原创《衣宝廉：燃料电池车的机会已经到来》
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本刊记者／曹晓昂
从2009 年开始,中国已经连续八年成为世界最大的新车消费市场.
汽车已经成为我国能源消耗大户,因此清洁能源汽车的研发和应用已经成为中国汽车产业转型升级的重要战略选择.
此外,在国家公布的《中国制造2025》重点技术领域技术路线图中,关于新能源汽车发展规划里面提到,到2020 年要实现燃料电池关键材料批量化生产的质量控制和保证能力; 在2025 之前,我国氢能汽车方面的制氢、加氢等配套基础设施基本完善,燃料电池汽车实现区域小规模运行.为了推行氢能燃料电池汽车,国家出台了相应的补贴政策,同时国务院还提出：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个站奖励400 万元.
那么,清洁能源汽车的发展机会到来了吗？清洁能源汽车的发展前景几何？燃料电池技术将何去何从？在这一轮产业变革中,如何应用更好地应用新型能源与新材料……事实上,清洁能源汽车的发展面临着一系列问题.2017年仲夏,中国汽车技术研究中心在滨海城市山东青岛举办了“2017 中国清洁能源汽车高峰论坛”,邀请了业界400余人参与盛会.中国工程院院士、原国家863《电动汽车重大专项》专家组成员和燃料电池发动机责任专家,中国科学院大连化学物理研究所研究员、新源动力股份有限公司名誉董事长衣宝廉院士到会并做了主题演讲.
燃料电池车的优点是什么
燃料电池的发电原理是电化学的,跟锂电池、锌锰干电池等完全一样的.它是用一张隔膜把一个氧化还原反应分为两部分,一部分发生氧化反应,一部分发生还原反应,就构成了一个电池.但是燃料电池的工作方式跟日常使用的干电池是不一样的,燃料电池是一个能量转化系统,它要供给氢气、空气,作为电化学反应产物的水要排出来,就跟传统内燃机一样工作是要有汽油和空气供给,要排出来二氧化碳,因此氢燃料电池的工作方式是内燃机式的.氢燃料电池的一节工作电压小于1V( 一般额定输出电压为0.6-0.7V 左右),航天设备使用电压一般为28V,乘用车一般为300V 左右,大客车600V 左右,为了满足实际应用需求,燃料电池需要成百、千节单电池串联起来形成电堆,其中一致性是非常关键的.
燃料电池车的动力系统就来自于燃料电池,由于燃料电池的能量是储存在氢罐里面,有供气系统、供氧系统和排水系统,所以说燃料电池车跟内燃机一样复杂.因此,有人认为,燃料电池车既具有电池的缺点,它是多片联接起来的,一致性问题是很重要的问题；也有内燃机的缺点——系统比较复杂.
那么,为什么大家还在研究燃料电池车呢？因为燃料电池的最大优点是排放比较低,对环境比较好.燃料电池的能量比较高,在航天应用领域,可以达到每公斤一千瓦小时,就是一度电每公斤.而锂离子电池开始的时候是120 瓦时,现在能涨到200 瓦时,燃料电池车的发展目标是300-500 瓦时,所以燃料电池的能量是非常高的,这就奠定了燃料电池在各个领域里面的应用基础,但是它门槛比较高,结构比较复杂,所以发展比较缓慢.因此,燃料电池车的优点主要是续驶里程长、动力性高、燃料加注时间短,此外,它的使用方式跟燃油车基本一致,从使用角度看,容易被用户所接受.
燃料电池车已进入到市场导入阶段
氢燃料电池汽车已经渡过技术开发阶段,进入到市场导入阶段.燃料电池发动机功率密度大幅提升,已经达到传统内燃机的水平; 基于70MPa 储氢技术,续驶里程达到传统车水平( 燃料填充<5min); 燃料电池寿命满足商用要求(5000hrs) ; 低温环境适应性提高,可适应-30℃气候,车辆适用范围达到传统车水平 .通过技术进步降低成本、批量制造的开发、以及加氢站的建设成为下一步研发重心; 铂用量的降低,特别是采用非铂催化剂是长期而艰巨的任务.
从国际上来看,氢燃料电池车发展到现在分三个阶段.
第一阶段为1990 年到2005 年.1990 年美国能源署开始制订氢能和燃料电池研发和示范项目,世界发达国家( 地区) 纷纷加紧氢能与燃料电池的研发部署.当时人们对这项技术的攻关难度理解不够,以为燃料电池车可能在1995 年左右实现产业化,以至于巴拉德公司股票涨到190 多美元,实际上做出的三辆氢燃料电池车在试验阶段稳定运行很好,放在芝加哥上路运行不到一个月全部垮掉,大家这才意识到燃料电池不适用于汽车的工况.
第二个阶段是2005 年到2012 年.用了7 年时间终于解决了燃料电池的工况适应性问题,燃料电池比功率达到了2kW/L,在零下30oC 也能储存和启动,基本上满足了车用要求.
第三阶段是2012 年到现在,丰田燃料电池比功率达到了3.1 kW/L, 并在2014 年12 月15 日宣布,“未来”氢燃料电池车实现商业化,进入了商业推广阶段,其后,本田与现代也推出了燃料电池商业化车.因此,从商业化角度,有人把2015 年誉为燃料电池汽车的元年.
从全球发展来看,燃料电池车现在已经进入商业化导入期,当下的焦点就是降低成本和加氢站的建设.燃料电池发动机从性能、体积上可以实现与传统内燃机互换,低温适应性可以达到-30℃,行驶里程可以达到700公里,一次加氢小于5 分钟,跟燃油车效果完全是一样的.随着企业界的参与,产品工艺的定型,批量生产线的建立,以及关键材料与部件国产化,相信燃料电池成本会得到大幅度降低.此外,要加大力度推进加氢站的建设,目前,国内一些能源公司、工业副产氢公司及地方政府对加氢站建设表现了极大的兴趣,纷纷制定规划投入开发,开始从事加氢站的建设,从数量上逐渐满足区域性加氢( 如公交运营线、物流区等) 需求.
燃料电池汽车产业化的关键因素
燃料电池汽车现在产业化的关键问题是进一步建立生产线、降低成本和加氢站的建设.这是目前全球燃料电池汽车发展的共同问题.从燃料电池发动机来看,它现在可以做到跟内燃机互换,就是体积可以跟内燃机进行互换.从寿命来看,大巴车已经达到了1.8 万小时,小车也超过了5 千小时,功劳主要是采用了“电- 电”混合方式,即二次电池与燃料电池混合驱动策略,使燃料电池在相对平稳状态工作,大幅提高了燃料电池的耐久性.
从成本来看,目前如果按年产50万辆计,燃料电池每千瓦成本大约是49 美元,这个是可以接受的.业内有种看法是燃料电池汽车受铂(Pt)资源的限制,现在氢燃料电池铂用量国际先进水平能做到0.2g/kW,国内目前水平是0.4g/kW 左右,产业化的需求是要降低到小于0.1g/kW.小于0.1g/kW 是什么概念? 据衣宝廉院士介绍,就是跟汽车尾气净化器用的贵金属量相当,这是需要依靠技术进步逐步实现的.
现在国际各大汽车公司竞争的技术水平都是在燃料电池小轿车上体现,而小轿车对加氢站的数量依赖度较高,当加氢站不能够达到像加油站那么普及时,选择大巴车、物流车或轨道交通车发展是比较实际的做法.也就是对加氢站依赖度越低,越容易首先实现燃料电池车产业化,不会让用户产生加氢焦虑.
我国的现状
从“九五”开始,我国的氢燃料电池车进行了研发,现在进入“十三五”阶段.
2008 年北京奥运会23 辆车,其中3 辆大巴,20 辆轿车.2009 年有16 辆车到美国加州进行了试验.2010 年上海世博会,一共是196 辆燃料电池车参加了运营.燃料电池功率是50kW,锂电池的功率是20kW,此外,还参加了新加坡的世青赛.北京奥运会用的公交车在北京801 路上进行了示范运行,燃料电池的功率是80kW.
在这之后,上汽进行了2014 创新征程万里行,燃料电池车、纯电动车和插电式混合动力车三种车型参加了示范,燃料电池汽车在全国14 个省市自治区25 个城市运行,超越10000 公里,接受了沿海潮湿、高原极寒、南方湿热、北方干燥的考验.客车方面宇通推出了第三代燃料电池客车,氢燃料加注时间仅需10 分钟,测试工况下续航里程超过600 公里,尤其是成本下降了50%.此外,福田燃料电池客车也亮相北京奥运会和上海世博会,近年来技术又得到提升.近期,上海大通V80 氢燃料电池版轻客,采用新源动力电堆驱动,最高车速可达120km/h.
燃料电池汽车产业化的建议
─,实现关键材料的批量生产.希望有志于燃料电池事业的企业家,投资建立燃料电池关键材料与部件的批量生产线,实现燃料电池关键材料与部件的批量生产,建立健全燃料电池的产业链.
二,提高燃料电池电堆和系统可靠性和耐久性.希望研究车用工况下燃料电池衰减机理的科研单位与生产电堆和电池系统的单位真诚合作,开发控制电堆衰减的实用方法,大幅度提高电堆与电池系统的可靠性与耐久性.
三,加快车用燃料电池系统用空压机与70MPa 氢瓶的研发和加氢站建设.加大科研投入,联合攻关; 空压机也可采用引进技术,合资建厂.
四,加速轿车用燃料电池技术的开发.开发长寿命的薄金属双极板,大幅度提高燃料电池堆的重量比功率与体积比功率; 开发有序化的纳米薄层电极,大幅度降低电池的铂用量和提高电池的工作电流密度; 采用立体化流场,减少传质极化.
五、加强整车的示范运行与安全实验.扩大燃料电池电汽车示范运行.
对话：
《汽车纵横》：与国外相比,我国的氢燃料电池车整体发展情况怎么样？
衣宝廉：现在中国的氢燃料电池车整体而言其实不比德国的、美国的、日本的车差,但可靠性和耐用性还有待于提高.所以我希望研究车载工况下燃料电池衰减机能的科研单位与电堆生产和电池系统的电池生产单位真诚合作.
《汽车纵横》：我们的国产燃料电池汽车发动机为什么比国外还贵?
衣宝廉：其中一个因素就是我们的材料都是进口,这些材料,包括催化剂、隔膜、碳纸等.其实这方面国内已经取得了一定的研发成果,如国内的催化剂、复合膜、碳纸等从技术水平上已经达到或超过国外商业化产品,急需产业界投入建立批量生产线,实现国产化.
《汽车纵横》：如何有效解决大家关注的安全性问题？
衣宝廉：安全性问题是老百姓比较关注的事情.一听说燃料电池带高压氢,大家都害怕.其实氢气比较轻,它的扩散系数是汽油的22 倍,氢气漏出来以后很快就向上扩散了,不像汽油,漏出来以后就滞留在车的旁边.汽油着火是围绕车烧的,氢气的火是在车辆上方的,所以氢气在开放空间里是非常安全的.但氢气在封闭空间的安全性要引起足够重视,如家用氢燃料电池车在车库里,这个车库要加氢传感器,而且要加上通风装置,以防发生危险.现阶段建议载有氢燃料的车最好露天停放.
《汽车纵横》：推广燃料电池汽车还需要解决使用便利性的问题,例如,加氢站如何设置？您对此有什么建议？
衣宝廉：加氢站方面,尽管国家有补贴政策,但成本还是比较高,近期,可以根据燃料电池商用车或轨道交通车区域或固定线路运行的特点,建立区域性加氢站,满足示范运行需求,我认为,随着燃料电池汽车数量的增大,加氢站也会逐步增多,这是市场发展的必然趋势.
《汽车纵横》：您对于燃料电池汽车的未来发展前景,有什么预期？
衣宝廉：在未来的车用能源中,氢燃料与电力将共同支撑新能源汽车产业发展.在纯电动汽车快速发展之时,燃料电池汽车也在有条不紊发展.目前我国政府非常重视新能源汽车的发展,燃料电池汽车迎来了好的发展机遇.科研院所与企业界要联合攻关,继续完善燃料电池技术链,发展燃料电池产业链,共同加快促进我国燃料电池汽车商业化发展.
燃料电池论文参考资料：
此文结论:此文是关于对写作燃料电池车和衣宝廉和机会已经到来论文范文与课题研究的大学硕士、燃料电池本科毕业论文燃料电池论文开题报告范文和相关文献综述及职称论文参考文献资料有帮助。
