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中国工程院衣宝廉:燃料电池汽车现状与远景

泰达汽车论坛 2021-09-05 A+ A-
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摘要: 2021年9月3日-5日,第十七届中国汽车产业发展(泰达)国际论坛(以下简称泰达汽车论坛)在天津市滨海新区召开。本届论坛围绕“融合•创新•绿色”的年度主题,聚焦行业热点话题展开研讨。在9月5日“热点聚焦:新示范政策引领下的燃料电池汽车产业化突破路径”中,中国工程院院士衣宝廉发表了题为“燃料电池汽车现状与愿景”的主旨演讲。

2021年9月3日-5日,由中国汽车技术研究中心有限公司、中国汽车工程学会、中国汽车工业协会、中国汽车报社联合主办,天津经济技术开发区管理委员会特别支持,日本汽车工业协会、德国汽车工业协会联合协办的第十七届中国汽车产业发展(泰达)国际论坛(以下简称泰达汽车论坛)于2021年9月3日-5日在天津市滨海新区召开。本届论坛围绕“融合•创新•绿色”的年度主题,聚焦行业热点话题展开研讨。

在9月5日“热点聚焦:新示范政策引领下的燃料电池汽车产业化突破路径”中,中国工程院院士衣宝廉发表了题为“燃料电池汽车现状与愿景”的主旨演讲。

中国工程院院士 衣宝廉

以下为演讲实录:

各位领导和专家大家好,我的报告题目是燃料电池汽车现状与愿景。

习主席在2020年9月22日宣布在七十五届联大会议上宣布,中国将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力争在2030年达到高峰,努力争取2060年实现碳中和。要实现30-60碳达峰碳中和,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。

燃料电池汽车的产业化是氢能应用的突破口,我们要坚持自主创新,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,尽快实现燃料电池汽车的产业化。

燃料电池的发电原理是电化学,因此它的转化效率比较高,可以达到60%左右,燃料电池主要是由电解质膜、电催化剂、扩散层和双极板等关键材料构成。燃料电池的工作方式是内燃机的,它要构成一个系统,燃料电池是发电的场所。这个系统是由燃料电池电堆、燃料供给系统、氧化剂供给系统、水液管理系统、电控系统来构成,因此燃料电池是比较安全的。如果燃料电池堆发生故障,只要把氢源切断,不会产生燃烧和爆炸。另外,燃料电池比能量非常高,可以达到每公斤0.5~1千瓦每小时,因此它特别适合于重载车和长途车。

把燃料电池发动机装到车上,我们用氢瓶来代替油箱,用燃料电池发动机来代替内燃机,得到的好处就是没有尾排,尾排仅仅是水。

燃料电池车的构型,燃料电池是由燃料电池发动机来推动的,那么燃料电池通过大电流、低电压的发电设备,通过DC/DC来增压,和二次电池进行混合推动电机,电机来推动燃料电池车。燃料电池车特别适合长途重载车。燃料电池的优点一是能量比较高,另外电堆和氢罐是分开的,因此比较安全。第三个燃料电池续驶里程,加氢时间驾驶的舒适型均可与燃油车艳美。

但是燃料电池要想产业化,必须攻克:一是目前燃料电池发动机贵导致一辆燃料电池车的售价是燃油车的两倍到三倍、锂离子电池车的1.5到2倍。二是加氢站建设费用比较高,达到每个加氢站1200万元到1500万元,在加氢站加氢的费用比较高,达到60-80元,只有降到30元以下才能和燃油车竞争,因此要实现无补贴的燃料电池商业化,必须大幅度降低燃料电池发动机的成本和氢气成本,同时降低加氢站的建设费用。

国家为了解决卡脖子技术问题和实现燃料电池车的产业化,提出了燃料电池车示范城市群的意见。现在这个已经通过了初步评审,很快就会宣布。

那么要想降低燃料电池电堆的成本,我们必须提高电堆的比重率。二是实现关键材料,电催化剂、质子交换膜、双极板、膜电极三合一和电堆批量生产。三是依据工况和电堆适宜的运行条件制定控制策略,确保电池系统的可靠性与耐久性。四是燃料电池的PEMFC典型极化曲线,它由三部分反映出,一个是欧姆极化,一个是扩散极化,还有一个最大的化学极化。我们一定要降低这三个极化,才能够大幅度提高燃料电池堆的比功率。

另外燃料电池车所用的电堆是用铂来做催化剂的,现在国内达到了每千瓦0.3克铂,国际上达到了每千瓦0.2克铂左右,我们要降到0.1克铂以下才能实现燃料电池商业化。

我们所做的国家Pt38催化剂,已经在新源动力车上通过实验。这是我们做的超小铂铜合金催化剂,这个催化剂活性是碳铂3.8倍,我们正在想办法商业化。

再一个就是减少膜的厚度,这是我们评价的杜邦公司生产各种厚度的膜,我们发现膜越薄电池性能越好,但是膜薄了以后要提高机械强度,减少化学衰减。这是我们做的用PGFE增强膜,厚度可以比现在用的Aafion更薄,但是它的强度并不下降,另外我们在膜里可以加有自由基催列剂来减少膜的化学腐蚀。

这是我们做的戈尔的超薄膜,厚度可以达到7.5到8微米,性能现在是燃料电池当中的最薄的膜。有了膜,有了催化剂,那么我们就要制备MEA,现在膜电极三合一有三种制法,常规方法就是主要是用涂抹电极,这是最传统的方法。第二种方法是CCM,把催化剂加料喷涂到膜上,这种是现在电动车用的最普遍的制备方法。第三种方法是有气化电极,可以大幅度减少极化,现在还在发展当中。

这是我们所发明的利用高电压来喷涂,而不是用机械喷涂制备膜电极的方法。这种方法制备出来的膜催化成可以达到一定有序化,性能可以一定提高,每平方厘米2.1瓦左右。

这是围绕适应批量生产,我们正在发展的狭缝模具式涂布和辊式涂布。这两种方法都可以实现大批量生产,我们想在这种方法加上电位,使催化绳具有一定的有序化,来提高电极的性能。

有了MEA我们要装电堆还需要双极板,现在有三类双极板,有金属板,金属板上面要有一个涂层,还有复合板,用金属做基底,做分割气体的基底。另外加上一个扩散层,就是一个导电的气体分配层。虽然国内新源动力采用碳分散层,丰田采用的是网状留层,还有一个是用机加工做的碳无孔金属石墨碳板。

我们做的金属板,我们已经解决了金属板的冲压工艺和焊接工艺。正在做表面改进,已经在车上进行考验寿命还是很好的,表面涂层还是很好的。这是我们发展了3D流场,在流场当中加入一定角度的挡板,这样的话可以改进气体向催化层的传旨,因此要解决排水和传旨当中的矛盾,要选择一个合适的角度。

如果有了双极板,有了MEA,有了密封件,我们就可以检验电堆,电堆是按照按压力机方式进行组装的。那么在组装电堆的时候,要考虑好MEA的压拉和变形,这里有一个公式,通过大量实验做出公式,通过这个公式在做没装堆之前设计高度,这个电堆才能更均匀。这是我们装的100千瓦的电堆,它的平方差达到0.12毫伏,我们希望降到15个毫伏,现在正在改进。

燃料电池的成本如果实现批量生产,它的成本会大幅度下降,所以现在在五部委城市群示范计划领导下,我们先要解决卡脖子技术问题,解决批量生产问题,来大幅度降低燃料电池成本,使它能够接近锂电池电动车成本,这样燃料电池车在重载和长途运输车就可以实现产业化。

我们解决了卡脖子技术,实现了批量生产,我们还要创新驱动来解决燃料电池的技术发展,实现燃料电池乘用车的商业化。

第一我们要简化电池系统和电堆结构,降低燃料电池发动成本和延长电堆寿命。比如采用薄膜、氢空逆流,可以去除增湿器。阳极水管理、消除局部反极,延长电堆寿命。我们可以消除扩散层,来降低电堆成本。

另外我们要研发高温膜和抗毒的电催化剂,降低氢气成本。研发高温膜,使燃料电池在近200度工作,即抗一氧化碳的毒化作用,又有利于燃料电池派热河消除二向流提高电堆一致性,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。

我们要研发抗毒的阳极电催化剂,让燃料电池能吃粗氢,降低燃料电池的成本,实现乘用车和商用车的商业化。

氢源现在有三种来源,一个化石燃料制氢,一个工业富产氢,还有一个电解水制备绿氢。富产氢最好的只要脱除氯就可以了,合成氨工业的释放气必须脱除微量的氨,丙烷脱氢丙烯必须脱除烃类。

发展精准对燃料电池有毒杂质的净化方法,制订标准、规定检测方法和设备,达到精准的富产氢的净化来降低氢的成本。

化石燃料制氢技术比较成熟,成本比较低,但要将二氧化碳封存,因此煤制氢每标方0.8元,天然气制氢不高于2块钱。因此日本在澳洲搞褐煤制氢,二氧化碳封存,通过甲基环已烷至日本,再脱氢为甲苯,制取氢气。另外在沙特用天然气重整制氢,将氢液化再运到日本。我建议利用我们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,来提高产油率。另外开发天然气催化裂解制备氧气和固体碳,提高氢气的纯度和减少二氧化碳的排放。

电解水制氢可再生能源,我们可再生能源弃风、弃水、弃光于电解可制氢300万吨左右。

现在电解水制氢有三种电解水方法,一个是SOEC电解,一个是质子膜电解和碱性电解三种电解技术,这三种方法我们国家碱水电解法是世界上售价最低的,我们质子交换膜正在进行兆瓦极的实验建厂。

大连化物所发展燃料电池的同时就开始发展电解水制氢,开始制订碱水电解,进而搞了质子交换膜电解,现在已经做到300千瓦电解槽,已经跟阳光电源签订了合作协议。我们的大面积的电解水达到三百到五百千瓦,兆瓦级的氢能科技示范,国网在安徽搞的,准备试验我们兆瓦级的电解膜交换水。

长距离输送也是氢比较大的问题,氢的长距离输送有三种方案可选,一个是制氢送到天然气管网,跟天然气一起送到用户。再一个可再生能源电解水制氢,将氢绿化,用车送到各个能源。第三个就是可再生能源电解制氢根收集二氧化碳进行合成甲醇,我们李灿院士进行了这方面研究。

我建议利用三北地区丰富的水电、风电、太阳能发电,大力发展质子交换膜电解水制氢,送入天然气管网,在需要氢气的地方,当氢浓度大于5%时,可采用膜分离从天然气氢混合物中提取纯氢。当氢浓度低时,可抽取等热值天然气进行重整制氢,在近海地区发展海上风电,电解水制氢,利用氢气管道,输送海港,将氢液化作为商品,也可用列管车送至附近的加氢站。加氢站也可以建立电解水制氢装置和天然气重整制氢装置。

氢安全,最后一个问题,人们已经习惯于汽油作燃料,对于氢气还缺乏了解,要利用氢气易于检测,扩散速度快,在可能有氢泄漏的地方加上氢气传感器,当氢浓度高于千分之五时,联动风机自动启动,确保氢安全。所以我们主张就是要做廉价的、可靠的氢气传感器,同时不管是室内和室外,在氢气可能泄漏的地方都加上氢气传感器和联动风机。这样来确保室内和室外,特别是加氢站和制氢场所的氢安全。

氢是向上跑的,所以汽油车都烧没有了,氢气车还是完整的。另外挪威加氢站爆炸,爆炸以后加氢站形状还存在。要是俄罗斯汽油加氢站爆炸以后,基本上看不到了。所以利用氢扩散速度比较快这一点和容易检测这一点,我们确保氢安全。现在全世界有三万到四万辆燃料电池车在运行,没有一辆燃料电池车发生燃烧和爆炸。

最后我们讲一下结语,实现燃料电池关键材料和部件的产业化并批量生产,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。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化大幅度降低铂用量,将燃料电池车的成本降到锂离子电动车水平,并实现乘用车商业化。二、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,车的运行费用就可以和燃油车竞争了。三、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,就可以大幅度降低加氢站的建设费用,待加氢站达到一定密度,再示范商业化乘用车。

谢谢大家!

本文根据泰达汽车论坛现场速记整理,未经演讲嘉宾审阅,仅供参考。

【延伸阅读】

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