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“举氢若重”还需技术升级

文章作者:yl永利集团网址 上传时间:2019-08-19

燃料电池进入商业化应用阶段

新年伊始,氢燃料电池好消息频现。

“举氢若重”还需技术升级

——访中国工程院院士、中国科学院大连化学物理研究所研究员衣宝廉

日本丰田汽车表示,其氢燃料电池客车——丰田FC客车计划于今年正式上路运营;日本本田汽车和美国通用汽车也宣布,将合作生产氢动力燃料电池车的新一代系统,力争2020年左右开始投入量产。

新年伊始,氢燃料电池好消息频现。

中国电力报 中电新闻网见习记者 白明琴

我国新能源客车也杀出黑马,进入市场仅三年的行业新兵——中植汽车,近日发布了一款氢燃料电池城市客车,打算在今年上市销售,并争取当年销售额突破1.5万辆。

日本丰田汽车表示,其氢燃料电池客车——丰田FC客车计划于今年正式上路运营;日本本田汽车和美国通用汽车也宣布,将合作生产氢动力燃料电池车的新一代系统,力争2020年左右开始投入量产。

编者按:10月13日,由中国国际贸易促进委员会机械行业分会、中国电工技术学会等联合主办,北京中汽四方会展有限公司承办的2016中国国际节能环保型汽车展览会在北京国家会议中心举行。在此次展会上,燃料电池技术研究及应用成为与会嘉宾关注的焦点之一,各大汽车、动力电池企业展出的新能源汽车技术、产品也引起关注。

氢燃料电池被看做是新能源汽车的“终极模式”。中国工程院院士、中国科学院大连化学物理研究所研究员衣宝廉就曾公开表示,未来汽车市场可能呈三分天下、三国争霸的局面,氢燃料电池汽车便是其中之一——氢燃料电池汽车跑长途,发挥大功率优势;锂离子电动汽车用于市内近郊交通;混合动力燃油车份额较小但不会终结。

我国新能源客车也杀出黑马,进入市场仅三年的行业新兵——中植汽车,近日发布了一款氢燃料电池城市客车,拟于今年上市销售,并争取当年销售额突破1.5万辆。

面对全球能源紧缺和环境污染的挑战,加快推进实现清洁低碳发展重要途径的氢能和燃料电池的研发应用,成为新能源汽车行业亟待攻克的难题。

“氢燃料电池已进入产业化前夜,不久的将来会在大巴汽车、城际轻轨和高铁优先获得应用和产业化,并逐渐在可移动电子设备及航天与水下领域获得应用。”在接受《中国科学报》记者采访时,衣宝廉对氢燃料电池的应用前景深信不疑。

氢燃料电池被看做是新能源汽车的“终极模式”。中国工程院院士、中国科学院大连化学物理研究所研究员衣宝廉就曾公开表示,未来汽车市场可能呈三分天下、三国争霸的局面,氢燃料电池汽车便是其中之一——氢燃料电池汽车跑长途,发挥大功率优势;锂离子电动汽车用于市内近郊交通;混合动力燃油车份额较小但不会终结。

目前,很多发达国家已经将燃料电池视为涉及国家安全的技术、国家支柱产业,列入了国家重点研究项目。

但就目前而言,昂贵的质子交换膜、用贵金属铂作为催化剂等,都导致氢燃料电池成本居高不下,在多位专家看来,降成本是氢燃料电池商业化的前提,而这就需要攻克多道技术难关。

“氢燃料电池已进入产业化前夜,不久的将来会在大巴汽车、城际轻轨和高铁优先获得应用和产业化,并逐渐在可移动电子设备及航天与水下领域获得应用。”在接受《中国科学报》记者采访时,衣宝廉对氢燃料电池的应用前景深信不疑。

那么,当前的燃料电池技术及应用发展水平究竟如何?其推广应用面临哪些问题?我国燃料电池行业该如何破局发展?在此次展会上,本报记者就以上问题采访了我国燃料电池研究开拓者之一、中国工程院院士、中国科学院大连化学物理研究所技术带头人衣宝廉。

未来或将“举氢若重”

永利皇宫网址是多少,但就目前而言,昂贵的质子交换膜、用贵金属铂作为催化剂等,都导致氢燃料电池成本居高不下,在多位专家看来,降成本是氢燃料电池商业化的前提,而这就需要攻克多道技术难关。

实现燃料电池产业化每千瓦铂用量需降至0.1克以下

衣宝廉表示,氢燃料电池有三大优势:与热机过程相比,能量转化效率高,超过60%;比能量高,包括燃料和氧化剂,如航天用氢氧燃料电池,比能量大于1千万时/千克;环境友好,排出的产物是水或水蒸气。正是凭借多种优势,氢燃料电池或将在国民经济中起到“举氢若重”的作用。

衣宝廉表示,氢燃料电池有三大优势:与热机过程相比,能量转化效率高,可达60%以上;比能量高,包括燃料和氧化剂,如航天用氢氧燃料电池,比能量大于1千万时/千克;环境友好,排出的产物是水或水蒸气。正是凭借多种优势,氢燃料电池或将在国民经济中起到“举氢若重”的作用。

中国电力报:燃料电池的特殊性和关键工艺是什么?其新能源汽车应用技术水平如何?

目前,氢燃料电池最标志性的应用就是氢燃料电池汽车,特别是大型客车。中国电池工业协会会长王敬忠表示,氢能源电池可根据每辆车设计储氢容器的大小,大客车储氢容器的容量相对较大,从而使得续航里程更长。

目前,氢燃料电池最标志性的应用就是氢燃料电池汽车,特别是大型客车。中国电池工业协会会长王敬忠告诉《中国科学报》记者,氢能源电池可根据每辆车设计储氢容器的大小,大客车储氢容器的容量相对较大,从而使得续航里程更长。

衣宝廉:与锂电池、锌锰干电池等相比,燃料电池的特殊性在于,其以电化学原理发电,以内燃机方式工作。确切地说,它 是一个系统,电池只是能源转换的地方,通过供给氢气与空气,氢气和氧气在电池内部发生电化学反应,将化学能直接转换为电能,再把化学反应产生的废热和水排出来。

“目前,国内已进入燃料电池大巴车产业化的前夜。”衣宝廉表示,北京、上海、佛山、郑州、如皋五个城市在联合国环境开发署的支持下,已经开展了百辆级燃料电池大巴车的第三期示范运行。未来,氢燃料电池汽车在新能源汽车产业竞争中具有很大的优势。

“目前,国内已进入燃料电池大巴车产业化的前夜。”衣宝廉表示,北京、上海、佛山、郑州、如皋五个城市在联合国环境开发署的支持下,已经开展了百辆级燃料电池大巴车的第三期示范运行。未来,氢燃料电池汽车在新能源汽车产业竞争中具有很大的优势。

一节燃料电池的工作电压在1伏左右,而航天用、小汽车用、大巴用的工作电压约分别为28伏、300伏和600伏,这就需要最多把近1000节的燃料电池按压滤机方式组合起来应用。因此,同所有的二次电池一样,各节燃料电池的一致性问题是至关重要的。

而除了车用电池领域,燃料电池载人低空飞机目前也已试飞成功,特殊应用的再生氢氧燃料电池系统已完成样机研制和验收。

而除了车用电池领域,燃料电池载人低空飞机目前也已试飞成功,特殊应用的再生氢氧燃料电池系统已完成样机研制和验收。

当前,世界各大汽车公司都推出了燃料电池概念车,他们表面上是在较量燃料电池小轿车应用技术,实际上都在极力攻克燃料电池大巴、轻轨甚至是高铁应用技术,因为它们对加氢站的依赖低,而依赖越低越有利于燃料电池汽车的产业化。

值得一提的是,随着技术逐渐成熟,氢燃料电池还有望在分布式电站等领域发挥作用,但目前尚处于研发和示范阶段。

值得一提的是,随着技术逐渐成熟,氢燃料电池还有望在分布式电站等领域发挥作用,但目前尚处于研发和示范阶段。

目前,燃料电池功率密度已经达到内燃机水平,装备70兆巴氢瓶的燃料电池汽车可行驶700千米,加氢耗时小于5分钟。燃料电池大巴、轿车的寿命分别约达到1.8万小时和5000小时。

衣宝廉表示,为确保可再生能源上网,又不影响电网的稳定性,就要大力发展不受规模、地域限制的各种储能电池。但目前应用的各种方法,如抽水储能、压缩空气储能等物理储能和各种电池的化学储能,只能解决每天或几天的可再生能源的存储,无法解决季节性不均的问题。

衣宝廉表示,为确保可再生能源上网,又不影响电网的稳定性,就要大力发展不受规模、地域限制的各种储能电池。但目前应用的各种方法,如抽水储能、压缩空气储能等物理储能和各种电池的化学储能,只能解决每天或几天的可再生能源的存储,无法解决季节性不均(如冬天风能丰富、夏天太阳能丰富)的问题。

以当前的原料价格计算,生产50万辆燃料电池汽车的燃料电池价格约为49美元/千瓦。此前,业内有燃料电池发展受“铂”限制的说法。事实上,在国际上,燃料电池每千瓦的用铂量已经从1克降到0.2克,我国每千瓦的用铂量也降到了0.4克,但是,要实现其产业化,这一用量要降到0.1克以下。

“要解决可再生能源季节性不均问题,就需要将可再生能源转化为可长时间存储的化学能,如燃料氢。所以,利用可再生能源电解水制备氢气成为国际开发和示范的重点。”衣宝廉进一步解释道,燃料电池用于储能,先是用燃料电池的逆过程“电解水”制成氢气,氢气可现场应用于燃料电池再发电,或进入附近天然气管道送达需要的地方。

“要解决可再生能源季节性不均问题,就需要将可再生能源转化为可长时间存储的化学能,如燃料氢。所以,利用可再生能源电解水制备氢气成为国际开发和示范的重点。”衣宝廉进一步解释道,燃料电池用于储能,先是用燃料电池的逆过程“电解水”制成氢气,氢气可现场应用于燃料电池再发电,或进入附近天然气管道送达需要的地方。

应用进入商业化阶段生产线、成本、加氢站是关键

目前,各国正在大力发展氢燃料电池的逆过程——质子交换膜型水电解槽。2015年,美国Proton Onsite公司就推出了适合于储能要求的M系列产品,M1和M2产品每小时产氢能力分别达到200立方米和400立方米,成为世界首套兆瓦级质子交换膜水电解池。

目前,各国正在大力发展氢燃料电池的逆过程——质子交换膜型水电解槽。2015年,美国Proton Onsite公司就推出了适合于储能要求的M系列产品,M1和M2产品每小时产氢能力分别达到200立方米和400立方米,成为世界首套兆瓦级质子交换膜水电解池。

中国电力报:请结合我国燃料电池新能源汽车应用发展介绍,燃料电池应用市场发展面临哪些问题?

中科院大连化学物理研究所此前也开发出产氢气量为1标准立方米/小时、输出压力为1.0 兆帕的水电解制氢机,单机能耗氢气4.2千瓦时/标准立方米,优于国外产品。但这种电解槽成本高,需要继续降低成本进行示范,从而推进产业化进程。

中科院大连化学物理研究所此前也开发出产氢气量为1标准立方米/小时、输出压力为1.0 兆帕的水电解制氢机,单机能耗氢气4.2千瓦时/标准立方米,优于国外产品。但这种电解槽成本高,需要继续降低成本进行示范,从而推进产业化进程。

衣宝廉:我国最早在2007年上海比比登竞赛上,展示了自主生产的燃料电池汽 车。在2008~2010年期间,先后有自主生产的23辆燃料电池汽车在奥运会期间试运行,自主生产的16辆燃料电池汽车在美国加州试运行,自主生产的1辆燃料电池大巴参加新加坡世青会,196辆燃料电池汽车在上海世博会期间示范运行。

“电解槽的商业化再与氢燃料电池组合,构成再生氢氧燃料电池,可以很好地解决季节性不均导致的弃风、弃光问题。从这种意义上看,再生型氢氧燃料电池还是一种有前途、很重要的储能电池。”衣宝廉说。

“电解槽的商业化再与氢燃料电池组合,构成再生氢氧燃料电池,可以很好地解决季节性不均导致的弃风、弃光问题。从这种意义上看,再生型氢氧燃料电池还是一种有前途、很重要的储能电池。”衣宝廉说。

上海世博会期间试运行的车辆包括了美国通用生产的30辆燃料电池轿车。通过对比运行情况发现,我国生产的燃料电池汽车的性能、可靠性不比通用的差,但其寿命不如通用的。

降成本是产业化的前提

虽然氢燃料电池是公认的“零排放”绿色能源,但经过多年研究却仍未规模化应用,成本高昂是其主要原因。

2014年,上汽集团推出了燃料电池汽车荣威950,并参加了创新征程———2014新能源汽车万里行,运行效果良好。当前,宇通也推出了第三代燃料电池客车,福田在奥运会期间就做了燃料电池大巴,上海大通也发布了燃料电池汽车,中车目前在做的是用燃料电池给超级电容器充电的新能源汽车。

虽然氢燃料电池是公认的“零排放”绿色能源,但经过多年研究却仍未规模化应用,成本高昂是其主要原因。

“金属铂是氢燃料电池最重要的催化剂,目前,全球金属铂的产量十分有限,也就仅够制造几百万辆氢燃料电池车,成本较高,因而减少金属铂的用量以及寻找可替代的催化剂十分重要。”王敬忠说。

不过,对比全球燃料电池汽车发展历程来看,我国燃料电池的技术研发及应用水平,整体落后于国际水平。

“金属铂是氢燃料电池最重要的催化剂,目前,全球金属铂的产量十分有限,也就仅够制造几百万辆氢燃料电池车,成本较高,因而减少金属铂的用量以及寻找可替代的催化剂十分重要。”王敬忠说。

“国内要实现关键材料与部件如质子交换膜、电催化剂、碳纸与双极板的批量生产,为降低成本奠定坚实基础。”衣宝廉表示,还要加强超低铂和非铂电催化剂、电极结构与制备工艺、流场结构与传质关系等基础研究,特别是要将贵金属铂的用量大幅度下降,车用铂降到每千瓦仅用0.1克左右。

当前,全球燃料电池汽车发展经历了3个阶段:1990~2005年,加拿大Ballard公司生产了3辆燃料电池大巴,在美国芝加哥试运行1个月之后全部垮掉,暴露出了燃料电池不适用于汽车工况的致命问题;2005~2012年,业界解决了燃料电池汽车工况适应性的问题,并将燃料电池性能提升到2千瓦/升,可在零下30摄氏度环境中正常启动,使燃料电池基本上满足了车用的要求;2012年至今,燃料电池汽车进入商业化导入阶段,2014年12月15日,丰田汽车宣布旗下的“未来”车开始商业化应用。

“国内要实现关键材料与部件如质子交换膜、电催化剂、碳纸与双极板的批量生产,为降低成本奠定坚实基础。”衣宝廉表示,还要加强超低铂和非铂电催化剂、电极结构与制备工艺、流场结构与传质关系等基础研究,特别是要将贵金属铂的用量大幅度下降,车用铂降到每千瓦仅用0.1克左右。

衣宝廉还提出要提高电池的工作电流密度,“如将电池的工作电流密度提高一倍,电池输出功率就提高一倍,原材料减少近一半,成本可下降30%~40%。”

但是,截至目前,丰田汽车并没有建设批量生产线,1天仅能生产3辆燃料电池汽车。

衣宝廉还提出要提高电池的工作电流密度,“如将电池的工作电流密度提高一倍,电池输出功率就提高一倍,原材料减少近一半,成本可下降30%~40%。”

而从氢燃料电池汽车的角度来讲,成本下降还牵涉到规模化发展的问题,但目前加氢站的布局却成为规模化的“拦路虎”。

因此,从国际市场来看,燃料电池汽车市场已经进入商业化导入阶段,但是,推动 其商业化应用发展,关键还需要进一步建立生产线,降低成本,建设加氢站。

而从氢燃料电池汽车的角度来讲,成本下降还牵涉到规模化发展的问题,但目前加氢站的布局却成为规模化的“拦路虎”。

“丰田推出的燃料电池轿车‘未来’售价五万美元,比锂离子电池车稍贵,要建立生产线,实现批量生产,成本还会下降,但目前受加氢站数量的限制,轿车还不可能大量投放市场。”衣宝廉说,对加氢站依赖度低的大巴,以及有固定运行线路的各种专用车和轻轨,应是氢燃料电池优先实现产业化的最佳选择。

需实现关键材料配套生产进一步提升燃料电池寿命

“丰田推出的燃料电池轿车‘未来’售价五万美元,比锂离子电池车稍贵,要建立生产线,实现批量生产,成本还会下降,但目前受加氢站数量的限制,轿车还不可能大量投放市场。”衣宝廉说,对加氢站依赖度低的大巴,以及有固定运行线路的各种专用车和轻轨,应是氢燃料电池优先实现产业化的最佳选择。

除了成本控制难题,氢燃料电池商业化仍有多道关卡亟待攻破。

中国电力报:就您看来,我国燃料电池及市场应用该如何破局发展?

仍需攻克多道难关

衣宝廉称,氢燃料电池还需要提高可靠性与耐久性。要加强电堆和电池系统可靠性与耐久性研究和实验,达到车用燃料电池系统——轿车5000小时、大巴1万小时、民用发电4万小时的寿命,并发展快速评价方法。

衣宝廉:首先,实现关键材料的配套生产。催化剂、隔膜等关键配套材料在国外采购,导致我国燃料电池发动机价格比国外贵。我国已经掌握了先进的配套材料技术,但由于燃料电池生产未形成良性循环,企业不愿投资生产。

除了成本控制难题,氢燃料电池商业化仍有多道关卡亟待攻破。

另外,他还建议强化电堆和电池系统评价实验室的建设,大力开展电堆和电池系统的实验研究与评价,发现电堆衰减机理并提出解决对策,提高电池寿命。

其次,提高电堆、电池系统的可靠性、耐久性。我国燃料电池汽车的初性能不比德国、日本等国家差,但可靠性、耐久性不如他们,希望研究工况下燃料电池衰减机理的科研单位与电堆、电池系统生产企业真诚合作,进一步提升燃料电池寿命。

衣宝廉称,氢燃料电池还需要提高可靠性与耐久性。要加强电堆和电池系统可靠性与耐久性研究和实验,达到车用燃料电池系统——轿车5000小时、大巴1万小时、民用发电4万小时的寿命,并发展快速评价方法。

而在王敬忠看来,氢燃料电池对储氢容器要求较高,安全性问题也值得重视。“大客车速度慢,碰撞损害低,但如果是速度较快的小客车,碰撞就会存在巨大隐患,氢燃料电池防撞装置是一个亟待解决的问题。”

再次,加快研发燃料电池系统用空压机、氢瓶,建设加氢站,并大幅度降低成本。

另外,他还建议强化电堆和电池系统评价实验室的建设,大力开展电堆和电池系统的实验研究与评价,发现电堆衰减机理并提出解决对策,提高电池寿命。

目前,国家对氢燃料电池的扶持政策十分给力。未来5年,氢燃料电池车国家补贴分别为:燃料电池客车50万元,燃料电池中重型物流车50万元,燃料电池轻型物流车30万元,燃料电池轿车20万元;在加氢站建设上,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,每站奖励400万元。

近20年来,我国空压机技术研究至今没有大的突破,建议采用引进、合资建厂的方式研发生产。我国的氢站建设取得了一定成果,但经济效益欠佳,建议协同发展燃料电池汽车和加氢站建设,例如,先发展燃料电池大巴,再发展燃料电池轻轨和高铁。目前,我国正在攻关70兆巴氢瓶技术。

而在王敬忠看来,氢燃料电池对储氢容器要求较高,安全性问题也值得重视。“大客车速度慢,碰撞损害低,但如果是速度较快的小客车,碰撞就会存在巨大隐患,氢燃料电池防撞装置是一个亟待解决的问题。”

同时,《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》也明确提出2020年实现燃料电池车批量生产和规模化示范应用,燃料电池将从“研究开发、示范应用”阶段向“产业化”阶段转折。在业界看来,这一《规划》或是氢燃料电池产业化的起点。

第四,加速轿车用燃料电池开发,这是各大汽车公司比拼燃料电池应用技术的关键。燃料电池轿车的要求是重量比功率和体积比功率,在这一方面,我国还需要突破高性能低电阻、薄金属双极板制备技术和纳米薄膜有序化电极制备技术或3D流场技术。

目前,国家对氢燃料电池的扶持政策十分给力。未来5年,氢燃料电池车国家补贴分别为:燃料电池客车50万元,燃料电池中重型物流车50万元,燃料电池轻型物流车30万元,燃料电池轿车20万元;在加氢站建设上,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,每站奖励400万元。

为加快氢燃料电池的产业化应用,衣宝廉还建议要鼓励企业进入燃料电池产业化领域,如建立关键材料生产线,进行燃料电池车的示范运行和燃料电池轻轨的实验研究。

第五,加速示范运行和安全试验。上海世博会后,我国燃料电池汽车示范运行基本处在停滞状态,今年启动的联合国环境开发署资助的大巴示范运行是一个好的开始。

同时,《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》也明确提出2020年实现燃料电池车批量生产和规模化示范应用,燃料电池将从“研究开发、示范应用”阶段向“产业化”阶段转折。在业界看来,这一《规划》或是氢燃料电池产业化的起点。

在配套设施建设方面,武汉理工大学教授潘牧提出,可以考虑在加油站旁边建加氢站,将来随着加油站逐渐减少,加氢站扩大,最后加油站转变成加氢站。

为加快氢燃料电池的产业化应用,衣宝廉还建议要鼓励企业进入燃料电池产业化领域,如建立关键材料生产线,进行燃料电池车的示范运行和燃料电池轻轨的实验研究。

清华大学教授李建秋则希望各个地方发展氢燃料电池要因地制宜,不要在没有氢气的地方推广,而是要在氢气富余、氢基础设施比较好的地方来推广。

在配套设施建设方面,武汉理工大学教授潘牧提出,可以考虑在加油站旁边建加氢站,将来随着加油站逐渐减少,加氢站扩大,最后加油站转变成加氢站。

总之,憧憬未来,专家表示,氢燃料电池“三分天下有其一”的景象,或许为期不远。

清华大学教授李建秋则希望各个地方发展氢燃料电池要因地制宜,不要在没有氢气的地方推广,而是要在氢气富余、氢基础设施比较好的地方来推广。

总之,憧憬未来,专家表示,氢燃料电池“三分天下有其一”的景象,或许为期不远。

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