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車用燃料電池技術仍需提高

鉅大LARGE  |  點擊量:693次  |  2019年02月21日  

從國際上看,燃料電池目前已進入市場導入階段,發動機的功率大幅度提升,用70MPa氫氣瓶可以運行500公里以上。

燃料電池的發電原理為電化學,因此效率較高;工作方式為內燃機,燃料儲存在儲罐當中,因此安全性比鋰離子電池高。燃料電池車與電動車和插電式混合動力車相比,更適合于大功率、長距離的運輸,因此在公交車和重載車上的應用有明顯優勢。

目前,氫燃料電池在壽命、可靠性、適用性上已經基本達到了車輛使用的要求,國內也已經掌握了氫燃料電池的核心技術。現在,國內加氫站有10臺左右正在運行,明年預計有100臺左右,運行最頻繁的是張家口、云浮和上海,加氫量也是最多的。中國已經掌握了燃料電池的核心技術,并經過了大量的示范運行,積累了豐富經驗,具備了進行大規模示范運行的條件。

但目前的問題是,燃料電池仍沒有大批量的生產線,成本較高,并且受到加氫站的制約。所以,從電堆、燃料電池的角度,當前的首要任務就是降低鉑用量和催化劑的成本。中國的車用燃料電池要想在國際上具有競爭力,核心問題就是提高電堆工作電流密度和比功率。

從國際上來看,燃料電池車已經達到了四缸內燃機的體積水平,本田宣布已經達到了六缸內燃機的水平,功率密度超過每立升3千瓦。我們國內裝車的電堆現在在每立升2.0千瓦左右,所以我們電堆比功率比國外還要低1/3左右。

目前,首先要盡快實現關鍵材料、電催化劑、質子交換膜、膜電極三合一、雙極板等批量生產,為降低電堆成本和提高電堆一致性奠定基礎。其次要降低鉑用量,進一步提高電堆和電池系統的可靠性和耐久性。

要想降低燃料電池發動機的成本,特別是電堆成本,首先就要研究提高單電池的比功率,降低化學極化、歐姆極化和傳質極化。而要想降低化學極化,就要研發更高效的電催化劑。中科院大連化物所研發的超小鉑銅合金催化劑,性能是現在碳鉑催化劑的3~5倍;鉑鎳納米線催化劑性能也是碳鉑催化劑的3倍多。有了高效的電催化劑,就可以提高電堆的工作電流密度,減少化學極化。同時要采用薄的增強的復合膜,降低歐姆極化。

現在,國內實驗室里單池研究已經達到了每平方厘米1安培的時候在0.7V以上,每平方厘米2安培在0.6V以上,我們正在向2.5安培進軍。以后要發展到每平方厘米2~2.5安培,這樣我們的電堆水平就可以達到豐田的水平以至于超過豐田的水平。

從電堆角度來看,流場阻力越大,電堆的一致性越好,但是供氣壓力加大,空壓機內耗也會增加。為此,我們要研究低內耗的空壓機,才能保證電堆的高功率密度輸出。另外要提高雙極板制備的一致性,特別是平整度,不管是金屬板還是石墨板,平整決定電堆一致性,是關鍵因素。

電堆都是按壓力機方式組裝起來的,主要構成是雙極板和MEA、密封件,因此還要進一步改進電堆的組裝工藝,開發嚴格定位技術。

燃料電池的壽命是電堆和系統雙方配合的結果,而不是電堆自己的努力。所以,我們也要加強電堆部分、系統部分關鍵部件的研發。

第一,盡快完善燃料電池的產業鏈,建立擴散層碳紙等關鍵材料的生產線。另外,注意力不能只集中在膜電極和雙極板上,還要發展空壓機和氫氣循環泵。

第二,要提高電堆的工作電流密度,提高電堆的體積和重量比功率,降低電堆的成本,為開發乘用車奠定基礎。

第三,要深入研發電堆的衰減機理,開發抗腐蝕、穩定的新材料,大幅度提高發動機的可靠性和耐久性。可靠性和耐久性由系統和電堆共同決定,電堆進步了,系統就可以簡化,所以電堆和系統要相互配合,通過關鍵材料的進步來簡化電池系統。

第四,要開展超低鉑和非鉑電催化劑的理論和應用研究,進一步把電池的鉑用量降低到每千瓦小于0.1克,這是國際上車用燃料電池發動機商業化的基本要求。

第五,建立關鍵部件、電堆和電池系統的測試與耐久性快速評價方法,這也是燃料電池標委會正在做的一件事情。所以,我們要盡快建立中立性的檢測機構,對推進我國燃料電池技術的進步,趕上世界水平會有重大作用。

希望燃料電池車盡快實現商業化的S型曲線的上升階段,達到一定程度后可以甩開補貼而盈利。有人預計,燃料電池車從關鍵材料來講,只要鉑用量降下來了,成本比鋰電池還要低,但這需要我們技術人員的共同努力。

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