“举氢若重”还需技术升级

[汽车 行业]
“从国际上看,燃料电池已经进入市场导入阶段,且搭载70MPa氢气瓶的车可在零下30度的环境下跑500公里以上,基本满足用户要求,那是什么阻碍了氢燃料电池技术的推广呢?”1月13日,中国工程院院士衣宝廉提出了以上问题。

新年伊始,氢燃料电池好消息频现。

衣宝廉提出问题并不是要制造焦虑,而是为了分析和解决问题。目前阻碍氢燃料电池推广的原因有主观和客观两种因素,客观因素主要有燃料电池成本高、没有大批量生产线、加氢站基础设施数量较少等,主观因素则在于人们“谈氢色变”的心理。

日本丰田汽车表示,其氢燃料电池客车——丰田FC客车计划于今年正式上路运营;日本本田汽车和美国通用汽车也宣布,将合作生产氢动力燃料电池车的新一代系统,力争2020年左右开始投入量产。

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我国新能源客车也杀出黑马,进入市场仅三年的行业新兵——中植汽车,近日发布了一款氢燃料电池城市客车,拟于今年上市销售,并争取当年销售额突破1.5万辆。

『中国工程院院士衣宝廉』

氢燃料电池被看做是新能源汽车的“终极模式”。中国工程院院士、中国科学院大连化学物理研究所研究员衣宝廉就曾公开表示,未来汽车市场可能呈三分天下、三国争霸的局面,氢燃料电池汽车便是其中之一——氢燃料电池汽车跑长途,发挥大功率优势;锂离子电动汽车用于市内近郊交通;混合动力燃油车份额较小但不会终结。

客观因素方面,最主要的仍是成本过高的问题,尤其是燃料电池的电堆成本过高。衣宝廉认为,要想降低成本,要研究提高单电池的比功率,具体来讲就是降低化学极化、欧姆极化和传质极化;如何降低化学极化?解决办法就是用高效的电催化剂,但如今催化剂关键材料是金属铂,因此目前亟需开展超低铂和非铂电催化剂的理论和应用研究,将燃料电池中金属铂的用量降低到每千瓦小于0.1克,才能保证催化剂高效前提下降低燃料电池成本,推动燃料电池推广。

“氢燃料电池已进入产业化前夜,不久的将来会在大巴汽车、城际轻轨和高铁优先获得应用和产业化,并逐渐在可移动电子设备及航天与水下领域获得应用。”在接受《中国科学报》记者采访时,衣宝廉对氢燃料电池的应用前景深信不疑。

此外,衣宝廉认为,人们对于氢燃料电池的安全存在错误认知,原因在于人们不了解燃料电池的工作原理。“燃料电池的工作方式跟内燃机完全一样,燃料电池只是能量转化的场所;它的燃料储存在氢罐当中,因此工作中的电堆里的能量很少,若电堆出问题,只要把氢气与电堆切断就安全了,燃料电池的安全性比锂离子电池还高。”

但就目前而言,昂贵的质子交换膜、用贵金属铂作为催化剂等,都导致氢燃料电池成本居高不下,在多位专家看来,降成本是氢燃料电池商业化的前提,而这就需要攻克多道技术难关。

氢安全相关国家标准

衣宝廉表示,氢燃料电池有三大优势:与热机过程相比,能量转化效率高,可达60%以上;比能量高,包括燃料和氧化剂,如航天用氢氧燃料电池,比能量大于1千万时/千克;环境友好,排出的产物是水或水蒸气。正是凭借多种优势,氢燃料电池或将在国民经济中起到“举氢若重”的作用。

标准号/计划号

目前,氢燃料电池最标志性的应用就是氢燃料电池汽车,特别是大型客车。中国电池工业协会会长王敬忠告诉《中国科学报》记者,氢能源电池可根据每辆车设计储氢容器的大小,大客车储氢容器的容量相对较大,从而使得续航里程更长。

标准名称

“目前,国内已进入燃料电池大巴车产业化的前夜。”衣宝廉表示,北京、上海、佛山、郑州、如皋五个城市在联合国环境开发署的支持下,已经开展了百辆级燃料电池大巴车的第三期示范运行。未来,氢燃料电池汽车在新能源汽车产业竞争中具有很大的优势。

备注

而除了车用电池领域,燃料电池载人低空飞机目前也已试飞成功,特殊应用的再生氢氧燃料电池系统已完成样机研制和验收。

GB/T 29729-2013

值得一提的是,随着技术逐渐成熟,氢燃料电池还有望在分布式电站等领域发挥作用,但目前尚处于研发和示范阶段。

氢系统安全的基本要求

衣宝廉表示,为确保可再生能源上网,又不影响电网的稳定性,就要大力发展不受规模、地域限制的各种储能电池。但目前应用的各种方法,如抽水储能、压缩空气储能等物理储能和各种电池的化学储能,只能解决每天或几天的可再生能源的存储,无法解决季节性不均(如冬天风能丰富、夏天太阳能丰富)的问题。

现行

“要解决可再生能源季节性不均问题,就需要将可再生能源转化为可长时间存储的化学能,如燃料氢。所以,利用可再生能源电解水制备氢气成为国际开发和示范的重点。”衣宝廉进一步解释道,燃料电池用于储能,先是用燃料电池的逆过程“电解水”制成氢气,氢气可现场应用于燃料电池再发电,或进入附近天然气管道送达需要的地方。

GB/T 31139-2014

目前,各国正在大力发展氢燃料电池的逆过程——质子交换膜型水电解槽。2015年,美国Proton
Onsite公司就推出了适合于储能要求的M系列产品,M1和M2产品每小时产氢能力分别达到200立方米和400立方米,成为世界首套兆瓦级质子交换膜水电解池。

移动式加氢设施安全技术规范

中科院大连化学物理研究所此前也开发出产氢气量为1标准立方米/小时、输出压力为1.0
兆帕的水电解制氢机,单机能耗氢气4.2千瓦时/标准立方米,优于国外产品。但这种电解槽成本高,需要继续降低成本进行示范,从而推进产业化进程。

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“电解槽的商业化再与氢燃料电池组合,构成再生氢氧燃料电池,可以很好地解决季节性不均导致的弃风、弃光问题。从这种意义上看,再生型氢氧燃料电池还是一种有前途、很重要的储能电池。”衣宝廉说。

GB/T 34539-2017

虽然氢燃料电池是公认的“零排放”绿色能源,但经过多年研究却仍未规模化应用,成本高昂是其主要原因。

氢氧发生器安全技术要求

“金属铂是氢燃料电池最重要的催化剂,目前,全球金属铂的产量十分有限,也就仅够制造几百万辆氢燃料电池车,成本较高,因而减少金属铂的用量以及寻找可替代的催化剂十分重要。”王敬忠说。

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“国内要实现关键材料与部件如质子交换膜、电催化剂、碳纸与双极板的批量生产,为降低成本奠定坚实基础。”衣宝廉表示,还要加强超低铂和非铂电催化剂、电极结构与制备工艺、流场结构与传质关系等基础研究,特别是要将贵金属铂的用量大幅度下降,车用铂降到每千瓦仅用0.1克左右。

GB/T 34584-2017

衣宝廉还提出要提高电池的工作电流密度,“如将电池的工作电流密度提高一倍,电池输出功率就提高一倍,原材料减少近一半,成本可下降30%~40%。”

加氢站安全技术规范

伟德betvicror官网 ,而从氢燃料电池汽车的角度来讲,成本下降还牵涉到规模化发展的问题,但目前加氢站的布局却成为规模化的“拦路虎”。

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“丰田推出的燃料电池轿车‘未来’售价五万美元,比锂离子电池车稍贵,要建立生产线,实现批量生产,成本还会下降,但目前受加氢站数量的限制,轿车还不可能大量投放市场。”衣宝廉说,对加氢站依赖度低的大巴,以及有固定运行线路的各种专用车和轻轨,应是氢燃料电池优先实现产业化的最佳选择。

GB/T 34583-2017

除了成本控制难题,氢燃料电池商业化仍有多道关卡亟待攻破。

加氢站用储氢装置安全技术要求

衣宝廉称,氢燃料电池还需要提高可靠性与耐久性。要加强电堆和电池系统可靠性与耐久性研究和实验,达到车用燃料电池系统——轿车5000小时、大巴1万小时、民用发电4万小时的寿命,并发展快速评价方法。

现行

另外,他还建议强化电堆和电池系统评价实验室的建设,大力开展电堆和电池系统的实验研究与评价,发现电堆衰减机理并提出解决对策,提高电池寿命。

GB/T 34541-2017

而在王敬忠看来,氢燃料电池对储氢容器要求较高,安全性问题也值得重视。“大客车速度慢,碰撞损害低,但如果是速度较快的小客车,碰撞就会存在巨大隐患,氢燃料电池防撞装置是一个亟待解决的问题。”

氢能车辆加氢设施安全运行管理规程

目前,国家对氢燃料电池的扶持政策十分给力。未来5年,氢燃料电池车国家补贴分别为:燃料电池客车50万元,燃料电池中重型物流车50万元,燃料电池轻型物流车30万元,燃料电池轿车20万元;在加氢站建设上,对符合国家技术标准且日加氢能力不少于200公斤的新建燃料电池车加氢站,每站奖励400万元。

现行

同时,《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》也明确提出2020年实现燃料电池车批量生产和规模化示范应用,燃料电池将从“研究开发、示范应用”阶段向“产业化”阶段转折。在业界看来,这一《规划》或是氢燃料电池产业化的起点。

GB/T 34544-2017

为加快氢燃料电池的产业化应用,衣宝廉还建议要鼓励企业进入燃料电池产业化领域,如建立关键材料生产线,进行燃料电池车的示范运行和燃料电池轻轨的实验研究。

小型燃料电池车用低压储氢装置安全试验方法

在配套设施建设方面,武汉理工大学教授潘牧提出,可以考虑在加油站旁边建加氢站,将来随着加油站逐渐减少,加氢站扩大,最后加油站转变成加氢站。

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清华大学教授李建秋则希望各个地方发展氢燃料电池要因地制宜,不要在没有氢气的地方推广,而是要在氢气富余、氢基础设施比较好的地方来推广。

修订GB/T 24549-2009

总之,憧憬未来,专家表示,氢燃料电池“三分天下有其一”的景象,或许为期不远。

燃料电池电动汽车安全要求

现行

制表:汽车行业频道

业内人士表示,人们对氢恐惧在于其能量释放时的威力,毕竟有杂质的少量氢气燃烧时也“噼里啪啦”;但非专业人士很少了解,我国在制备、提纯、储存、运输、加注、应用等各环节操作和使用安全方面的国家标准有83项,高压储氢气瓶可经受子弹穿透和火烧试验等极端试验环境。“人们完全不必谈氢色变,首先氢气不易形成可爆炸的气雾,且其泄露能量和爆炸当量较低;其次,氢气作为工业气体已有很长的使用历史,有标准的操作规程。”中船重工第718研究所制氢设备工程部总工程师薛贺来表示。中国汽车工程学会常务副理事长兼秘书长张进华此前也向汽车表示,要想普及氢燃料电池技术,目前最迫切的是科普氢能源,破除人们的认知误区。

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『中船重工第718研究所制氢设备工程部总工程师薛贺来』

薛贺来表示,凡是燃料都具有能量,隐藏着着火和爆炸的危险,汽油、天然气、液化石油气和电均如此。据美国交通部资料,1986-2003年间,美国天然气加注事故共2406起,造成300人死亡、1364人受伤,天然气运输过程中事故1467起,造成60人死亡,232人受伤;同样在1986-2003年间,美国汽油输送事故3302起,造成37人死亡,254人受伤,平均每年汽油加注事故7400起,造成2人死亡,70人受伤;1998年美国国内发生1600起液化石油气着火事故,造成41人死亡,260人受伤等。氢燃料作为燃料能源,不应该被特殊看待,只要人们多加注意,就能将事故消灭掉萌芽之中。

衣宝廉认为,无论是从零污染零排放还是从能量利用率看,燃料电池都值得推广。燃料电池同锂离子电池一样,是电化学工作原理,但其能量转化效率很高,车用能量转化一般在60%左右。和纯电动和插电式混动技术相比,燃料电池适用于大功率、长距离运输,因此在公交车和货车等大中型车辆上有明显优势。到2017年,中国燃料电池车产销达1200多辆,2018年则有1500多辆在示范运营,在保有量上,中国燃料电池车数量直追美国。国际电池技术方面,2014年12月,丰田宣布其燃料电池专利可无偿被使用,这将推燃料电池技术进步和全球竞争。

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『上汽大通V80』

资金投入方面,中国在“十三五”期间对燃料电池项目资助了8.27亿元,并且燃料电池是唯一实施补贴不退坡的新能源技术路线。产品方面,我国有上汽大通V80,该车补贴后售价仅30万元,已在辽宁新宾县等多地示范运行;乘用车方面,上汽开发了荣威950,也是公开出售的燃料电池车型之一。基础设施方面,目前中国有大约有12座加氢站在运行,明年预计会增加至100座。

“我国燃料电池车会实现S型曲线的上升,并进入商业化盈利阶段,但目前从关键材料看,金属铂用量和其价格仍是阻碍,只要铂用量降下来了,其成本或比锂电池还低,届时,燃料电池完全可以和燃油车竞争,这是我们的期望,也是燃料电池技术人员应该攻克的方向。”衣宝廉表示。

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