国内氢燃料电池产业化技术瓶颈及应对策略

  • 2019-05-09 11:51
  • 来源:南科动力

摘要:国内燃料电池发展进程暂时落后于国外,但很多产业环节并推的发展策略,令国内燃料电池产业发展速度远超国外,有望在较短时间内完成追赶。

尽管整体来看国内燃料电池发展进程暂时落后于国外,但很多产业环节并推的发展策略,令国内燃料电池产业发展速度远超国外,有望在较短时间内完成追赶。

面对当前国内燃料电池产业化发展所面临的寿命、价格、基础设施和产业政策与标准缺失瓶颈,通过细分的技术和政策手段获得实质改善,并提出“超级工厂”概念助推国内燃料电池产业化发展。

什么是氢能与燃料电池?

简单的讲,燃料电池就是能源转换装置,和内燃机相似,把一种能源转化成另外一种能量。燃料电池是电化学的转换装置,可将化学能量转化为电能。

这个装置有很多的特别之处,它高效清洁、功率较高(可达到每升3.1kW的功率密度)、没有噪音、充气迅速(三分钟充气可以让汽车行驶500-700km),是十分理想的能量转化装置。

国内氢燃料电池产业化技术瓶颈及应对策略

以电池技术为参照,燃料电池的技术更为复杂,涉及到包括电堆在内的一整套系统。比如需要把氢气通到燃料电池里,把空气通过空气压缩机通到燃料电池里实现发电,再通过DCDC装置将所得电力的电压转换到所需电压等,这些也是燃料电池技术的难度所在。

作为能源转化装置的燃料电池具备和内燃机同样的功能,也就决定了其用途的广泛性,几乎所有内燃机能发挥作用的领域,燃料电池都可以参与代替。比如能源交通、发电、家庭、移动电源、通讯基站和空间技术、军事、医学领域等。

而在众多的应用领域中,交通运输层面的应用格外重要。早在2000年,福特公司CEO小福特就断言燃料电池将终结内燃机的百年统治,实际上不止福特,全球大型汽车企业几乎都认同了这样的观点。

美国的咨询公司KPMG曾对全球汽车企业总裁进行过一项调查,结果显示,2018年全球汽车企业总裁一致认为燃料电池汽车是当今发展的主流,而电动车则在2018年下降到第五位。

通过对电动车和燃料电池车的经济性对比,我们可以发现的明显特征是电动车在短距、小型车领域占有优势,但在长距离、大型汽车领域,燃料电池则会更具优势。基本上续航里程超过100km,燃料电池汽车就会处于优势地位。

国内外燃料电池汽车发展进程对比

现阶段,全球都在加快燃料电池车型的开发、推广步伐,但在产业发展进程上,国内外存在一定的差异。

整体来看,国外燃料电池汽车的发展基本已完成“技术验证/用户认可—成本降低—性能提升—市场引入—大规模制造”五个阶段。具有代表性的是2015年日本丰田推出的Mirai,标志着燃料电池汽车成功进入商业化阶段,所以2015年也被视为燃料电池汽车产业化元年。

反观国内,燃料电池汽车技术相对落后于国外,车型也大多处于研究阶段,对照上述五大发展阶段,基本上处于技术验证阶段,与国外存在着较大差距。

但值得注意的是,过去几年国内燃料电池行业飞速发展,不同的行业、公司运用了不同的方法持续进行技术突破,尽管行业整体被归于技术验证阶段,但实际上的用户认可、降低成本、市场引入等环节在同步推进,有希望在较短时间内赶上国外先进技术。

氢能和燃料电池产业化四大瓶颈及应对策略

总体来看,当前燃料电池技术包括峰值效率、系统能量密度、低温启动等性能已基本达到商业化标准。但燃料电池的寿命和价格目前距离当前预期仍有一定差距,加上基础设施建设、产业政策与标准的缺失,四大因素综合限制了氢能和燃料电池的产业化发展。

国内氢燃料电池产业化技术瓶颈及应对策略

首当其冲的就是价格。从趋势上来看,过去数年燃料电池通过技术革新促使产品价格不断下降,2016年到现在,燃料电池价格基本在过去10年的基础上下降了60%。

国内氢燃料电池产业化技术瓶颈及应对策略

假设2019年燃料电池汽车产销量超1000辆,燃料电池价格大概将在230美元/kW左右,如果说每年产能达到10万辆车,燃料电池的价格可以降低50美元/kW。显然随着技术的进步,价格将非常接近我们的最终目标。

根据美国能源部此前的规划,按照每年50万辆燃料电池汽车计算,2017年燃料电池系统的价格是45美元/kW,预计2025年燃料电池系统售价将达40美元/kW,而最终的市场化推广目标是30美元/kW。

这就要求我们从整个燃料电池系统各个关键的部件进行研究和开发来降低价格。比如,当空压机价格降低时,整个系统的价格可以下降3美元左右;采用非铂催化剂可以将燃料电池价格再降低5美元;双机板价格降低,也将促使整个系统价格降低3美元。

至于寿命问题,我们希望燃料电池保持至少5000小时的运营寿命。2015年到2017年间的数据显示,现阶段燃料电池车的运行寿命基本可以达到超4000小时,实验室已可达10000小时,远超寿命需求。

要解决寿命问题必须要了解影响燃料电池寿命的原因有哪些,在过去几十年的研究里面,我们成功地揭示了燃料电池寿命衰减的基本机理。

※质子交换膜在燃料电池运行的过程里会变薄,出现针孔、撕裂现象等机械问题,化学、电化学以及热稳定等因素导致的质子交换膜衰减都是影响燃料电池寿命的重要因素。

※催化剂活性降低也会影响燃料电池寿命。在燃料电池运行过程中,催化剂可能出现团聚、再沉积,导致催化剂流失,空气污染在影响催化剂活性的同时也会影响到燃料电池寿命。

※气体扩散同样会对燃料电池的寿命造成影响,气体扩散层的速水材料会慢慢流失,造成表面变化,进而影响燃料电池的寿命。

※双极板环节在在燃料电池运行过程中出现的腐蚀情况,也会影响燃料电池寿命。

针对这些机理,可以制定针对性的应对策略,有效促进燃料电池寿命提升并达到车用寿命要求。

质子交换膜方面,可以用增强膜增强其机械性能,延长其使用寿命;为质子交换膜加进去自由基,就可以保证膜不会降解,加强热分解也能降低自由基数量,保证质子交换膜拥有足够的寿命。(燃料电池操作过程中总会产生大量自由基,这些自由基进攻膜材料,令膜材料逐步流失、变薄,影响膜寿命。)

催化剂层面,可以用高比表面体的载体,抗反击的催化剂,以及氧化的载体,使用化学过滤器,确保氢气和空气洁净不受污染,保证催化剂在整个寿命周期中活性不降低。

双极板则需要采用防腐涂层,增加寿命。

另外一个影响主要因素是氢燃料以及氢设施问题。氢燃料和氢设施方面的问题主要包括制氢、氢的储运和加氢,这在国内是一个非常大的问题,需要我们花更多的精力去解决。

燃料电池用氢,那么氢从哪儿来?现阶段制氢的方法很多,目前市场上大量的氢气来源于天然气制氢,它的价格基本上可以低于2美元/kg,满足氢作为燃料的基本价格要求。

但未来的发展过程中,氢的主要来源需将逐步过度到从太阳能、风能等可再生能源制氢的方式,可以令氢气的价格更加便宜。整体来看,当前的氢气价格仍旧较高,需要改进方法,继续强调降低制氢成本。

“超级工厂”解决方案

考虑当前燃料电池技术和产业化方面存在的瓶颈,我们已经采取了相应对策。即通过基础研究提高燃料电池的装置效率,同时开发关键材料、技术,尽快实现材料和技术国产化,降低燃料电池的价格,设计材料、电堆、系统的一体化解决方案。


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