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燃料電池商業(yè)化要翻越三座大山

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:920次  |  2019年11月29日  

“現(xiàn)在國內(nèi)非常多的企業(yè)家都關(guān)注氫能和燃料電池產(chǎn)業(yè),從環(huán)保、效率各方面這些優(yōu)勢(shì)來說確實(shí)是非常好的事情,前途肯定是光明的,但道路又是曲折的?!蔽錆h理工大學(xué)首席教授潘牧在2019中國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展(泰達(dá))國際論壇上表示。


曲折的地方在哪里?潘牧認(rèn)為,燃料電池商業(yè)化道路上有“三座大山”,即性能、壽命、成本。現(xiàn)在燃料電池跟純電動(dòng)相比成本很高,不過經(jīng)過十幾二十年來中國和全世界科學(xué)家的共同努力,已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展。


貴,就一個(gè)字



“電堆的功率密度已經(jīng)達(dá)到3.1kW/L,這個(gè)指標(biāo)還是比較好的,它對(duì)應(yīng)膜電極性能的指標(biāo)是每平方厘米5.4瓦,如果只算雙極板加上膜電極的體積,它的功率密度可以達(dá)到5.6kW/L,現(xiàn)在的技術(shù)已經(jīng)達(dá)到非常高的水平。另外就是鉑的用量,大家覺得催化劑是最貴的,其實(shí)這個(gè)催化劑從2006年的2g/kW一直到2020年要做到0.12g/kW,目前已經(jīng)可以做到0.2g/kW。如果做到0.12g/kW就表示每輛車裝了10克鉑,也不是很貴。所以在性能上,由于我們的努力,催化劑的性能、電堆的性能、膜電極的性能幾乎可以達(dá)到產(chǎn)業(yè)化的水平了?!迸四琳f。


據(jù)高工鋰電網(wǎng)報(bào)道,上海氫晨新能源科技有限公司經(jīng)過近10年的持續(xù)研發(fā),已開發(fā)出三代具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的燃料電池電堆。其103kW金屬板電堆經(jīng)測(cè)試平臺(tái)測(cè)試,體積功率密度為3.3kW/L,達(dá)到行業(yè)先進(jìn)水平。


談到膜電極,潘牧表示,武漢理工氫電公司于2006年成立,專門來做膜電極,現(xiàn)在已銷售膜電極100萬片,大部分都銷售到國外,如果裝車可以裝3000多臺(tái)車,當(dāng)然沒有全部在國內(nèi)裝,主要是出口國外。中國的零部件的基礎(chǔ)還是很好的,產(chǎn)業(yè)化還是很有信心可以做下去。


在成本方面,潘牧估算,100千瓦的電堆大概是兩萬多元,這是算的核心面積。還有一個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所消耗的材料,包括材料的利用率、損耗率、良品率,也就是四萬多塊錢,加上雙極板一兩萬元,其它東西十萬元,一個(gè)100千瓦的電堆就可以搞定,這是在理想的情況下。但十萬元光買電堆還不行,BOP(電池配套設(shè)備)再花十萬,總價(jià)格就是二十萬元,相對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)來說還是貴了,但作為電動(dòng)汽車來講也不是完全不能接受的,成本離預(yù)期還有很大的距離,但是有可能完成。


“最大的問題是壽命,現(xiàn)在質(zhì)子交換膜采用非常巧妙的結(jié)構(gòu),可以用來傳導(dǎo)質(zhì)子,所以價(jià)格昂貴。2000年左右的時(shí)候用的是非常厚的膜,有170微米,像樹脂這么貴,用這么厚的膜當(dāng)然很貴,現(xiàn)在我們?nèi)繙p薄,成本就可以降低,但問題是膜薄了以后強(qiáng)度很差,所以又加了增強(qiáng)層,但是這個(gè)增強(qiáng)層還不夠強(qiáng),假設(shè)它是30兆帕,一個(gè)15微米的膜,一個(gè)袋子只能承受450克的力,掛一瓶礦泉水就斷掉了?!迸四吝M(jìn)一步表示,“另外是催化劑,為了使催化劑的用量減少,這種納米材料有個(gè)天生的弱點(diǎn),就是熱力學(xué)不穩(wěn)定。


第二點(diǎn),催化劑在電化學(xué)反應(yīng)中,從低電壓到高電壓,在每一個(gè)電壓的循環(huán),催化劑就會(huì)變一下,所以這些都會(huì)帶來燃料電池的壽命問題,我們對(duì)它的機(jī)理了解不深刻,解決的方法并沒有完全實(shí)現(xiàn),這些都需要我們進(jìn)一步探索。”


潘牧指出,上述三個(gè)問題比較下來,成本排第二,壽命是最大的問題,因?yàn)樗袇⑴c研發(fā)燃料電池的單位、企業(yè)都要把精力放在這上面。它的機(jī)理是什么?到底怎么樣造成的?需要大量的測(cè)試數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)非常寶貴,只有分析清楚才能把燃料電池汽車做好。


氫,連接能源互聯(lián)網(wǎng)



在燃料電池的標(biāo)準(zhǔn)方面,潘牧表示,只有在前面的工作基礎(chǔ)上才能制定出一些標(biāo)準(zhǔn)保證燃料電池的發(fā)展,現(xiàn)在國家有一個(gè)燃料電池標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì),委員會(huì)的主席是衣院士。目前中國的燃料電池汽車已經(jīng)走在在國際的前列,很多問題必須要制定標(biāo)準(zhǔn)?,F(xiàn)在整個(gè)框架包括了基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn),包括了燃料電池通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),驅(qū)動(dòng)和輔助便利系統(tǒng),還有微型的。


“在國際上我們對(duì)標(biāo)的是IEC(國際電工委員會(huì))/TC105(燃料電池技術(shù)),現(xiàn)任主席是法國人,上一任主席是日本人。TC105與其他幾個(gè)有能源標(biāo)準(zhǔn)、交通標(biāo)準(zhǔn),還有供氫要求標(biāo)準(zhǔn)的幾個(gè)委員會(huì)合作,才能把這個(gè)體系構(gòu)建起來。TC105發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)比我們還少一些,目前只發(fā)布了18項(xiàng),我們國家已經(jīng)有12項(xiàng),已經(jīng)采標(biāo)。”潘牧進(jìn)一步解釋。


燃料電池汽車到底怎么做?潘牧給出了自己的答案。


電動(dòng)汽車的發(fā)展應(yīng)該跟能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整是結(jié)合在一起的,要借助能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整保證燃料電池汽車的發(fā)展。把電網(wǎng)和氣網(wǎng)這兩個(gè)網(wǎng)用什么來連起來?用燃料電池將氫氣轉(zhuǎn)化為電,電解水再轉(zhuǎn)化成氫氣。比如荷蘭打算今后用風(fēng)電來制氫,通過管網(wǎng)輸送到全歐洲。今后氫能的網(wǎng)絡(luò)是非常大的,如果這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)建立起來之后,每個(gè)汽車都是我們的節(jié)點(diǎn)。汽車在里面只是一部分。


所以這個(gè)能源網(wǎng)非常符合互聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn),一個(gè)是互聯(lián)的,即電網(wǎng)和氣網(wǎng)互聯(lián),另一個(gè)是無限節(jié)點(diǎn)以及雙向轉(zhuǎn)換,既可以消耗又可以生產(chǎn)。如果要與每一個(gè)家庭互聯(lián),就要互相進(jìn)行生產(chǎn)和銷售。有意思的是本田的車就帶了變壓器,把電輸送給家庭,這代表了一個(gè)發(fā)展方向。


所以國際能源署2015年的時(shí)候提出能源互聯(lián)網(wǎng)的概念,用氫氣把熱網(wǎng)、電網(wǎng)、氣網(wǎng)用氫連接起來,德國提出了集成能源系統(tǒng),通過氫把電網(wǎng)和氣網(wǎng)全部連接起來。美國提出了H2@Scale計(jì)劃,將電和氫形成網(wǎng)絡(luò),2019年美國能源部也重點(diǎn)支持這件事情。


燃料電池面臨的最大障礙是壽命問題,燃料電池缺乏強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn),特別是安全標(biāo)準(zhǔn),燃料電池將在能源互聯(lián)網(wǎng)起到重要作用,電動(dòng)汽車也是當(dāng)中的一部分。


(本文根據(jù)潘牧在2019中國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展國際論壇上演講速記整理,未經(jīng)本人審閱。)


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