂质的净化方法、制定标准、规定检测方法和仪器;同时也要开发新的化石燃料制氢方法,比如采用天然气热催化裂解法,制备氢气和固态碳,做到零碳排放。”衣宝廉说:“而最好的办法,就是大幅度发展可再生能源制氢。”

衣宝廉说,我国仅四川、云南两地每年弃水电量就超过400亿千瓦时,三北地区弃风电量近500亿千瓦时,西北五省平均弃光率20%,若将弃风、弃水、弃光电量用于电解制氢,年产可达300万吨。

因此,他建议,应利用丰富的可再生能源,大力发展目前较为成熟的质子交换膜(PEM)电解水制氢,然后采用管网输送氢气——氢气可借道天然气管网,在需要氢气地方,当氢浓度高时(如大于5%)可采用膜分离器从天燃气和氢混合物中提取纯氢,当氢的浓度低时,可抽取等热值天然气进行重整制氢。如此,加氢站加氢成本可降至每公斤30元以下,“就可以和燃油车竞争了”。

据了解,大连化物所开展PEM电解水技术研发的历史已有二十多年,技术已趋成熟落地。2020年,他们承担了国网安徽省电力有限公司兆瓦级氢能综合利用站科技示范项目,采用的就是PEM电解水制氢。

衣宝廉还给降低加氢站建设成本提供了一个“锦囊”:“实现氢气压缩机、高压储氢瓶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的建设费用。”

“基于上述‘锦囊’,我们可以先商业化对加氢站依赖度低的商用车,待加氢站达到一定密度,再示范、商业化DCV乘用车。”衣宝廉最后表示。

 
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