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车用燃料电池技术有待提升

时间:2019-01-21 08:44来源:中国科学报 作者:衣宝廉
点击: 次
       从国际上看，燃料电池目前已进入市场导入阶段，发动机的功率大幅度提升，用70MPa氢气瓶可以运行500公里以上。
 
       燃料电池的发电原理为电化学，因此效率较高；工作方式为内燃机，燃料储存在储罐当中，因此安全性比锂离子电池高。燃料电池车与电动车和插电式混合动力车相比，更适合于大功率、长距离的运输，因此在公交车和重载车上的应用有明显优势。
 
       目前，氢燃料电池在寿命、可靠性、适用性上已经基本达到了车辆使用的要求，国内也已经掌握了氢燃料电池的核心技术。现在，国内加氢站有10台左右正在运行，明年预计有100台左右，运行最频繁的是张家口、云浮和上海，加氢量是最多的。中国已经掌握了燃料电池的核心技术，并经过了大量的示范运行，积累了丰富经验，具备了进行大规模示范运行的条件。
 
       但目前的问题是，燃料电池仍没有大批量的生产线，成本较高，并且受到加氢站的制约。所以，从电堆、燃料电池的角度，当前的首要任务就是降低铂用量和催化剂的成本。中国的车用燃料电池要想在国际上具有竞争力，核心问题就是提高电堆工作电流密度和比功率。
 
       从国际上来看，燃料电池车已经达到了四缸内燃机的体积水平，本田宣布已经达到了六缸内燃机的水平，功率密度超过每立升3千瓦。我们国内装车的电堆现在在每立升2.0千瓦左右，所以我们电堆比功率比国外还要低1/3左右。
 
       目前，首先要尽快实现关键材料、电催化剂、质子交换膜、膜电极三合一、双极板等批量生产，为降低电堆成本和提高电堆一致性奠定基础。其次要降低铂用量，进一步提高电堆和电池系统的可靠性和耐久性。
 
       要想降低燃料电池发动机的成本，特别是电堆成本，首先就要研究提高单电池的比功率，降低化学极化、欧姆极化和传质极化。而要想降低化学极化，就要研发更高效的电催化剂。中科院大连化物所研发的超小铂铜合金催化剂，性能是现在碳铂催化剂的3～5倍；铂镍纳米线催化剂性能也是碳铂催化剂的3倍多。有了高效的电催化剂，就可以提高电堆的工作电流密度，减少化学极化。同时要采用薄的增强的复合膜，降低欧姆极化。
 
       现在，国内实验室里单池研究已经达到了每平方厘米1安培的时候在0.7V以上，每平方厘米2安培在0.6V以上，我们正在向2.5安培进军。以后要发展到每平方厘米2～2.5安培，这样我们的电堆水平就可以达到丰田的水平以至于超过丰田的水平。
 
       从电堆角度来看，流场阻力越大，电堆的一致性越好，但是供气压力加大，空压机内耗也会增加。为此，我们要研究低内耗的空压机，才能保证电堆的高功率密度输出。另外要提高双极板制备的一致性，特别是平整度，不管是金属板还是石墨板，平整决定电堆一致性，是关键因素。
 
       电堆都是按压力机方式组装起来的，主要构成是双极板和MEA、密封件，因此还要进一步改进电堆的组装工艺，开发严格定位技术。
 
       燃料电池的寿命是电堆和系统双方配合的结果，而不是电堆自己的努力。所以，我们也要加强电堆部分、系统部分关键部件的研发。
 
       第一，尽快完善燃料电池的产业链，建立扩散层碳纸等关键材料的生产线。另外，注意力不能只集中在膜电极和双极板上，还要发展空压机和氢气循环泵。
 
       第二，要提高电堆的工作电流密度，提高电堆的体积和重量比功率，降低电堆的成本，为开发乘用车奠定基础。
 
       第三，要深入研发电堆的衰减机理，开发抗腐蚀、稳定的新材料，大幅度提高发动机的可靠性和耐久性。可靠性和耐久性由系统和电堆共同决定，电堆进步了，系统就可以简化，所以电堆和系统要相互配合，通过关键材料的进步来简化电池系统。
 
       第四，要开展超低铂和非铂电催化剂的理论和应用研究，进一步把电池的铂用量降低到每千瓦小于0.1克，这是国际上车用燃料电池发动机商业化的基本要求。
 
       第五，建立关键部件、电堆和电池系统的测试与耐久性快速评价方法，这也是燃料电池标委会正在做的一件事情。所以，我们要尽快建立中立性的检测机构，对推进我国燃料电池技术的进步，赶上世界水平会有重大作用。
 
       希望燃料电池车尽快实现商业化的S型曲线的上升阶段，达到一定程度后可以甩开补贴而盈利。有人预计，燃料电池车从关键材料来讲，只要铂用量降下来了，成本比锂电池还要低，但这需要我们技术人员的共同努力。
 
      （作者系中国工程院院士，本报记者李惠钰根据其在中国电动汽车百人会论坛〈2019〉上的发言整理）
 
(责任编辑：子蕊)
文章标签： 电池技术 燃料电池
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