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能源無疑是當今全世界共同關(guān)注的一大話題，受全球能源消費量不斷增長和能源消耗導致的氣候問題，越來越多的有識之士認為，氫燃料電池汽車作為一種真正意義上的“零排放，無污染”載運工具，是未來新能源清潔動力汽車的必然方向，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，中國工程院院士，原國家863《電動汽車重大專項》專家組成員和燃料電池發(fā)動機責任專家，中國科學院大連化學物理研究所研究員，新源動力股份有限公司名譽董事長。
衣寶廉所在的中科院大連化物所是國內(nèi)最早開展燃料電池技術(shù)的科研機構(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)積累和人才儲備，是公認的國內(nèi)一流的燃料電池研發(fā)單位，并在國際同行中具有相當?shù)牡匚弧Ｔ陂L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)、檢測與控制等方面申報國家發(fā)明專利200余項，形成了燃料電池自主知識產(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識到，我國車用氫燃料電池產(chǎn)業(yè)化必須解決的一系列問題需要更多人了解，為此，他對中國客車網(wǎng)詳細解釋了氫燃料電池的原理和歷史沿革，以及他的研發(fā)團隊的成果，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客車網(wǎng)，燃料電池之所以叫“電池”兩個字，因為它的發(fā)電原理是電化學的，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氧化還原反應分為兩部分，一部分發(fā)生氧化反應，一部分發(fā)生還原反應，就構(gòu)成了一個電池。
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，燃料電池是一個能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，它要供給氫氣、空氣，作為電化學反應產(chǎn)物的水要排出來，就跟傳統(tǒng)內(nèi)燃機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，為了滿足實際應用需求，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，從國際上來看，氫燃料電池車到現(xiàn)在分三個發(fā)展階段。
第一階段為1990年到2005年。1990年美國能源署開始制訂氫能和燃料電池研發(fā)和示范項目，世界發(fā)達國家(地區(qū))紛紛加緊氫能與燃料電池的研發(fā)部署。當時人們對這項技術(shù)的攻關(guān)難度理解不夠，以為燃料電池車可能在1995年左右實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，以至于巴拉德公司股票漲到190多美元，實際上做出的三輛氫燃料電池車在試驗階段穩(wěn)定運行很好，放在芝加哥上路運行不到一個月全部垮掉，大家這才意識到燃料電池不適用于汽車的工況。
第二個階段是2005年到2012年。用了7年時間終于解決了燃料電池的工況適應性問題，燃料電池比功率達到了2kW/L，在零下30oC也能儲存和啟動，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”氫燃料電池車實現(xiàn)商業(yè)化，進入了商業(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年譽為燃料電池汽車的元年。
據(jù)中國客車網(wǎng)了解，當前國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，進入到市場導入階段。燃料電池發(fā)動機功率密度大幅提升，已經(jīng)達到傳統(tǒng)內(nèi)燃機的水平;基于70MPa儲氫技術(shù)，續(xù)駛里程達到傳統(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)境適應性提高，可適應-30℃氣候，車輛適用范圍達到傳統(tǒng)車水平 。通過技術(shù)進步降低成本、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期而艱巨的任務
衣寶廉認為，現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵問題是進一步建立生產(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)動機來看，它現(xiàn)在可以做到跟內(nèi)燃機互換，就是體積可以跟內(nèi)燃機進行互換。從壽命來看，大巴車已經(jīng)達到了1.8萬小時，小車也超過了5千小時，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)動策略，使燃料電池在相對平穩(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，燃料電池每千瓦成本大約是49美元，這個價格是可以接受的。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際先進水平能做到0.2g/kW，國內(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，這是需要依靠技術(shù)進步逐步實現(xiàn)的。
衣寶廉院士透露，現(xiàn)在國際各大汽車公司競爭的技術(shù)水平都是在燃料電池小轎車上體現(xiàn)，而小轎車對加氫站的數(shù)量依賴度較高，當加氫站不能夠達到像加油站那么普及時，選擇大巴車、物流車或軌道交通車發(fā)展是比較實際的做法。也就是對加氫站依賴度越低，越容易首先實現(xiàn)燃料電池車產(chǎn)業(yè)化，不會讓用戶產(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)進入商業(yè)化導入期，當下的焦點就是降低成本和加氫站的建設(shè)。燃料電池發(fā)動機從性能、體積上可以實現(xiàn)與傳統(tǒng)內(nèi)燃機互換，低溫適應性可以達到-30℃，行駛里程可以達到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)鍵材料與部件國產(chǎn)化，相信燃料電池成本會得到大幅度降低。此外，要加大力度推進加氫站的建設(shè)，目前，國內(nèi)一些能源公司、工業(yè)副產(chǎn)氫公司及地方政府對加氫站建設(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(如公交運營線、物流區(qū)等)需求。
國內(nèi)燃料電池汽車發(fā)展
據(jù)中國客車網(wǎng)了解，國內(nèi)目前用于示范的氫燃料電池汽車已達200余輛，累計運行里程十余萬公里，雖然性能已經(jīng)與國際水平接近，但成本、耐久性等方面亟待改善 。
據(jù)衣寶廉院士介紹，我國的氫燃料電池車已經(jīng)進行了十幾年的研發(fā)，從“九五”開始，現(xiàn)在進入“十三五”，是第20個年頭。
2008年北京奧運會23輛車，其中3輛大巴，20輛轎車。2009年有16輛車到美國加州進行了試驗。2010年上海世博會，一共是196輛燃料電池車參加了運營。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。北京奧運會用的公交車在北京801路上進行了示范運行，燃料電池的功率是80kW。
在這之后，上汽進行了2014創(chuàng)新征程萬里行，燃料電池車、純電動車和插電式混合動力車三種車型參加了示范，燃料電池汽車在全國14個省市自治區(qū)25個城市運行，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。客車方面宇通推出了第三代燃料電池客車，氫燃料加注時間僅需10分鐘，測試工況下續(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會和上海世博會，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，采用新源動力電堆驅(qū)動，最高車速可達120km/h。
國家公布的《中國制造2025》重點技術(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，燃料電池汽車實現(xiàn)區(qū)域小規(guī)模運行。為了推行氫能燃料電池汽車，國家出臺了相應的補貼政策，同時國務院辦公廳提出：對符合國家技術(shù)標準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站獎勵400萬元。相信沿著這個目標，中國的氫燃料電池汽車，尤其是氫燃料電池客車必定會有一個大的發(fā)展機會。
五大建議促氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)化
針對中國氫燃料電池汽車發(fā)展問題，衣寶廉院士結(jié)合多年研發(fā)和實踐工作，著重講了他的五個建議，分別是：
─，實現(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理的科研單位與生產(chǎn)電堆和電池系統(tǒng)的單位真誠合作，開發(fā)控制電堆衰減的實用方法，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);空壓機也可采用引進技術(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，減少傳質(zhì)極化。
五，加強整車的示范運行與安全實驗。擴大燃料電池電汽車示范運行。
針對國內(nèi)氫燃料電池汽車市場化上述五個建議，衣寶廉院士詳細解釋如下：
第一是關(guān)于實現(xiàn)關(guān)鍵材料的批量生產(chǎn)。
目前，我們國產(chǎn)發(fā)動機為什么比國外貴?其中一個因素就是我們的材料都是進口，這些材料，包括催化劑、隔膜、碳紙等。其實這方面國內(nèi)已經(jīng)取得了一定的研發(fā)成果，如國內(nèi)的催化劑、復合膜、碳紙等從技術(shù)水平上已經(jīng)達到或超過國外商業(yè)化產(chǎn)品，急需產(chǎn)業(yè)界投入建立批量生產(chǎn)線，實現(xiàn)國產(chǎn)化。
第二是提高電堆與系統(tǒng)的可靠性和耐用性。
現(xiàn)在中國的氫燃料電池車整體而言其實不比德國的、美國的、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)在國人講養(yǎng)生，首先是身體基因，更重要的是生活環(huán)境、個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，對延長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行的一個大問題。希望我們國家能夠加大科研投入，聯(lián)合攻關(guān)。鑒于我國在燃料電池車載空壓機技術(shù)方面比較薄弱，建議采用引進技術(shù)與自主開發(fā)相結(jié)合，盡快推進。高壓氫瓶方面，建議盡快建立70Mpa IV型瓶的法規(guī)標準，氫瓶成本還要進一步降低。加氫站方面，盡管國家有補貼政策，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)域或固定線路運行的特點，建立區(qū)域性加氫站，滿足示范運行需求，隨著燃料電池汽車數(shù)量的增大，加氫站也會逐步增多，這是市場發(fā)展的必然趨勢。
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，因為車輛內(nèi)空間有限，轎車要求重量比功率和體積比功率較高。現(xiàn)在都要達到3kW/L以上。國內(nèi)我們大連化物所電堆體積比功率已經(jīng)達到了2.7kW/L，接近國際先進水平。還要在高活性催化劑、低Pt電極、有序化MEA、3D流場方面做些研究工作。
第五就是加速燃料電池汽車示范及安全實驗。
最近聯(lián)合國環(huán)境開發(fā)署三期“促進中國燃料電池汽車商業(yè)化發(fā)展”示范項目已經(jīng)啟動，計劃在北京、上海、鄭州、佛山、鹽城5個城市進行燃料電池汽車示范。此外，云浮等地方政府也在積極推動示范運行項目，這是個好事，但還遠遠不夠，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。其實氫氣比較輕，它的擴散系數(shù)是汽油的22倍，氫氣漏出來以后很快就向上擴散了，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里，這個車庫要加氫傳感器，而且要加上通風裝置，以防發(fā)生危險。現(xiàn)階段建議載有氫燃料的車最好露天停放。
總之，目前我國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)展機遇。科研院所與企業(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，加快促進我國燃料電池汽車商業(yè)化發(fā)展。
