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10月26日，以“綠色氫能，共謀發(fā)展”為主題的“2021中日韓氫能產(chǎn)業(yè)高峰論壇暨氫能產(chǎn)業(yè)展覽會”在山東濰坊以線上直播的形式成功舉辦。
中國工程院院士衣寶廉發(fā)表了題為“燃料電池汽車現(xiàn)狀與愿景”的主旨演講。他表示，我國雙碳目標(biāo)任務(wù)艱巨，必須大力發(fā)展可再生能源，利用可再生能源電解水制備綠氫是重要途徑之一，而燃料電池的產(chǎn)業(yè)化是氫能應(yīng)用的突破口。
中國工程院院士衣寶廉
目前燃料電池普及應(yīng)用還存在燃料電池造價高、加氫站建設(shè)費用高、氫氣成本高等三高問題。他針對氫能產(chǎn)業(yè)存在的問題逐一進(jìn)行了分析，并提出了解決建議。
一、實現(xiàn)燃料電池產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵
燃料電池具有轉(zhuǎn)化效率高和電池比能量高的特性。燃料電池轉(zhuǎn)化效率高；燃料電池比能量高，可達(dá)每公斤0.5~1千瓦每小時，適合于重載車和長途車。
燃料電池要想產(chǎn)業(yè)化，必須攻克三個難點：一是目前燃料電池發(fā)動機(jī)貴，導(dǎo)致一輛燃料電池車的售價是燃油車的2倍到3倍、鋰離子電池車的1.5到2倍。二是加氫站建設(shè)費用比較高，每個加氫站建設(shè)費用高達(dá)1200萬元到1500萬元。三是加氫站加氫的費用比較高，加氫站加氫費用每公斤高達(dá)60-80元，而加氫費用只有降到每公斤30元以下才能和燃油車競爭。
因此要實現(xiàn)無補貼的燃料電池車商業(yè)化，必須大幅度降低燃料電池發(fā)動機(jī)的成本和氫氣成本！同時降低加氫站的建設(shè)費用！
二、降低燃料電池發(fā)動機(jī)成本
那么要想降低燃料電池電堆與系統(tǒng)的成本，首先必須提高電堆的比功率，降低Pt用量。其次是實現(xiàn)關(guān)鍵材料，電催化劑、質(zhì)子交換膜、雙極板、膜電極三合一（MEA）與電堆和關(guān)鍵部件的批量生產(chǎn)。然后是依據(jù)工況和電堆適宜的運行條件制定控制策略，確保電池系統(tǒng)的可靠性與耐久性。
一、提高電堆的比功率，降低Pt用量。
目前，燃料電池車電堆是用Pt做催化劑，國內(nèi)燃料電池電堆用量為0.3g/kW，而我們只有將Pt用量降到0.1g/kW以下，才能達(dá)到燃料電池車商業(yè)化的要求。提高Pt活性，使用PtM催化劑，或改用非Pt催化劑，是降低Pt用量的關(guān)鍵。
二、實現(xiàn)關(guān)鍵材料，電催化劑、質(zhì)子交換膜、雙極板、膜電極三合一（MEA）與電堆和關(guān)鍵部件的批量生產(chǎn)。
目前燃料電池電堆所用膜皆為復(fù)合膜，復(fù)合膜具有高耐久性、高質(zhì)子傳導(dǎo)性和高性能的特點。通常來說膜越薄電池性能越好，但是膜薄了之后存在嚴(yán)重?zé)?、機(jī)械、化學(xué)衰減，如何減少這些衰減，也是做膜的重點。
有了膜，有了催化劑，那么就要制備MEA。制備MEA有三種方式：第一種是GDE，將催化層涂覆到碳紙上，目前用的較少。第二種是CCM，將催化層涂覆到膜上，這種是目前最普遍的制備方法。第三種方法是有序化MEA，這種方式可以大幅度提升MEA性能，現(xiàn)在還在發(fā)展階段。
有了MEA，要裝電堆還需要雙極板，目前有三類雙極板，非金屬板、復(fù)合板和金屬板。三種類型極板用途不同，性能也不同，其中薄金屬沖壓雙極板，比功率最高，且成本低。
有了MEA，極板，再加上其他配套附件，就可以組裝電堆。在進(jìn)行電堆組裝時，有兩點要求：保證密封要求，保證低接觸電阻。
燃料電池如果實現(xiàn)批量生產(chǎn)，它的成本會大幅度下降，所以現(xiàn)在先要解決卡脖子技術(shù)問題，解決批量生產(chǎn)問題，來大幅度降低燃料電池成本，使它能夠接近鋰電池電動車成本，這樣燃料電池車在重載和長途運輸車就可以實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
三、依據(jù)工況和電堆適宜的運行條件制定控制策略，確保電池系統(tǒng)的可靠性與耐久性。
燃料電池有三種極化損耗，歐姆極化、擴(kuò)散極化和電化學(xué)極化。要想大幅提升燃料電池堆的比功率，就要依據(jù)工況和電堆適宜的運行條件制定控制策略，減少三種極化損耗，確保電池系統(tǒng)的可靠性與耐久性。
三、降低氫氣成本
降低氫氣成本，主要從兩個方面來考慮：一是氫源方面，二是運氫方面。
在氫源方面，氫源現(xiàn)在有三種來源，一是化石燃料制氫，二是工業(yè)副產(chǎn)氫制氫，三是可再生能源制氫。
工業(yè)副產(chǎn)氫制氫方面，氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫制氫需要脫除氯，合成氨工業(yè)的釋放氣制氫必須脫除微量的氨，丙烷脫氫丙烯制氫必須脫除烴類。同時，還要發(fā)展精準(zhǔn)對燃料電池有毒雜質(zhì)的凈化方法，制訂標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)定檢測方法和設(shè)備。
化石燃料制氫技術(shù)比較成熟，成本比較低，但要將二氧化碳封存，不將二氧化碳封存，達(dá)不到減排的目的。衣寶廉院士建議，可以利用我國電解水制氫的副產(chǎn)氧、進(jìn)行煤制氫，將收集產(chǎn)生的二氧化碳注入油井，提高產(chǎn)油率。另外，還可以開發(fā)天然氣催化裂解制備氧氣和固體碳，做到零碳排放。
可再生能源制氫就是利用棄風(fēng)、棄水和棄光，富裕電量和生物質(zhì)等進(jìn)行電解水制氫。目前利用棄風(fēng)、棄水和棄光等進(jìn)行電解水制氫可達(dá)300萬噸。
在運氫方面，長距離輸送是氫氣成本高的原因。衣寶廉院士建議，可以利用三北地區(qū)豐富的水電、風(fēng)電、太陽能發(fā)電，大力發(fā)展質(zhì)子交換膜電解水制氫，送入天然氣管網(wǎng)，在需要氫氣的地方，當(dāng)氫濃度大于5%時，可采用膜分離從天然氣氫混合物中提取純氫。當(dāng)氫濃度低時，可抽取等熱值天然氣進(jìn)行重整制氫。在近海地區(qū)發(fā)展海上風(fēng)電，電解水制氫，利用氫氣管道，輸送海港，將氫液化作為商品，也可用列管車送至附近的加氫站。加氫站也可以建立電解水制氫裝置和天然氣重整制氫裝置。
四、創(chuàng)新驅(qū)動燃料電池車發(fā)展
解決卡脖子技術(shù)，實現(xiàn)批量生產(chǎn)，大幅降低燃料電池車的成本，還需要創(chuàng)新驅(qū)動來解決燃料電池的技術(shù)發(fā)展，實現(xiàn)燃料電池乘用車的商業(yè)化。
第一，簡化電池系統(tǒng)和電堆結(jié)構(gòu)，降低燃料電池發(fā)動成本和延長電堆壽命。比如采用薄膜、氫空逆流，去除增濕器。采用陽極水管理，消除局部反極，延長電堆壽命。通過消除擴(kuò)散層，降低電堆成本。
第二，研發(fā)高溫膜和抗毒的電催化劑，降低氫氣成本。一方面，研發(fā)高溫膜，使燃料電池在近200度工作，既抗一氧化碳的毒化作用，又有利于燃料電池排熱和消除二相流，提高電堆一致性，進(jìn)而提高工作電流密度和電堆比功率，利用有序化電極應(yīng)用，大幅度降低Pt用量。另一方面，研發(fā)抗毒的陽極電催化劑，讓燃料電池能吃粗氫，降低燃料電池的成本，實現(xiàn)乘用車和商用車的商業(yè)化。
總結(jié)及建議
衣寶廉總結(jié)表示，實現(xiàn)燃料電池關(guān)鍵材料和部件的產(chǎn)業(yè)化并批量生產(chǎn)，同時提高電堆的比功率就可以大幅度降低燃料電池發(fā)動機(jī)的成本，進(jìn)而降低燃料電池車的成本；大力發(fā)展可再生能源電解水制備綠氫，采用天然氣或純氫管網(wǎng)輸送氫氣，加氫站加的氫可降至每公斤30元以下，氫燃料車的運行費用就可以和燃油車競爭；實現(xiàn)氫氣壓縮機(jī)、高壓儲氫瓶和加氫機(jī)等國產(chǎn)化和批量生產(chǎn)，建油、氫、電合建站，就可以大幅度降低加氫站的建設(shè)費用。
因此他建議，要堅持自主創(chuàng)新，突破卡脖子技術(shù)，實現(xiàn)關(guān)鍵材料與部件的批量生產(chǎn)，大幅度降低燃料電池車、加氫站建設(shè)和氫源的成本，盡快實現(xiàn)燃料電池汽車的產(chǎn)業(yè)化。
