鉅大LARGE | 點擊量：673次 | 2019年05月17日
如何應對國內氫燃料電池產業(yè)化技術瓶頸
盡管整體來看國內燃料電池發(fā)展進程暫時落后于國外，但很多產業(yè)環(huán)節(jié)并推的發(fā)展策略，令國內燃料電池產業(yè)發(fā)展速度遠超國外，有望在較短時間內完成追趕。
面對當前國內燃料電池產業(yè)化發(fā)展所面臨的壽命、價格、基礎設施和產業(yè)政策與標準缺失瓶頸，通過細分的技術和政策手段獲得實質改善，并提出“超級工廠”概念助推國內燃料電池產業(yè)化發(fā)展。
什么是氫能與燃料電池？
簡單的講，燃料電池就是能源轉換裝置，和內燃機相似，把一種能源轉化成另外一種能量。燃料電池是電化學的轉換裝置，可將化學能量轉化為電能。
這個裝置有很多的特別之處，它高效清潔、功率較高（可達到每升3.1kW的功率密度）、沒有噪音、充氣迅速（三分鐘充氣可以讓汽車行駛500-700km），是十分理想的能量轉化裝置。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
以電池技術為參照，燃料電池的技術更為復雜，涉及到包括電堆在內的一整套系統(tǒng)。比如需要把氫氣通到燃料電池里，把空氣通過空氣壓縮機通到燃料電池里實現(xiàn)發(fā)電，再通過DCDC裝置將所得電力的電壓轉換到所需電壓等，這些也是燃料電池技術的難度所在。
作為能源轉化裝置的燃料電池具備和內燃機同樣的功能，也就決定了其用途的廣泛性，幾乎所有內燃機能發(fā)揮作用的領域，燃料電池都可以參與代替。比如能源交通、發(fā)電、家庭、移動電源、通訊基站和空間技術、特種、醫(yī)學領域等。
而在眾多的應用領域中，交通運輸層面的應用格外重要。早在2000年，福特公司CEO小福特就斷言燃料電池將終結內燃機的百年統(tǒng)治，實際上不止福特，全球大型汽車企業(yè)幾乎都認同了這樣的觀點。
美國的咨詢公司KPMG曾對全球汽車企業(yè)總裁進行過一項調查，結果顯示，2018年全球汽車企業(yè)總裁一致認為燃料電池汽車是當今發(fā)展的主流，而電動車則在2018年下降到第五位。
通過對電動車和燃料電池車的經濟性對比，我們可以發(fā)現(xiàn)的明顯特征是電動車在短距、小型車領域占有優(yōu)勢，但在長距離、大型汽車領域，燃料電池則會更具優(yōu)勢。基本上續(xù)航里程超過100km，燃料電池汽車就會處于優(yōu)勢地位。
國內外燃料電池汽車發(fā)展進程對比
現(xiàn)階段，全球都在加快燃料電池車型的開發(fā)、推廣步伐，但在產業(yè)發(fā)展進程上，國內外存在一定的差異。
整體來看，國外燃料電池汽車的發(fā)展基本已完成“技術驗證/用戶認可—成本降低—性能提升—市場引入—大規(guī)模制造”五個階段。具有代表性的是2015年日本豐田推出的Mirai，標志著燃料電池汽車成功進入商業(yè)化階段，所以2015年也被視為燃料電池汽車產業(yè)化元年。
反觀國內，燃料電池汽車技術相對落后于國外，車型也大多處于研究階段，對照上述五大發(fā)展階段，基本上處于技術驗證階段，與國外存在著較大差距。
但值得注意的是，過去幾年國內燃料電池行業(yè)飛速發(fā)展，不同的行業(yè)、公司運用了不同的方法持續(xù)進行技術突破，盡管行業(yè)整體被歸于技術驗證階段，但實際上的用戶認可、降低成本、市場引入等環(huán)節(jié)在同步推進，有希望在較短時間內趕上國外先進技術。
氫能和燃料電池產業(yè)化四大瓶頸及應對策略
總體來看，當前燃料電池技術包括峰值效率、系統(tǒng)能量密度、低溫啟動等性能已基本達到商業(yè)化標準。但燃料電池的壽命和價格目前距離當前預期仍有一定差距，加上基礎設施建設、產業(yè)政策與標準的缺失，四大因素綜合限制了氫能和燃料電池的產業(yè)化發(fā)展。
首當其沖的就是價格。從趨勢上來看，過去數年燃料電池通過技術革新促使產品價格不斷下降，2016年到現(xiàn)在，燃料電池價格基本在過去10年的基礎上下降了60%。
假設2019年燃料電池汽車產銷量超1000輛，燃料電池價格大概將在230美元/kW左右，如果說每年產能達到10萬輛車，燃料電池的價格可以降低50美元/kW。顯然隨著技術的進步，價格將非常接近我們的最終目標。
根據美國能源部此前的規(guī)劃，按照每年50萬輛燃料電池汽車計算，2017年燃料電池系統(tǒng)的價格是45美元/kW，預計2025年燃料電池系統(tǒng)售價將達40美元/kW，而最終的市場化推廣目標是30美元/kW。
這就要求我們從整個燃料電池系統(tǒng)各個關鍵的部件進行研究和開發(fā)來降低價格。比如，當空壓機價格降低時，整個系統(tǒng)的價格可以下降3美元左右；采用非鉑催化劑可以將燃料電池價格再降低5美元；雙機板價格降低，也將促使整個系統(tǒng)價格降低3美元。
至于壽命問題，我們希望燃料電池保持至少5000小時的運營壽命。2015年到2017年間的數據顯示，現(xiàn)階段燃料電池車的運行壽命基本可以達到超4000小時，實驗室已可達10000小時，遠超壽命需求。
要解決壽命問題必須要了解影響燃料電池壽命的原因有哪些，在過去幾十年的研究里面，我們成功地揭示了燃料電池壽命衰減的基本機理。
※質子交換膜在燃料電池運行的過程里會變薄，出現(xiàn)針孔、撕裂現(xiàn)象等機械問題，化學、電化學以及熱穩(wěn)定等因素導致的質子交換膜衰減都是影響燃料電池壽命的重要因素。
※催化劑活性降低也會影響燃料電池壽命。在燃料電池運行過程中，催化劑可能出現(xiàn)團聚、再沉積，導致催化劑流失，空氣污染在影響催化劑活性的同時也會影響到燃料電池壽命。
※氣體擴散同樣會對燃料電池的壽命造成影響，氣體擴散層的速水材料會慢慢流失，造成表面變化，進而影響燃料電池的壽命。
※雙極板環(huán)節(jié)在在燃料電池運行過程中出現(xiàn)的腐蝕情況，也會影響燃料電池壽命。
針對這些機理，可以制定針對性的應對策略，有效促進燃料電池壽命提升并達到車用壽命要求。
質子交換膜方面，可以用增強膜增強其機械性能，延長其使用壽命；為質子交換膜加進去自由基，就可以保證膜不會降解，加強熱分解也能降低自由基數量，保證質子交換膜擁有足夠的壽命。（燃料電池操作過程中總會產生大量自由基，這些自由基進攻膜材料，令膜材料逐步流失、變薄，影響膜壽命。）
催化劑層面，可以用高比表面體的載體，抗反擊的催化劑，以及氧化的載體，使用化學過濾器，確保氫氣和空氣潔凈不受污染，保證催化劑在整個壽命周期中活性不降低。
雙極板則需要采用防腐涂層，增加壽命。
另外一個影響主要因素是氫燃料以及氫設施問題。氫燃料和氫設施方面的問題主要包括制氫、氫的儲運和加氫，這在國內是一個非常大的問題，需要我們花更多的精力去解決。
燃料電池用氫，那么氫從哪兒來？現(xiàn)階段制氫的方法很多，目前市場上大量的氫氣來源于天然氣制氫，它的價格基本上可以低于2美元/kg，滿足氫作為燃料的基本價格要求。
但未來的發(fā)展過程中，氫的主要來源需將逐步過度到從太陽能、風能等可再生能源制氫的方式，可以令氫氣的價格更加便宜。整體來看，當前的氫氣價格仍舊較高，需要改進方法，繼續(xù)強調降低制氫成本。
“超級工廠”解決方案
考慮當前燃料電池技術和產業(yè)化方面存在的瓶頸，我們已經采取了相應對策。即通過基礎研究提高燃料電池的裝置效率，同時開發(fā)關鍵材料、技術，盡快實現(xiàn)材料和技術國產化，降低燃料電池的價格，設計材料、電堆、系統(tǒng)的一體化解決方案。
