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能源無疑是當(dāng)今全世界共同關(guān)注的一大話題，受全球能源消費(fèi)量不斷增長(zhǎng)和能源消耗導(dǎo)致的氣候問題，越來越多的有識(shí)之士認(rèn)為，氫燃料電池汽車作為一種真正意義上的“零排放，無污染”載運(yùn)工具，是未來新能源清潔動(dòng)力汽車的必然方向，氫燃料電池汽車研發(fā)與量產(chǎn)，必將成為全球汽車工業(yè)領(lǐng)域的一場(chǎng)新革命。而衣寶廉，正是這方面的專家。
氫燃料電池汽車專家衣寶廉
衣寶廉，中國(guó)工程院院士，原國(guó)家863《電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)》專家組成員和燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)責(zé)任專家，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員，新源動(dòng)力股份有限公司名譽(yù)董事長(zhǎng)。
衣寶廉所在的中科院大連化物所是國(guó)內(nèi)最早開展燃料電池技術(shù)的科研機(jī)構(gòu)，從事燃料電池的研究和開發(fā)已有逾四十年的歷史。經(jīng)過四十年多年特別是最近幾年的快速發(fā)展，大連化物所在燃料電池領(lǐng)域有了很好的技術(shù)積累和人才儲(chǔ)備，是公認(rèn)的國(guó)內(nèi)一流的燃料電池研發(fā)單位，并在國(guó)際同行中具有相當(dāng)?shù)牡匚?。在長(zhǎng)期的研發(fā)過程中，大連化物所形成了較完整的燃料電池和電解池知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系，在催化劑、離子交換膜、膜電極、雙極板、電堆、燃料電池系統(tǒng)、檢測(cè)與控制等方面申報(bào)國(guó)家發(fā)明專利200余項(xiàng)，形成了燃料電池自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系。
經(jīng)過四十多年的研究，衣寶廉院士越來越深刻地認(rèn)識(shí)到，我國(guó)車用氫燃料電池產(chǎn)業(yè)化必須解決的一系列問題需要更多人了解，為此，他對(duì)中國(guó)客車網(wǎng)詳細(xì)解釋了氫燃料電池的原理和歷史沿革，以及他的研發(fā)團(tuán)隊(duì)的成果，并指出了燃料電池商業(yè)化必須要解決的技術(shù)問題。
氫燃料電池的原理
衣寶廉院士告訴中國(guó)客車網(wǎng)，燃料電池之所以叫“電池”兩個(gè)字，因?yàn)樗陌l(fā)電原理是電化學(xué)的，跟鋰電池、鋅錳干電池是完全一樣的。它是用一張隔膜把一個(gè)氧化還原反應(yīng)分為兩部分，一部分發(fā)生氧化反應(yīng)，一部分發(fā)生還原反應(yīng)，就構(gòu)成了一個(gè)電池。
但是燃料電池的工作方式跟日常使用的干電池是不一樣的，燃料電池是一個(gè)能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，它要供給氫氣、空氣，作為電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物的水要排出來，就跟傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)一樣工作是要有汽油和空氣供給，要排出來二氧化碳，因此氫燃料電池的工作方式是內(nèi)燃機(jī)式的。氫燃料電池的一節(jié)工作電壓小于1V(一般額定輸出電壓為0.6-0.7V左右)，航天設(shè)備使用電壓一般為28V，乘用車一般為300V左右，大客車600V左右，為了滿足實(shí)際應(yīng)用需求，燃料電池需要成百、千節(jié)單電池串聯(lián)起來形成電堆，其中一致性是非常關(guān)鍵的。
據(jù)衣寶廉院士介紹，從國(guó)際上來看，氫燃料電池車到現(xiàn)在分三個(gè)發(fā)展階段。
第一階段為1990年到2005年。1990年美國(guó)能源署開始制訂氫能和燃料電池研發(fā)和示范項(xiàng)目，世界發(fā)達(dá)國(guó)家(地區(qū))紛紛加緊氫能與燃料電池的研發(fā)部署。當(dāng)時(shí)人們對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的攻關(guān)難度理解不夠，以為燃料電池車可能在1995年左右實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，以至于巴拉德公司股票漲到190多美元，實(shí)際上做出的三輛氫燃料電池車在試驗(yàn)階段穩(wěn)定運(yùn)行很好，放在芝加哥上路運(yùn)行不到一個(gè)月全部垮掉，大家這才意識(shí)到燃料電池不適用于汽車的工況。
第二個(gè)階段是2005年到2012年。用了7年時(shí)間終于解決了燃料電池的工況適應(yīng)性問題，燃料電池比功率達(dá)到了2kW/L，在零下30oC也能儲(chǔ)存和啟動(dòng)，基本上滿足了車用要求。
第三階段是2012年到現(xiàn)在，豐田燃料電池比功率達(dá)到了3.1 kW/L,并在2014年12月15日宣布，“未來”氫燃料電池車實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，進(jìn)入了商業(yè)推廣階段，其后，本田與現(xiàn)代也推出了燃料電池商業(yè)化車。因此，從商業(yè)化角度，有人把2015年譽(yù)為燃料電池汽車的元年。
據(jù)中國(guó)客車網(wǎng)了解，當(dāng)前國(guó)際氫燃料電池汽車的現(xiàn)狀為：氫燃料電池汽車已經(jīng)渡過技術(shù)開發(fā)階段，進(jìn)入到市場(chǎng)導(dǎo)入階段。燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)功率密度大幅提升，已經(jīng)達(dá)到傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的水平;基于70MPa儲(chǔ)氫技術(shù)，續(xù)駛里程達(dá)到傳統(tǒng)車水平(燃料填充<5min);燃料電池壽命滿足商用要求(5000hrs) ;低溫環(huán)境適應(yīng)性提高，可適應(yīng)-30℃氣候，車輛適用范圍達(dá)到傳統(tǒng)車水平 。通過技術(shù)進(jìn)步降低成本、批量制造的開發(fā)、以及加氫站的建設(shè)成為下一步研發(fā)重心;鉑用量的降低，特別是采用非鉑催化劑是長(zhǎng)期而艱巨的任務(wù)
衣寶廉認(rèn)為，現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵問題是進(jìn)一步建立生產(chǎn)線、降低成本和加氫站的建設(shè)。這是目前全球燃料電池汽車發(fā)展的共同問題。從燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)來看，它現(xiàn)在可以做到跟內(nèi)燃機(jī)互換，就是體積可以跟內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行互換。從壽命來看，大巴車已經(jīng)達(dá)到了1.8萬小時(shí)，小車也超過了5千小時(shí)，功勞主要是采用了“電-電”混合方式，即二次電池與燃料電池混合驅(qū)動(dòng)策略，使燃料電池在相對(duì)平穩(wěn)狀態(tài)工作，大幅提高了燃料電池的耐久性。
從成本來看，目前如果按年產(chǎn)50萬輛計(jì)，燃料電池每千瓦成本大約是49美元，這個(gè)價(jià)格是可以接受的。業(yè)內(nèi)有種看法是燃料電池汽車受鉑(Pt)資源的限制，現(xiàn)在氫燃料電池鉑用量國(guó)際先進(jìn)水平能做到0.2g/kW，國(guó)內(nèi)目前水平是0.4g/kW左右，產(chǎn)業(yè)化的需求是要降低到小于0.1g/kW。小于0.1g/kW是什么概念?據(jù)衣寶廉院士介紹，就是跟汽車尾氣凈化器用的貴金屬量相當(dāng)，這是需要依靠技術(shù)進(jìn)步逐步實(shí)現(xiàn)的。
衣寶廉院士透露，現(xiàn)在國(guó)際各大汽車公司競(jìng)爭(zhēng)的技術(shù)水平都是在燃料電池小轎車上體現(xiàn)，而小轎車對(duì)加氫站的數(shù)量依賴度較高，當(dāng)加氫站不能夠達(dá)到像加油站那么普及時(shí)，選擇大巴車、物流車或軌道交通車發(fā)展是比較實(shí)際的做法。也就是對(duì)加氫站依賴度越低，越容易首先實(shí)現(xiàn)燃料電池車產(chǎn)業(yè)化，不會(huì)讓用戶產(chǎn)生加氫焦慮。
衣寶廉說，從全球發(fā)展來看，燃料電池車現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)化導(dǎo)入期，當(dāng)下的焦點(diǎn)就是降低成本和加氫站的建設(shè)。燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)從性能、體積上可以實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)互換，低溫適應(yīng)性可以達(dá)到-30℃，行駛里程可以達(dá)到700公里，一次加氫小于5分鐘，跟燃油車效果完全是一樣的。隨著企業(yè)界的參與，產(chǎn)品工藝的定型，批量生產(chǎn)線的建立，以及關(guān)鍵材料與部件國(guó)產(chǎn)化，相信燃料電池成本會(huì)得到大幅度降低。此外，要加大力度推進(jìn)加氫站的建設(shè)，目前，國(guó)內(nèi)一些能源公司、工業(yè)副產(chǎn)氫公司及地方政府對(duì)加氫站建設(shè)表現(xiàn)了極大的興趣，紛紛制定規(guī)劃投入開發(fā)，開始從事加氫站的建設(shè)，從數(shù)量上逐漸滿足區(qū)域性加氫(如公交運(yùn)營(yíng)線、物流區(qū)等)需求。
國(guó)內(nèi)燃料電池汽車發(fā)展
據(jù)中國(guó)客車網(wǎng)了解，國(guó)內(nèi)目前用于示范的氫燃料電池汽車已達(dá)200余輛，累計(jì)運(yùn)行里程十余萬公里，雖然性能已經(jīng)與國(guó)際水平接近，但成本、耐久性等方面亟待改善 。
據(jù)衣寶廉院士介紹，我國(guó)的氫燃料電池車已經(jīng)進(jìn)行了十幾年的研發(fā)，從“九五”開始，現(xiàn)在進(jìn)入“十三五”，是第20個(gè)年頭。
2008年北京奧運(yùn)會(huì)23輛車，其中3輛大巴，20輛轎車。2009年有16輛車到美國(guó)加州進(jìn)行了試驗(yàn)。2010年上海世博會(huì)，一共是196輛燃料電池車參加了運(yùn)營(yíng)。燃料電池功率是50kW，鋰電池的功率是20kW，此外，還參加了新加坡的世青賽。北京奧運(yùn)會(huì)用的公交車在北京801路上進(jìn)行了示范運(yùn)行，燃料電池的功率是80kW。
在這之后，上汽進(jìn)行了2014創(chuàng)新征程萬里行，燃料電池車、純電動(dòng)車和插電式混合動(dòng)力車三種車型參加了示范，燃料電池汽車在全國(guó)14個(gè)省市自治區(qū)25個(gè)城市運(yùn)行，超越10000公里，接受了沿海潮濕、高原極寒、南方濕熱、北方干燥的考驗(yàn)?？蛙嚪矫嬗钔ㄍ瞥隽说谌剂想姵乜蛙?，氫燃料加注時(shí)間僅需10分鐘，測(cè)試工況下續(xù)航里程超過600公里，尤其是成本下降了50%。此外，福田燃料電池客車也亮相北京奧運(yùn)會(huì)和上海世博會(huì)，近年來技術(shù)又得到提升。近期，上海大通V80氫燃料電池版輕客，采用新源動(dòng)力電堆驅(qū)動(dòng)，最高車速可達(dá)120km/h。
國(guó)家公布的《中國(guó)制造2025》重點(diǎn)技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)路線圖中，關(guān)于新能源汽車發(fā)展規(guī)劃里面提到，到2020年要實(shí)現(xiàn)燃料電池關(guān)鍵材料批量化生產(chǎn)的質(zhì)量控制和保證能力;在2025之前，我國(guó)氫能汽車方面的制氫、加氫等配套基礎(chǔ)設(shè)施基本完善，燃料電池汽車實(shí)現(xiàn)區(qū)域小規(guī)模運(yùn)行。為了推行氫能燃料電池汽車，國(guó)家出臺(tái)了相應(yīng)的補(bǔ)貼政策，同時(shí)國(guó)務(wù)院辦公廳提出：對(duì)符合國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)且日加氫能力不少于200公斤的新建燃料電池車加氫站每個(gè)站獎(jiǎng)勵(lì)400萬元。相信沿著這個(gè)目標(biāo)，中國(guó)的氫燃料電池汽車，尤其是氫燃料電池客車必定會(huì)有一個(gè)大的發(fā)展機(jī)會(huì)。
五大建議促氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)化
針對(duì)中國(guó)氫燃料電池汽車發(fā)展問題，衣寶廉院士結(jié)合多年研發(fā)和實(shí)踐工作，著重講了他的五個(gè)建議，分別是：
─，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵材料的批量生產(chǎn)。希望有志于燃料電池事業(yè)的企業(yè)家，投資建立燃料電池關(guān)鍵材料與部件的批量生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)燃料電池關(guān)鍵材料與部件的批量生產(chǎn)，建立健全燃料電池的產(chǎn)業(yè)鏈。
二，提高燃料電池電堆和系統(tǒng)可靠性和耐久性。希望研究車用工況下燃料電池衰減機(jī)理的科研單位與生產(chǎn)電堆和電池系統(tǒng)的單位真誠(chéng)合作，開發(fā)控制電堆衰減的實(shí)用方法，大幅度提高電堆與電池系統(tǒng)的可靠性與耐久性。
三，加快車用燃料電池系統(tǒng)用空壓機(jī)與70MPa氫瓶的研發(fā)和加氫站建設(shè)。加大科研投入，聯(lián)合攻關(guān);空壓機(jī)也可采用引進(jìn)技術(shù)，合資建廠。
四，加速轎車用燃料電池技術(shù)的開發(fā)。開發(fā)長(zhǎng)壽命的薄金屬雙極板，大幅度提高燃料電池堆的重量比功率與體積比功率;開發(fā)有序化的納米薄層電極，大幅度降低電池的鉑用量和提高電池的工作電流密度;采用立體化流場(chǎng)，減少傳質(zhì)極化。
五，加強(qiáng)整車的示范運(yùn)行與安全實(shí)驗(yàn)。擴(kuò)大燃料電池電汽車示范運(yùn)行。
針對(duì)國(guó)內(nèi)氫燃料電池汽車市場(chǎng)化上述五個(gè)建議，衣寶廉院士詳細(xì)解釋如下：
第一是關(guān)于實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵材料的批量生產(chǎn)。
目前，我們國(guó)產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)為什么比國(guó)外貴?其中一個(gè)因素就是我們的材料都是進(jìn)口，這些材料，包括催化劑、隔膜、碳紙等。其實(shí)這方面國(guó)內(nèi)已經(jīng)取得了一定的研發(fā)成果，如國(guó)內(nèi)的催化劑、復(fù)合膜、碳紙等從技術(shù)水平上已經(jīng)達(dá)到或超過國(guó)外商業(yè)化產(chǎn)品，急需產(chǎn)業(yè)界投入建立批量生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。
第二是提高電堆與系統(tǒng)的可靠性和耐用性。
現(xiàn)在中國(guó)的氫燃料電池車整體而言其實(shí)不比德國(guó)的、美國(guó)的、日本的車差，但可靠性和耐用性還有待于提高。所以我希望研究車載工況下燃料電池衰減機(jī)能的科研單位與電堆生產(chǎn)和電池系統(tǒng)的電池生產(chǎn)單位真誠(chéng)合作。
燃料電池系統(tǒng)的壽命不完全是由電堆決定的，還依賴與系統(tǒng)的配套，包括燃料供給、氧化劑供給、水熱管理和電控等等，系統(tǒng)內(nèi)部關(guān)系搞不好，電堆在里邊生活環(huán)境就不好。就像現(xiàn)在國(guó)人講養(yǎng)生，首先是身體基因，更重要的是生活環(huán)境、個(gè)人保健等等一系列事情，電池的壽命也是一樣的。
我們大連化物所在燃料電池衰減機(jī)理及控制策略方面已經(jīng)開展了一些卓有成效的工作。研究表明采用限電位控制策略，可以顯著降低燃料電池啟動(dòng)停車、怠速等過程引起的高電位的衰減。采用“電-電”混合策略，可以平緩燃料電池輸出功率的變化幅度，對(duì)延長(zhǎng)燃料電池的壽命起到了決定性的作用。此外，氫側(cè)循環(huán)泵、MEA在線水監(jiān)測(cè)等措施可以有效地改善陽極水管理，可以提高燃料電池耐久性。
第三是關(guān)于燃料電池系統(tǒng)用的空壓機(jī)與70MPa氫瓶的研發(fā)及加氫站的建設(shè)。
這是涉及到燃料電池示范運(yùn)行的一個(gè)大問題。希望我們國(guó)家能夠加大科研投入，聯(lián)合攻關(guān)。鑒于我國(guó)在燃料電池車載空壓機(jī)技術(shù)方面比較薄弱，建議采用引進(jìn)技術(shù)與自主開發(fā)相結(jié)合，盡快推進(jìn)。高壓氫瓶方面，建議盡快建立70Mpa IV型瓶的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，氫瓶成本還要進(jìn)一步降低。加氫站方面，盡管國(guó)家有補(bǔ)貼政策，但成本還是比較高，近期，可以根據(jù)燃料電池商用車或軌道交通車區(qū)域或固定線路運(yùn)行的特點(diǎn)，建立區(qū)域性加氫站，滿足示范運(yùn)行需求，隨著燃料電池汽車數(shù)量的增大，加氫站也會(huì)逐步增多，這是市場(chǎng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。
第四，就是加速轎車燃料電池的開發(fā)。
商用車看重的是可靠性和耐久性，對(duì)質(zhì)量比功率和體積比功率沒有太高的要求;轎車是各大汽車公司比拼的地方，因?yàn)檐囕v內(nèi)空間有限，轎車要求重量比功率和體積比功率較高?，F(xiàn)在都要達(dá)到3kW/L以上。國(guó)內(nèi)我們大連化物所電堆體積比功率已經(jīng)達(dá)到了2.7kW/L，接近國(guó)際先進(jìn)水平。還要在高活性催化劑、低Pt電極、有序化MEA、3D流場(chǎng)方面做些研究工作。
第五就是加速燃料電池汽車示范及安全實(shí)驗(yàn)。
最近聯(lián)合國(guó)環(huán)境開發(fā)署三期“促進(jìn)中國(guó)燃料電池汽車商業(yè)化發(fā)展”示范項(xiàng)目已經(jīng)啟動(dòng)，計(jì)劃在北京、上海、鄭州、佛山、鹽城5個(gè)城市進(jìn)行燃料電池汽車示范。此外，云浮等地方政府也在積極推動(dòng)示范運(yùn)行項(xiàng)目，這是個(gè)好事，但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還要加大示范力度。
再就是安全性問題是老百姓比較關(guān)注的事情。一聽說燃料電池帶高壓氫，大家都害怕。其實(shí)氫氣比較輕，它的擴(kuò)散系數(shù)是汽油的22倍，氫氣漏出來以后很快就向上擴(kuò)散了，不像汽油，漏出來以后就滯留在車的旁邊。汽油著火是圍繞車燒的，氫氣的火是在車輛上方的，所以氫氣在開放空間里是非常安全的。但氫氣在封閉空間的安全性要引起足夠重視，如家用氫燃料電池車在車庫(kù)里，這個(gè)車庫(kù)要加氫傳感器，而且要加上通風(fēng)裝置，以防發(fā)生危險(xiǎn)?，F(xiàn)階段建議載有氫燃料的車最好露天停放。
總之，目前我國(guó)政府非常重視新能源汽車的發(fā)展，燃料電池汽車迎來了好的發(fā)展機(jī)遇?？蒲性核c企業(yè)界要聯(lián)合攻關(guān)，繼續(xù)完善燃料電池技術(shù)鏈，發(fā)展燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈，加快促進(jìn)我國(guó)燃料電池汽車商業(yè)化發(fā)展。
