衣寶廉： 規模發展氫燃料電池車的三條“錦囊”

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6月26~28日，2021全球智慧出行大會暨第二屆中國（南京）國際新能源和智能網聯汽車展覽會（GIMC 2021）在南京召開。會上，中國工程院院士、中國科學院大連化學物理研究所（以下簡稱大連化物所）研究員衣寶廉在題爲“燃料電池車的現狀與願景”的報告中表示，燃料電池車（FCV或FCEV）綠色、動力性能、安全性等優勢明顯，但未來要實現規模應用，降低燃料電池車與運行成本是關鍵。

對於如何降低成本，衣寶廉分別從燃料電池創新、優化制氫和氫能儲運方案等角度，提出三條“錦囊”。

FCV優勢多，且具有更高安全性

FCV的的動力燃料主要是氫能。“FCV與傳統內燃機汽車很相似：FCV的氫瓶相當於傳統汽車的油箱，燃料電池發動機相當於內燃機，但傳統汽車的尾氣排放是污染物，氫燃料電池車的尾排是水。”衣寶廉認爲，與其他電動車（混合動力車、純電動汽車）相比，燃料電池車具有續駛里程長、動力性能高、燃料加註時間短、安全性好等優點。

他解釋說，由於燃料電池的比能量高，可達0.5-1.0KWH/Kg，因此特別適合重載卡車或大客車；同時，氫燃料電池車的續駛里程、加氫時間、駕駛舒適性均可與燃油車媲美。此外，由於FCV的電堆與氫罐是分開的，電堆不會產生爆炸，提高了發動機的安全性。

衣寶廉提到，人們已經習慣於以汽油作燃料，但是對氫氣這種燃料還缺乏瞭解。事實上，氫的物理特性讓其更能保障應用安全。“在開放空間，氫氣的擴散係數是汽油的12倍。利用氫易於檢測、擴散速度快等特點，在可能有氫泄漏的地方加裝氫傳感器，當氫濃度高於千分之五時，聯動風機自動啓動，可確保氫安全。”他說。

退一步講，即便發生爆炸事故，氫的危險程度也更小。衣寶廉解釋說：“發生爆炸時，氫氣燃料由於密度遠低於空氣，會迅速上升擴散，爆炸將發生在氣源上方；對比而言，汽油發生爆炸是在燃料的泄漏處，危險程度要遠大於氫氣。數據顯示，汽油的爆炸能量是相同體積氣體的氫氣的22倍。”

降低成本是“必須要攻克的難點”

氫燃料電池汽車的優點顯著，但成本等制約其發展的因素也擺在桌面上：目前不僅燃料電池發動機貴，加氫站的建設成本、制氫加氫成本等都居高不下。

衣寶廉列出了一組數字：目前由於燃料電池發動機貴，導致一輛車售價是燃油車的2~3倍，鋰離子電池車的1.5~2.0倍；一座加氫站的建設費用，高達1200~1500萬元；高成本的加氫站導致加氫費用居高不下，當前每公斤高達60~80元。

“只有加氫費用降到每公斤30元以下，FCV才能與燃油車競爭。”衣寶廉說，要實現無補貼的FCV商業化，必須大幅度降低燃料電池發動機的成本和氫氣的成本，同時降低加氫站的建設費用，“這些是必須要攻克的難點。”

2020年4月，財政部發布《關於開展燃料電池汽車示範推廣的通知》（徵求意見稿），重點支持珠三角、長三角、京津冀及中部地區的城市開展燃料電池產業化示範應用，示範爲期4年。值得注意的是，該示範並非直接補貼。示範期間中央財政將按照結果導向，對圍繞FCV關鍵零部件核心技術攻關、採取科學有效措施降低各類成本的示範城市，採取“以獎代補”方式給予獎勵。

降本增效的三條“錦囊”

要降低FCV的成本，要從燃料電池上作文章。而燃料電池的基本單元——單電池又由膜電極組件（MEA，由電解質膜、電催化劑、擴散層等組成）和雙極板組成，因此，降低成本的技術創新還要從膜電極組件下手。

衣寶廉介紹說，大連化物所相關研究團隊已經通過改進電催化劑、質子交換膜，提高MEA性能、探索MEA批量生產技術等科技攻關，取得了一定的進展。比如，他們製取的“超小鉑銅合金催化劑”，質量比活性是傳統鉑碳催化劑的3.8倍；通過對MEA催化層、氣體擴散層的配方和工藝的優化，實現了MEA性能提高、鉑用量降低等。基於這些研究成果，他們開發了不同功率和規格的系列化燃料電池電堆，並在一些新能源車型中試用。

“實現燃料電池關鍵材料和部件國產化、批量生產，同時提高電堆的比功率，就可以大幅度降低燃料電池發動機的成本，進而降低燃料電池車的成本。”衣寶廉說，此外，還要依據工況和電堆適宜運行條件制定控制策略，以確保電池系統的可靠性與耐久性。

PCV降成本靠電池，PCV加氫降成本靠什麼？衣寶廉給出的“錦囊”是：優化制氫來源和儲運方式。

“制氫的方案有三種：工業副產製氫、化石燃料制氫和可再生能源制氫。三種方法中，石油化工、焦化、氯鹼合成氨、甲醇等工業副產氫潛力巨大，但這需要我們發展精準對燃料電池有毒雜質的淨化方法、制定標準、規定檢測方法和儀器；同時也要開發新的化石燃料制氫方法，比如採用天然氣熱催化裂解法，製備氫氣和固態碳，做到零碳排放。”衣寶廉說：“而最好的辦法，就是大幅度發展可再生能源制氫。”

衣寶廉說，我國僅四川、雲南兩地每年棄水電量就超過400億千瓦時，三北地區棄風電量近500億千瓦時，西北五省平均棄光率20%，若將棄風、棄水、棄光電量用於電解制氫，年產可達300萬噸。

因此，他建議，應利用豐富的可再生能源，大力發展目前較爲成熟的質子交換膜（PEM）電解水制氫，然後採用管網輸送氫氣——氫氣可借道天然氣管網，在需要氫氣地方，當氫濃度高時（如大於5%）可採用膜分離器從天燃氣和氫混合物中提取純氫，當氫的濃度低時，可抽取等熱值天然氣進行重整制氫。如此，加氫站加氫成本可降至每公斤30元以下，“就可以和燃油車競爭了”。

據瞭解，大連化物所開展PEM電解水技術研發的歷史已有二十多年，技術已趨成熟落地。2020年，他們承擔了國網安徽省電力有限公司兆瓦級氫能綜合利用站科技示範項目，採用的就是PEM電解水制氫。

衣寶廉還給降低加氫站建設成本提供了一個“錦囊”：“實現氫氣壓縮機、高壓儲氫瓶等國產化和批量生產，建油、氫、電合建站，就可大幅度降低加氫站的建設費用。”

“基於上述‘錦囊’，我們可以先商業化對加氫站依賴度低的商用車，待加氫站達到一定密度，再示範、商業化DCV乘用車。”衣寶廉最後表示。

編輯：氫氫我心 校對：風氫揚 審覈：氫雲小仙女

來源：中國科學報

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