中国工程院院士衣宝廉:预计国内明年将建成100座左右加氢站

新能源
亿欧
衣宝廉
2019-01-14 · 14:45
[ 亿欧导读 ] 从国际上看,燃料电池已经进入了市场导入阶段,现在问题是没有大批量的生产线、成本比较高,受加氢站的制约,从电堆、燃料电池角度,最主要的任务是降低Pt用量,降低催化剂燃料电池的成本。
衣宝廉,氢气,燃料电池,电堆反应 图片来自“亿欧网”

1月11日~1月13日,以“汽车革命与交通、能源、城市协同发展”为主题的中国电动汽车百人会论坛(2019)在北京钓鱼台国宾馆举行。本届论坛围绕汽车零排放和电动化变革、能源转化及传统能源公司转型、未来交通和出行变革图景、下一代汽车关键技术发展、汽车智能化和网联化趋势、核心供应链培育、汽车生产组织方式变革、国际创新对接、产业政策调整等热点问题进行研讨。

在本届峰会上,中国工程院院士衣宝廉发表了主题为《车用燃料电池技术》的演讲。其主要观点如下:

1.从电堆角度来看,现在的核心问题是提高功率电流密度和比功率;

2.燃料电池的工作方式是内燃机,燃料电池只是能量转化的场所,因此它的燃料是储存在储罐当中,所以燃料电池比较安全;

3.从国际上看,燃料电池已经进入了市场导入阶段,现在问题是没有大批量的生产线、成本比较高,受加氢站的制约,从电堆、燃料电池角度,最主要的任务是降低Pt用量,降低催化剂燃料电池的成本;

4.尽快实现关键材料、电催化剂、质子交换膜、膜电极三合一、双极板等批量生产问题,为降低电堆成本和提高电堆一致性奠定基础。


以下是其演讲实录:

尊敬的欧阳院士,各位领导、同行,上午好!我今天讲的题目是“车用燃料电池技术”,我认为我们中国的车用燃料电池技术要降低成本,在国际上有竞争力。从电堆角度来看,现在的核心问题是提高功率电流密度和比功率。

燃料电池的原理是电化学,跟锂离子电池完全一样,但是燃料电池因为发电原理是电化学,所以效率比较高,一般来说在车用是60%左右。

燃料电池的工作方式是内燃机,跟内燃机完全一样,燃料电池只是能量转化的场所,因此它的燃料是储存在储罐当中,所以燃料电池比较安全。我搞了一辈子燃料电池,从来没有发生过燃烧和爆炸的事故,一旦电堆出事情,只要把氢气切断电堆就安全了,所以燃料电池的工作方式是内燃机的,它的安全性比锂离子电池高。

燃料电池在车上用,即代替了内燃机,目前燃料电池都是低电压、大电流工作,所以通过DC/DC升压,电电混合,这是中国“863”万部长、欧阳他们提出来的,现在在国际内通用。如果要搞增程式,就避免不了锂离子电池爆炸的危险,采用电电混合,可以用超电容或者镍氢电池,所以燃料电池车比较安全。跟内燃机相比,油箱用氢瓶代替,内燃机是燃料电池发动机,排放物仅仅是水。燃料电池车跟电动车和插电式混合动力来比,它适合于大功率、长路程的运输,适用于公交车和重载车等交通工具。

到2017年中国有了两千多辆燃料电池车,昨天的报告说,2018年有1500多辆,所以我们现在能有2400多辆燃料电池车在运行,要赶上美国了。国际电池现状,2014年12月15日,丰田宣布开始销售,同时专利开始无偿使用,所以这对燃料电池发展有重大意义。

由于燃料电池乘用车受加氢站的限制,所以丰田跟日野合作做了燃料电池大巴,准备作为奥运会的通勤车。最近,丰田又开始跟美国的肯沃斯合作开发重载车,准备在美国的加州运行10辆,这是燃料电池车能够代替柴油车的一个重点方向。

从国际上看,燃料电池已经进入了市场导入阶段,发动机的功率大幅度提升,用70MPa气瓶已经可以跑500公里以上,负30度以上,基本上满足了要求,现在问题是没有大批量的生产线、成本比较高,受加氢站的制约,所以将来从电堆、燃料电池角度,最主要的任务还是降低Pt用量,降低催化剂燃料电池的成本。

从国内来看,从2007年一直到2010年的世博会,我们进行了大量的燃料电池车运行。世博会之后上汽又搞了创新征程,证明电动车适应中国的增程环境。

今年开始我们成立了氢能和燃料电池联盟,从资助任务上,我们在“十三五”期间资助了8.27亿元的费用,包括两个重大项目:一个是低成本的燃料电池堆及关键材料的技术研究与工程开发;另一个是潍柴的任务。

现在来看,在2018年,我国已经有57家企业、共86个车型入选,其中亿华通有23款、广东国鸿有20款。各个城市、省市开始行动起来,领头的是上海,上海准备有400—500辆商用车进行示范运行,规划建立三个平台,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。上海大通V80是世界上可以公开出售的第4个车型,轻型客车,售价为30万元。辽宁省新宾县买了60辆,已经开始示范运行。上汽也开发了荣威950,也已经公开出售。亿华通跟神力合作已经研制了3种类型的燃料电池发动机,都在装车示范运行。

张家口有74辆燃料电池车正在示范运行,还有99辆福田车和25辆宇通12米的大巴车,已经开始示范运行,张家口在中国算是比较寒冷的地区,运行结果证明,在寒冷条件下,燃料电池车只要解决了启动问题,还是比锂电池车优越的,因为燃料电池车工作起来,它的温度就是你设定的工作温度,不像锂离子电池受环境的影响比较大。

宇通已经开发了三代燃料电池车,最主要的证明,就是证明在开空调的条件下百公里要消耗0.8公斤左右的氢,除了在张家口以外,郑州也开始示范运行。我们国鸿氢能已经能够做30千瓦—80千瓦的燃料电池电堆,适合装大巴车,它在云浮市有70辆燃料电池车投入运行,佛山也搞了首辆轻轨车目前已经下线,现在德国要搞轻轨运输车,这是很好的发展方向。

现在中国已经建设了10座左右的加氢站,明年预计达到100座左右,运行最频繁的城市是张家口、云浮和上海,这些城市加氢量最多。

万钢在2017年未来出行上海科协年会上指出,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,未来主要在于加强协同创新,加快推进燃料电池产业的全面发展。

从国内来看,我们已经掌握了燃料电池的核心技术,并经过了大量的示范运行,积累了丰富经验,具备了进行大规模示范运行的条件。我们现在要尽快实现关键材料、电催化剂、质子交换膜、膜电极三合一、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。要提高电堆的比功率,降低电堆成本和Pt用量。进一步提高电堆系统的可靠性和耐久性。

从国际上来看,燃料电池车已经达到了四缸内燃机的体积水平,上次海口会,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。我们国内装车的电堆现在大概都在每立升2千瓦左右,就是V80、荣威750和荣威950用的都是在这个数量级,所以我们输出功率电堆比国外还是低1/3左右。

要想降低燃料电池发动机的成本,特别是电堆成本,就要提高单电池,首先要研究提高单电池的比功率,就是降低化学极化、欧姆极化和传质极化。

要降低化学极化,主要靠做高效的电催化剂,现在国际上的通用是搞铂合金催化剂,核壳催化剂有三种办法来制备。同时我们要采用铂增强的混合膜,降低欧姆极化。通过增强膜就可以减播,另外通过过氧化物,可以减少膜的化学腐蚀。另外要采用新型流场,降低传质极化。像丰田,把二维流场改为三维流场以后,传质极化就大幅度下降,这样密度就可以提高到几个安培每平方厘米。

单池性能提高以后,现在国内在实验室里面单池研究已经达到了每平方厘米1安培的时候在0.7V以上,每平方厘米2安培在0.6V以上,我们正在向2.5安培进军。双堆可能每立方厘米1安培,以后要发展到2、2.5安培,这样我们电堆水平就可以达到丰田的水平以至于超过丰田的水平。

从电堆角度来看,流场阻力越大电堆的一致性越好,但是空压机内耗会增加。我们要研究低内耗的空压机,才能保证电堆的高功率密度输出。另外要提高双极板制备的一致性,特别是平整度,不管是金属板还是石墨板,它的平整决定电堆一致性是关键因素。

从电极制备来看目前共有三代,开始都是做喷涂电机,后来是CCM,现在装机用的电堆主要是第二代电极,第二代电极的批量生产技术也需要攻克,因为现在的喷涂技术不适合于几百万辆车的生产。

随着关键材料的进步,保护措施可以逐渐下降。举个例子,如果我们做电催化剂要能抗1.6V的高压不氧化,碳载体也不氧化,启动、停车就没有必要解决开路氧化问题,所以现在材料还跟不上去,国际上看也没有做到,燃料电池的寿命是电堆和系统双方配合的结果,而不是电堆自己的努力,要两方面结合起来。所以也要加强电堆部分、系统部分关键部件的研发。所以我建议:

第一,尽快要完善燃料电池的产业链,建立扩散层碳纸生产线。大家都在说,产业链基本配全了,我认为这种小的像碳纸扩散层一定要建立生产线。我们现在把注意力都集中在膜和双极板上了。另外要发展空压机和氢气循环泵。

第二,要提高电堆的工作电流密度,提高电堆的体积和重量比功率,降低电堆的成本,为开发乘用车奠定基础。因为乘用车一般希望把燃料的电堆和控制部分都放在前面内燃机、发动机这个部位。

第三,要深入研发电堆的衰减机理,开发抗腐蚀、稳定的新材料,大幅度提高发动机的可靠性和耐久性。所以可靠性和耐久性是靠系统和电堆共同来决定的,电堆进步了系统就可以简化,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堆系统。

第四,开展超低铂和非铂电催化剂的理论和应用研究,进一步把电池的铂用量降低到每千瓦小于0.1克,这是国际上燃料电池的基本要求。

第五,建立关键部件,电堆和电池系统的测试,与耐久性快速评价方法,这是现在燃料电池标委会正在做的一件事情,因为大家都说我是世界第一,到底是不是第一我们要有一个中立机构进行评选,我们要尽快建立中立性的检测机构,它本身不做燃料电池开发、也不做系统、也不做电堆,但是有一个检测机构,这样对推进我们燃料电池技术的进步,赶上世界水平会有重大作用。

我希望燃料电池车尽快实现商业化的S型曲线的上升阶段,到一定程度我们能甩开补贴,也能够盈利,现在有人预计,燃料电池车从关键材料讲,只要铂用量降下来了,比锂电池可能成本还要低,因为只有铂是贵的,所以如果把铂做出来了,其他东西都是钢铁和有机的东西,完全可以降低成本,所以有跟锂电池和燃油车竞争的基础,但要靠我们技术人员的共同努力。


2019年,我国新能源汽车补贴大幅退坡,燃油车企借增值税下调实行降价。在燃油车统治市场百余年后,新能源汽车产业厚积薄发的时刻何时到来?

6月14日,在亿欧公司于上海虹桥世贸展馆举办“2019全球新经济年会”上,亿欧汽车将承办作为本届年会重要组成部分的新能源汽车产业峰会。在本届峰会上,我们将与来自主流整车厂、核心三电系统供应商、头部充换电服务企业等新能源汽车产业上下游的顶级大咖共讨“后补贴时代下,新能源汽车产业变革与创新机遇”。

嘉宾及议程:https://www.iyiou.com/a/xnyqc_shanghai_2019/

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