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中国工程院院士衣宝廉:车用燃料电池技术仍待提升

来源:中国能源报 更新:2019-01-30 18:12:32 作者: 浏览:69次

从国际上看,燃料电池目前已进入市场导入阶段,发动机的功率大幅度提升,用70MPa氢气瓶可以运行500公里以上。

      

燃料电池的发电原理为电化学,因此效率较高;工作方式为内燃机,燃料储存在储罐当中,因此安全性比锂离子电池高。燃料电池车与电动车和插电式混合动力车相比,更适合于大功率、长距离的运输,因此在公交车和重载车上的应用有明显优势。

      

目前,氢燃料电池在寿命、可靠性、适用性上已经基本达到了车辆使用的要求,国内也已经掌握了氢燃料电池的核心技术。现在,国内加氢站有10台左右正在运行,明年预计有100台左右,运行最频繁的是张家口、云浮和上海,加氢量也是最多的。中国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。

      

但目前的问题是,燃料电池仍没有大批量的生产线,成本较高,并且受到加氢站的制约。所以,从电堆、燃料电池的角度,当前的首要任务就是降低铂用量和催化剂的成本。中国的车用燃料电池要想在国际上具有竞争力,核心问题就是提高电堆工作电流密度和比功率。

      

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,本田宣布已经达到了六缸内燃机的水平,功率密度超过每立升3千瓦。我们国内装车的电堆现在在每立升2.0千瓦左右,所以我们电堆比功率比国外还要低1/3左右

      

目前,首先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。其次要降低铂用量,进一步提高电堆和电池系统的可靠性和耐久性。

      

要想降低燃料电池发动机的成本,特别是电堆成本,首先就要研究提高单电池的比功率,降低化学极化、欧姆极化和传质极化。而要想降低化学极化,就要研发更高效的电催化剂。中科院大连化物所研发的超小铂铜合金催化剂,性能是现在碳铂催化剂的3~5倍;铂镍纳米线催化剂性能也是碳铂催化剂的3倍多。有了高效的电催化剂,就可以提高电堆的工作电流密度,减少化学极化。同时要采用薄的增强的复合膜,降低欧姆极化。

      

现在,国内实验室里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。以后要发展到每平方厘米2~2.5安培,这样我们的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,但是供气压力加大,空压机内耗也会增加。为此,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,平整决定电堆一致性,是关键因素。

      

电堆都是按压力机方式组装起来的,主要构成是双极板和MEA、密封件,因此还要进一步改进电堆的组装工艺,开发严格定位技术。

      

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。所以,我们也要加强电堆部分、系统部分关键部件的研发。

      

第一,尽快完善燃料电池的产业链,建立扩散层碳纸等关键材料的生产线。另外,注意力不能只集中在膜电极和双极板上,还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。

      

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。可靠性和耐久性由系统和电堆共同决定,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池系统。

      

第四,要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,这是国际上车用燃料电池发动机商业化的基本要求。

      

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,这也是燃料电池标委会正在做的一件事情。所以,我们要尽快建立中立性的检测机构,对推进我国燃料电池技术的进步,赶上世界水平会有重大作用。

      

希望燃料电池车尽快实现商业化的S型曲线的上升阶段,达到一定程度后可以甩开补贴而盈利。有人预计,燃料电池车从关键材料来讲,只要铂用量降下来了,成本比锂电池还要低,但这需要我们技术人员的共同努力。

     

 (文丨衣宝廉,中国工程院院士,文章根据其日前在2019年中国电动汽车百人会论坛上的发言整理)

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