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衣寶廉院士:規(guī)模發(fā)展氫燃料電池車的三條“錦囊”

能源發(fā)展網(wǎng)發(fā)布時間:2021-07-02 00:00:00

中國工程院院士、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所(以下簡稱大連化物所)研究員衣寶廉近日表示,燃料電池車(FCV或FCEV)綠色、動力性能、安全性等優(yōu)勢明顯,但未來要實現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用,降低燃料電池車與運(yùn)行成本是關(guān)鍵。

對于如何降低成本,衣寶廉分別從燃料電池創(chuàng)新、優(yōu)化制氫和氫能儲運(yùn)方案等角度,提出三條“錦囊”。

FCV優(yōu)勢多,且具有更高安全性

FCV的的動力燃料主要是氫能。“FCV與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車很相似:FCV的氫瓶相當(dāng)于傳統(tǒng)汽車的油箱,燃料電池發(fā)動機(jī)相當(dāng)于內(nèi)燃機(jī),但傳統(tǒng)汽車的尾氣排放是污染物,氫燃料電池車的尾排是水。”衣寶廉認(rèn)為,與其他電動車(混合動力車、純電動汽車)相比,燃料電池車具有續(xù)駛里程長、動力性能高、燃料加注時間短、安全性好等優(yōu)點。

他解釋說,由于燃料電池的比能量高,可達(dá)0.5-1.0KWH/Kg,因此特別適合重載卡車或大客車;同時,氫燃料電池車的續(xù)駛里程、加氫時間、駕駛舒適性均可與燃油車媲美。此外,由于FCV的電堆與氫罐是分開的,電堆不會產(chǎn)生爆炸,提高了發(fā)動機(jī)的安全性。

衣寶廉提到,人們已經(jīng)習(xí)慣于以汽油作燃料,但是對氫氣這種燃料還缺乏了解。事實上,氫的物理特性讓其更能保障應(yīng)用安全。“在開放空間,氫氣的擴(kuò)散系數(shù)是汽油的12倍。利用氫易于檢測、擴(kuò)散速度快等特點,在可能有氫泄漏的地方加裝氫傳感器,當(dāng)氫濃度高于千分之五時,聯(lián)動風(fēng)機(jī)自動啟動,可確保氫安全。”他說。

退一步講,即便發(fā)生爆炸事故,氫的危險程度也更小。衣寶廉解釋說:“發(fā)生爆炸時,氫氣燃料由于密度遠(yuǎn)低于空氣,會迅速上升擴(kuò)散,爆炸將發(fā)生在氣源上方;對比而言,汽油發(fā)生爆炸是在燃料的泄漏處,危險程度要遠(yuǎn)大于氫氣。數(shù)據(jù)顯示,汽油的爆炸能量是相同體積氣體的氫氣的22倍。”

降低成本是“必須要攻克的難點”

氫燃料電池汽車的優(yōu)點顯著,但成本等制約其發(fā)展的因素也擺在桌面上:目前不僅燃料電池發(fā)動機(jī)貴,加氫站的建設(shè)成本、制氫加氫成本等都居高不下。

衣寶廉列出了一組數(shù)字:目前由于燃料電池發(fā)動機(jī)貴,導(dǎo)致一輛車售價是燃油車的2~3倍,鋰離子電池車的1.5~2.0倍;一座加氫站的建設(shè)費用,高達(dá)1200~1500萬元;高成本的加氫站導(dǎo)致加氫費用居高不下,當(dāng)前每公斤高達(dá)60~80元。

“只有加氫費用降到每公斤30元以下,F(xiàn)CV才能與燃油車競爭。”衣寶廉說,要實現(xiàn)無補(bǔ)貼的FCV商業(yè)化,必須大幅度降低燃料電池發(fā)動機(jī)的成本和氫氣的成本,同時降低加氫站的建設(shè)費用,“這些是必須要攻克的難點。”

2020年4月,財政部發(fā)布《關(guān)于開展燃料電池汽車示范推廣的通知》(征求意見稿),重點支持珠三角、長三角、京津冀及中部地區(qū)的城市開展燃料電池產(chǎn)業(yè)化示范應(yīng)用,示范為期4年。值得注意的是,該示范并非直接補(bǔ)貼。示范期間中央財政將按照結(jié)果導(dǎo)向,對圍繞FCV關(guān)鍵零部件核心技術(shù)攻關(guān)、采取科學(xué)有效措施降低各類成本的示范城市,采取“以獎代補(bǔ)”方式給予獎勵。

降本增效的三條“錦囊”

要降低FCV的成本,要從燃料電池上作文章。而燃料電池的基本單元——單電池又由膜電極組件(MEA,由電解質(zhì)膜、電催化劑、擴(kuò)散層等組成)和雙極板組成,因此,降低成本的技術(shù)創(chuàng)新還要從膜電極組件下手。

衣寶廉介紹說,大連化物所相關(guān)研究團(tuán)隊已經(jīng)通過改進(jìn)電催化劑、質(zhì)子交換膜,提高M(jìn)EA性能、探索MEA批量生產(chǎn)技術(shù)等科技攻關(guān),取得了一定的進(jìn)展。比如,他們制取的“超小鉑銅合金催化劑”,質(zhì)量比活性是傳統(tǒng)鉑碳催化劑的3.8倍;通過對MEA催化層、氣體擴(kuò)散層的配方和工藝的優(yōu)化,實現(xiàn)了MEA性能提高、鉑用量降低等?;谶@些研究成果,他們開發(fā)了不同功率和規(guī)格的系列化燃料電池電堆,并在一些新能源車型中試用。

“實現(xiàn)燃料電池關(guān)鍵材料和部件國產(chǎn)化、批量生產(chǎn),同時提高電堆的比功率,就可以大幅度降低燃料電池發(fā)動機(jī)的成本,進(jìn)而降低燃料電池車的成本。”衣寶廉說,此外,還要依據(jù)工況和電堆適宜運(yùn)行條件制定控制策略,以確保電池系統(tǒng)的可靠性與耐久性。

PCV降成本靠電池,PCV加氫降成本靠什么?衣寶廉給出的“錦囊”是:優(yōu)化制氫來源和儲運(yùn)方式。

“制氫的方案有三種:工業(yè)副產(chǎn)制氫、化石燃料制氫和可再生能源制氫。三種方法中,石油化工、焦化、氯堿合成氨、甲醇等工業(yè)副產(chǎn)氫潛力巨大,但這需要我們發(fā)展精準(zhǔn)對燃料電池有毒雜質(zhì)的凈化方法、制定標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)定檢測方法和儀器;同時也要開發(fā)新的化石燃料制氫方法,比如采用天然氣熱催化裂解法,制備氫氣和固態(tài)碳,做到零碳排放。”衣寶廉說:“而最好的辦法,就是大幅度發(fā)展可再生能源制氫。”

衣寶廉說,我國僅四川、云南兩地每年棄水電量就超過400億千瓦時,三北地區(qū)棄風(fēng)電量近500億千瓦時,西北五省平均棄光率20%,若將棄風(fēng)、棄水、棄光電量用于電解制氫,年產(chǎn)可達(dá)300萬噸。

因此,他建議,應(yīng)利用豐富的可再生能源,大力發(fā)展目前較為成熟的質(zhì)子交換膜(PEM)電解水制氫,然后采用管網(wǎng)輸送氫氣——氫氣可借道天然氣管網(wǎng),在需要氫氣地方,當(dāng)氫濃度高時(如大于5%)可采用膜分離器從天燃?xì)夂蜌浠旌衔镏刑崛〖儦?,?dāng)氫的濃度低時,可抽取等熱值天然氣進(jìn)行重整制氫。如此,加氫站加氫成本可降至每公斤30元以下,“就可以和燃油車競爭了”。

據(jù)了解,大連化物所開展PEM電解水技術(shù)研發(fā)的歷史已有二十多年,技術(shù)已趨成熟落地。2020年,他們承擔(dān)了國網(wǎng)安徽省電力有限公司兆瓦級氫能綜合利用站科技示范項目,采用的就是PEM電解水制氫。

衣寶廉還給降低加氫站建設(shè)成本提供了一個“錦囊”:“實現(xiàn)氫氣壓縮機(jī)、高壓儲氫瓶等國產(chǎn)化和批量生產(chǎn),建油、氫、電合建站,就可大幅度降低加氫站的建設(shè)費用。”

“基于上述‘錦囊’,我們可以先商業(yè)化對加氫站依賴度低的商用車,待加氫站達(dá)到一定密度,再示范、商業(yè)化DCV乘用車。”衣寶廉最后表示。(中國科學(xué)報)

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