展望2019年,中国的车用燃料电池技术要在国际上具有竞争力,重要的是要降低成本、提升电堆的工作电流密度和比功率、电池系统的可靠性和耐久性,需要科研院所与企业界联合攻关,大力完善发展燃料电池产业链,加快促进我国燃料电池汽车商业化。

衣宝廉

目前我国政府非常重视新能源汽车的发展,燃料电池汽车具有动力性能高、加氢快、充电快、续航里程长、接近零排放等优点,成为新能源汽车的有力竞争者,也迎来了难得的发展机遇。2018年被称为氢燃料电池汽车产业化快速发展年,展望2019年,中国的车用燃料电池技术要在国际上具有竞争力,重要的是要降低成本、提升电堆的工作电流密度和比功率、电池系统的可靠性和耐久性,需要科研院所与企业界联合攻关,大力完善发展燃料电池产业链,加快促进我国燃料电池汽车商业化。

步入产业导入期

过去十多年间,在国家科技计划和产业技术创新工程的支持下,我国开展了氢能燃料电池汽车的研究、开发、示范、运营工作,初步形成了从燃料电池电堆、电池系统,到整车研发体系和制造的能力,开展了系统的示范运行。

2014年12月15日,日本丰田公司开始销售MIRAI汽车,同时宣布专利可以无偿使用,这对燃料电池汽车发展具有重大意义。从国际上看,燃料电池汽车已经渡过技术开发阶段,进入市场导入阶段。从国内来看,燃料电池关键材料的研究已达国际先进水平,全国政协副主席万钢在长春科协年会上指出,氢燃料电池在寿命、可靠性、适用性上基本达到了车辆使用要求,中国初步掌握了相关的核心技术,基本建立了具有自主知识产权的燃料电池动力系统技术平台,未来主要是加强协同创新,加快推进燃料电池产业的全面发展。

具体来看,在技术层面,氢燃料电池发动机功率得到大幅度提升,用70兆帕气瓶已经可以跑500千米以上,基本上满足零下30摄氏度启停工况要求。在电堆方面,国际上燃料电池发动机已经达到了四缸内燃机的体积水平,去年本田宣布已经达到了六缸内燃机的水平,功率密度达到每立升3千瓦以上。目前,国内装车的电堆仅达到每立升2.0千瓦左右,比国外低了1/3左右。

在安全层面,燃料电池安全性比较高,但系统比锂电池复杂,同时燃料电池的动态响应比较慢。应对这一问题,最有效的解决办法就是采用电电混合动力——燃料电池+二次电池(超级电容器)的方案。二次电池具有削峰填谷的作用,这样就减少了燃料电池功率的变化速度和变化的幅度,在一定程度上弥补了燃料电池响应较慢的缺点,同时提高了燃料电池的寿命。因此,我国最先研发的氢燃料电池技术路线——电电混合技术,也成为目前世界上的主流。

未来,我国将大力推进燃料电池在特殊领域的应用,增强相关领域的实力;同时,在民用领域将集中解决寿命与成本兼顾问题,从材料、部件、系统等三个层次进行技术改进与创新,尽快推进燃料电池商业化步伐,提供高能效、环境友好的燃料电池发电技术,为建立清洁低碳、安全高效的现代能源体系做出贡献。

规模渐成 短板犹存

在具体应用方面,由于燃料电池发电原理是电化学,车用效率比较高,可以达到60%左右,因此与纯电动汽车和插电式混合动力汽车相比,更适合于大功率、长程的运输,应用在公交车和重载车方面有明显的优势。这也是燃料电池车代替柴油车的一个重点领域,早在2015年,由于燃料电池乘用车受加氢站的限制,日本丰田和日野合作开发燃料电池大巴,准备作为奥运会的通勤车。最近日本丰田公司又开始和美国肯沃斯合作开发重载汽车,准备在美国加州投运10辆氢燃料电池卡车,加州空气委员会为此提供了4500万美元的资助。

2018年,国内在示范运行层面已经行动起来,比如上海方面表示,准备投入400~500辆商用车示范运行,还要建立动力系统及零部件研发平台、氢能产业公共服务平台、燃料电池车运营保养中心三个平台。在河北省张家口,有74辆燃料电池车开始示范运行,其运行的意义在于证明寒冷条件下运行的燃料电池车只要解决了启动问题,会比锂电池车更具优越性,可以避免像锂离子电池受温度影响比较大的短板。

在企业层面,截至2018年,共有57家企业86个车型入选工信部销售目录,其中亿华通有23款、广东国鸿有20款,亿华通与神力合作研制了3种类型的燃料电池发动机,功率从30千瓦到60千瓦,都已实现装车示范运行。宇通客车已经开发了三代燃料电池车,在郑州开始示范运行。国鸿氢能引进巴拉德技术后,已经能够推出30~80千瓦的燃料电池电堆,在广东省云浮市装载了70辆燃料电池大巴车投入运行。

截至2018年底,我国共有2400多辆燃料电池车在运行,但运营加氢设施与国外差距较大。从世界范围来看,截至2017年底,全球运行的加氢站有328座,亚洲119座,欧洲139座,北美68座,南美1座,澳洲1座。其中,日本第一,91座;德国第二,45座;美国第三,40座。到2018年7月,我国共建成加氢站12座并投入运营,在建的加氢站有33座,距离2020年目标建成100座还相差较大。

电堆、系统需两手抓

2018年12月初,科技部发布《2019氢能等9大重点专项申报指南征求意见稿》明确提出,将对氢能与燃料电池关键零部件进行攻关。

目前,虽然燃料电池汽车整体应用性能,包括续驶里程、舒适性、加氢时间、低温适应性,基本都达到了燃油汽车的水平,但面临的问题是没有大批量的生产线,成本比较高,还要受加氢站的制约。这就需要尽快提高燃料电池体积、重量比功率,为燃料电池商用车应用降低成本,为燃料电池乘用车应用打好基础。

要想降低燃料电池发动机的成本,特别是电堆成本,首先要研究提高单体电池的比功率,降低化学极化、欧姆极化和传质极化。同时,燃料电池的寿命是电堆和系统双方配合的结果,所以同时加强电堆部分、系统部分关键部件的研发是今后努力的方向。具体措施包括:

首先,完善燃料电池发动机产业链,尽快实现电池关键材料如电催化剂,质子交换膜、MEA、双极板等批量生产,为降低电堆成本和提高电堆一致性奠定基础。例如,建立扩散层碳纸、催化剂、质子交换膜、电极、MEA生产线等,研发生产空压机、氢气循环泵等。

其次,提高燃料电池电堆的体积、重量比功率,为开发乘用车奠定基础。开拓燃料电池商用车市场也需要研发高体积、重量比功率的燃料电池电堆。这不仅是为了实现产品体积小的需求,更是为了降低产品成本。要想提高燃料电池电堆体积、重量比功率,核心是要提高电堆工作电流密度。目前,国内燃料电池电堆单池额定工况的工作电流密度已从每平方厘米0.5~1安培提高到了2~3安培,已经有很大的进步。但要改进燃料电池电堆,电堆的工作电力密度要提高,包括制备零部件的一致性和组装工艺的一致性,否则单片电压提再高也没有用。

再次,深入研发电堆的衰减机理,开发抗腐蚀、稳定的新材料,大幅度提高燃料电池发动机的可靠性和耐久性。可靠性和耐久性是靠系统和电堆共同来决定的,电堆进步了能促进系统的简化,所以电堆和系统要相互配合,通过关键材料的进步来简化电池系统。

此外,开展超低铂、非铂电催化剂理论与应用研究,从而进一步将燃料电池铂用量降低到小于0.1克/每千瓦,这是国际上燃料电池的基本要求。目前,从铂用量来看,国际上在每千瓦0.2克,国内0.4克左右,因此还需要做大量的工作。

最后,建立关键部件,包括电堆和电池系统的测试与耐久性快速评价方法。同时尽快建立中立性的检测机构,这样对推进我国燃料电池技术进步赶上世界先进水平会有重大作用。

从商业化路线图来看,在2020年前后,随着技术进步与规模效益的发展,燃料电池的成本将不断下降,竞争力会逐渐提升,燃料电池潜在市场也会逐步壮大。在国家大力支持下,通过加强与先进国家合作,在2020~2025年,我们应该能突破关键技术,使燃料电池汽车能进入S型曲线的起始阶段,大幅度的产业化推广估计要在2025~2030年间。

(作者系中国工程院院士、大连化学物理研究所研究员)

电池网(微号:mybattery)主站、微博、微信、手机客户端及电池智库(邮件直投)等全媒体平台及资源,每日精选电池产业链主流新闻、信息、数据等内容,每天覆盖国内外近百万用户或读者,咨询热线:400-6197-660,投稿信箱:zlhz@itdcw.com。

电池网微信
[责任编辑:赵卓然]

免责声明:本文仅代表作者个人观点,与电池网无关。其原创性以及文中陈述文字和内容未经本网证实,对本文以及其中全部或者部分内容、文字的真实性、完整性、及时性本站不作任何保证或承诺,请读者仅作参考,并请自行核实相关内容。

凡本网注明 “来源:XXX(非电池网)”的作品,均转载自其它媒体,转载目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。

如因作品内容、版权和其它问题需要同本网联系的,请在一周内进行,以便我们及时处理。电话:400-6197-660-2 邮箱:119@itdcw.com

中国电池网
燃料电池
商业化