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中國工程院院士衣寶廉:燃料電池汽車現狀與遠景

2021-09-06 來源:蓋世

2021年9月3日-5日,由中國汽車技術研究中心有限公司、中國汽車工程學會、中國汽車工業協會、中國汽車報社聯合主辦,天津經濟技術開發區管理委員會特別支持,日本汽車工業協會、德國汽車工業協會聯合協辦的第十七屆中國汽車產業發展(泰達)國際論壇(以下簡稱泰達汽車論壇)于2021年9月3日-5日在天津市濱海新區召開。本屆論壇圍繞“融合?創新?綠色”的年度主題,聚焦行業熱點話題展開研討。


在9月5日“熱點聚焦:新示范政策引領下的燃料電池汽車產業化突破路徑”中,中國工程院院士衣寶廉發表了題為“燃料電池汽車現狀與愿景”的主旨演講。


遠景,電池,燃料電池,泰達,氫能源


中國工程院院士  衣寶廉


以下為演講實錄:


各位領導和專家大家好,我的報告題目是燃料電池汽車現狀與愿景。


習主席在2020年9月22日宣布在七十五屆聯大會議上宣布,中國將提高國家自主貢獻力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力爭在2030年達到高峰,努力爭取2060年實現碳中和。要實現30-60碳達峰碳中和,必須大力發展可再生能源,利用可再生能源電解水制備綠氫,即可實現儲能和可再生能源的再分配,還可實現難于脫碳領域如交通、冶金、建筑等領域的脫碳。


燃料電池汽車的產業化是氫能應用的突破口,我們要堅持自主創新,突破卡脖子技術,實現關鍵材料與部件的批量生產,大幅度降低燃料電池車、加氫站建設和氫源的成本,盡快實現燃料電池汽車的產業化。


燃料電池的發電原理是電化學,因此它的轉化效率比較高,可以達到60%左右,燃料電池主要是由電解質膜、電催化劑、擴散層和雙極板等關鍵材料構成。燃料電池的工作方式是內燃機的,它要構成一個系統,燃料電池是發電的場所。這個系統是由燃料電池電堆、燃料供給系統、氧化劑供給系統、水液管理系統、電控系統來構成,因此燃料電池是比較安全的。如果燃料電池堆發生故障,只要把氫源切斷,不會產生燃燒和爆炸。另外,燃料電池比能量非常高,可以達到每公斤0.5~1千瓦每小時,因此它特別適合于重載車和長途車。


把燃料電池發動機裝到車上,我們用氫瓶來代替油箱,用燃料電池發動機來代替內燃機,得到的好處就是沒有尾排,尾排僅僅是水。


燃料電池車的構型,燃料電池是由燃料電池發動機來推動的,那么燃料電池通過大電流、低電壓的發電設備,通過DC/DC來增壓,和二次電池進行混合推動電機,電機來推動燃料電池車。燃料電池車特別適合長途重載車。燃料電池的優點一是能量比較高,另外電堆和氫罐是分開的,因此比較安全。第三個燃料電池續駛里程,加氫時間駕駛的舒適型均可與燃油車艷美。


但是燃料電池要想產業化,必須攻克:一是目前燃料電池發動機貴導致一輛燃料電池車的售價是燃油車的兩倍到三倍、鋰離子電池車的1.5到2倍。二是加氫站建設費用比較高,達到每個加氫站1200萬元到1500萬元,在加氫站加氫的費用比較高,達到60-80元,只有降到30元以下才能和燃油車競爭,因此要實現無補貼的燃料電池商業化,必須大幅度降低燃料電池發動機的成本和氫氣成本,同時降低加氫站的建設費用。


國家為了解決卡脖子技術問題和實現燃料電池車的產業化,提出了燃料電池車示范城市群的意見。現在這個已經通過了初步評審,很快就會宣布。


那么要想降低燃料電池電堆的成本,我們必須提高電堆的比重率。二是實現關鍵材料,電催化劑、質子交換膜、雙極板、膜電極三合一和電堆批量生產。三是依據工況和電堆適宜的運行條件制定控制策略,確保電池系統的可靠性與耐久性。四是燃料電池的PEMFC典型極化曲線,它由三部分反映出,一個是歐姆極化,一個是擴散極化,還有一個最大的化學極化。我們一定要降低這三個極化,才能夠大幅度提高燃料電池堆的比功率。


另外燃料電池車所用的電堆是用鉑來做催化劑的,現在國內達到了每千瓦0.3克鉑,國際上達到了每千瓦0.2克鉑左右,我們要降到0.1克鉑以下才能實現燃料電池商業化。


我們所做的國家Pt38催化劑,已經在新源動力車上通過實驗。這是我們做的超小鉑銅合金催化劑,這個催化劑活性是碳鉑3.8倍,我們正在想辦法商業化。


再一個就是減少膜的厚度,這是我們評價的杜邦公司生產各種厚度的膜,我們發現膜越薄電池性能越好,但是膜薄了以后要提高機械強度,減少化學衰減。這是我們做的用PGFE增強膜,厚度可以比現在用的Aafion更薄,但是它的強度并不下降,另外我們在膜里可以加有自由基催列劑來減少膜的化學腐蝕。


這是我們做的戈爾的超薄膜,厚度可以達到7.5到8微米,性能現在是燃料電池當中的最薄的膜。有了膜,有了催化劑,那么我們就要制備MEA,現在膜電極三合一有三種制法,常規方法就是主要是用涂抹電極,這是最傳統的方法。第二種方法是CCM,把催化劑加料噴涂到膜上,這種是現在電動車用的最普遍的制備方法。第三種方法是有氣化電極,可以大幅度減少極化,現在還在發展當中。


這是我們所發明的利用高電壓來噴涂,而不是用機械噴涂制備膜電極的方法。這種方法制備出來的膜催化成可以達到一定有序化,性能可以一定提高,每平方厘米2.1瓦左右。


這是圍繞適應批量生產,我們正在發展的狹縫模具式涂布和輥式涂布。這兩種方法都可以實現大批量生產,我們想在這種方法加上電位,使催化繩具有一定的有序化,來提高電極的性能。


有了MEA我們要裝電堆還需要雙極板,現在有三類雙極板,有金屬板,金屬板上面要有一個涂層,還有復合板,用金屬做基底,做分割氣體的基底。另外加上一個擴散層,就是一個導電的氣體分配層。雖然國內新源動力采用碳分散層,豐田采用的是網狀留層,還有一個是用機加工做的碳無孔金屬石墨碳板。


我們做的金屬板,我們已經解決了金屬板的沖壓工藝和焊接工藝。正在做表面改進,已經在車上進行考驗壽命還是很好的,表面涂層還是很好的。這是我們發展了3D流場,在流場當中加入一定角度的擋板,這樣的話可以改進氣體向催化層的傳旨,因此要解決排水和傳旨當中的矛盾,要選擇一個合適的角度。


如果有了雙極板,有了MEA,有了密封件,我們就可以檢驗電堆,電堆是按照按壓力機方式進行組裝的。那么在組裝電堆的時候,要考慮好MEA的壓拉和變形,這里有一個公式,通過大量實驗做出公式,通過這個公式在做沒裝堆之前設計高度,這個電堆才能更均勻。這是我們裝的100千瓦的電堆,它的平方差達到0.12毫伏,我們希望降到15個毫伏,現在正在改進。


燃料電池的成本如果實現批量生產,它的成本會大幅度下降,所以現在在五部委城市群示范計劃領導下,我們先要解決卡脖子技術問題,解決批量生產問題,來大幅度降低燃料電池成本,使它能夠接近鋰電池電動車成本,這樣燃料電池車在重載和長途運輸車就可以實現產業化。


我們解決了卡脖子技術,實現了批量生產,我們還要創新驅動來解決燃料電池的技術發展,實現燃料電池乘用車的商業化。


第一我們要簡化電池系統和電堆結構,降低燃料電池發動成本和延長電堆壽命。比如采用薄膜、氫空逆流,可以去除增濕器。陽極水管理、消除局部反極,延長電堆壽命。我們可以消除擴散層,來降低電堆成本。


另外我們要研發高溫膜和抗毒的電催化劑,降低氫氣成本。研發高溫膜,使燃料電池在近200度工作,即抗一氧化碳的毒化作用,又有利于燃料電池派熱河消除二向流提高電堆一致性,進而提高工作電流密度和電堆比功率,利用有序化電極應用,大幅度降低鉑用量。


我們要研發抗毒的陽極電催化劑,讓燃料電池能吃粗氫,降低燃料電池的成本,實現乘用車和商用車的商業化。


氫源現在有三種來源,一個化石燃料制氫,一個工業富產氫,還有一個電解水制備綠氫。富產氫最好的只要脫除氯就可以了,合成氨工業的釋放氣必須脫除微量的氨,丙烷脫氫丙烯必須脫除烴類。


發展精準對燃料電池有毒雜質的凈化方法,制訂標準、規定檢測方法和設備,達到精準的富產氫的凈化來降低氫的成本。


化石燃料制氫技術比較成熟,成本比較低,但要將二氧化碳封存,因此煤制氫每標方0.8元,天然氣制氫不高于2塊錢。因此日本在澳洲搞褐煤制氫,二氧化碳封存,通過甲基環已烷至日本,再脫氫為甲苯,制取氫氣。另外在沙特用天然氣重整制氫,將氫液化再運到日本。我建議利用我們電解水制氫的副產氧、進行煤制氫,收集產生的二氧化碳注入油井,來提高產油率。另外開發天然氣催化裂解制備氧氣和固體碳,提高氫氣的純度和減少二氧化碳的排放。


電解水制氫可再生能源,我們可再生能源棄風、棄水、棄光于電解可制氫300萬噸左右。


現在電解水制氫有三種電解水方法,一個是SOEC電解,一個是質子膜電解和堿性電解三種電解技術,這三種方法我們國家堿水電解法是世界上售價最低的,我們質子交換膜正在進行兆瓦極的實驗建廠。


大連化物所發展燃料電池的同時就開始發展電解水制氫,開始制訂堿水電解,進而搞了質子交換膜電解,現在已經做到300千瓦電解槽,已經跟陽光電源簽訂了合作協議。我們的大面積的電解水達到三百到五百千瓦,兆瓦級的氫能科技示范,國網在安徽搞的,準備試驗我們兆瓦級的電解膜交換水。


長距離輸送也是氫比較大的問題,氫的長距離輸送有三種方案可選,一個是制氫送到天然氣管網,跟天然氣一起送到用戶。再一個可再生能源電解水制氫,將氫綠化,用車送到各個能源。第三個就是可再生能源電解制氫根收集二氧化碳進行合成甲醇,我們李燦院士進行了這方面研究。


我建議利用三北地區豐富的水電、風電、太陽能發電,大力發展質子交換膜電解水制氫,送入天然氣管網,在需要氫氣的地方,當氫濃度大于5%時,可采用膜分離從天然氣氫混合物中提取純氫。當氫濃度低時,可抽取等熱值天然氣進行重整制氫,在近海地區發展海上風電,電解水制氫,利用氫氣管道,輸送海港,將氫液化作為商品,也可用列管車送至附近的加氫站。加氫站也可以建立電解水制氫裝置和天然氣重整制氫裝置。


氫安全,最后一個問題,人們已經習慣于汽油作燃料,對于氫氣還缺乏了解,要利用氫氣易于檢測,擴散速度快,在可能有氫泄漏的地方加上氫氣傳感器,當氫濃度高于千分之五時,聯動風機自動啟動,確保氫安全。所以我們主張就是要做廉價的、可靠的氫氣傳感器,同時不管是室內和室外,在氫氣可能泄漏的地方都加上氫氣傳感器和聯動風機。這樣來確保室內和室外,特別是加氫站和制氫場所的氫安全。


氫是向上跑的,所以汽油車都燒沒有了,氫氣車還是完整的。另外挪威加氫站爆炸,爆炸以后加氫站形狀還存在。要是俄羅斯汽油加氫站爆炸以后,基本上看不到了。所以利用氫擴散速度比較快這一點和容易檢測這一點,我們確保氫安全。現在全世界有三萬到四萬輛燃料電池車在運行,沒有一輛燃料電池車發生燃燒和爆炸。


最后我們講一下結語,實現燃料電池關鍵材料和部件的產業化并批量生產,同時提高電堆的比功率就可以大幅度降低燃料電池發動機的成本,進而降低燃料電池車的成本。靠技術創新,簡化電堆結構和電池系統,采用超低鉑有序化電極化大幅度降低鉑用量,將燃料電池車的成本降到鋰離子電動車水平,并實現乘用車商業化。二、大力發展可再生能源電解水制備綠氫,采用天然氣或純氫管網輸送氫氣,加氫站加的氫可降至每公斤30元以下,車的運行費用就可以和燃油車競爭了。三、實現氫氣壓縮機,高壓儲氫瓶和加氫機等國產化和批量生產,建油、氫、電合建站,就可以大幅度降低加氫站的建設費用,待加氫站達到一定密度,再示范商業化乘用車。


謝謝大家!


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