中国商用汽车总站网
市场 • 应用 • 技术
搜索
当前位置:主页 > 氢·智会 >

上海大学张久俊院士:车用氢能燃料电池技术发展的现状与前景

时间:  2019-09-10 18:22  来源:  氢智会   作者:   氢智会编辑部

2019年9月4日-5日,由国家市场监督管理总局指导、中国出入境检验检疫协会及中国检验认证集团联合上海机动车检测认证技术研究中心有限公司举办的“氢能及燃料电池汽车法规与技术发展国际交流会”在上海召开。会上,上海大学可持续能源研究院张久俊院长就“车用氢能燃料电池的技术发展:现状与前景”做大会报告。

嘉宾介绍

张久俊,1956年8月生,安徽宿州人,博士,教授,博士生导师。

2013年当选国际电化学学会会士,2015年12月当选加拿大工程研究院院士,2016年4月当选加拿大国家工程院院士,2016 年5月当选英国皇家化学会会士,2017年9月当选加拿大皇家科学院院士 。国际电化学能源科学院创始人、主席兼总裁。加拿大联邦政府国家研究院前首席科学家,现任上海大学教授,可持续能源研究院院长,并兼任理学院院长。

以下为演讲实录:

上海大学理学院和可持续能源研究院张久俊院长:尊敬的各位领导、各位来宾、各位朋友、大家上午好,非常荣幸今天能够被大会邀请,并且分享关于车用氢能燃料电池方面的目前状况,存在的挑战,以及未来的发展前景。我的演讲分11个方面。首先,我讲一讲新能源电动汽车的概况。我们都知道目前汽车燃油带来的众所周知的环境污染。燃油和柴油车会排出二氧化碳、一氧化碳、氧化氮,氧化硫等等污染物,对我们整个大气造成污染,对我们可持续发展带来威胁。

我们怎么才能解决这个问题,就是要发展新能源汽车。目前世界各个发达国家都在把发展新能源汽车,尤其电动车,作为国家的发展战略。我们可以看到,用电动车取代燃油车是大势所趋,现在要逐步进行,但目前还处于示范阶段或早期产业化阶段。前一段时间德国宣布2030年,法国宣布2040年,英国宣布2040年,印度宣布2030年,中国也在考虑2050年全部使用新能源车,这是一个非常大的信号,到底能不能实现,还是一个大的问号。我个人认为可能实现不了完全取代,但是这个工作一定要做,这是大势所趋。

新能源电动车主要是有四类,一个是全电,汽车全部是电池驱动,另外一个是插电,然后是油电混动,第四是燃料电池,今天我们要讲的就是燃料电池。

目前世界范围内汽车保有量大约是13亿,其中中国汽车占有较大的比例,大约在2.2亿辆。2016年联合国国际能源署签了一个巴黎协议,核心内容就是说,到2040年把我们地球上升的温度控制在2度之内,要想控制2度之内,第一刀就要砍掉汽油/柴油车,使全世界范围内必需的电动车的数量达到6亿辆。这里我们说的新能源汽车,主要是电动车。新能源动力汽车核心部件就是电池、燃料电池等等。在这样的大形势下,国际上对于燃料电池的支持力度也在提升,美国、中国、日本、韩国、欧洲等的规划以及内容,充分说明了世界主要经济体都将发展氢能燃料电池上升为国家战略。

至于燃料电池,不光是质子交换膜燃料电池,有好多种燃料电池。第一个是氢能质子交换膜燃料电池,就是我们现在汽车用的电池,第二个是固体氧化物燃料电池,这个电池是在800摄氏度工作的高温燃料电池,可以直接烧甲烷、天然气等等,另外还有熔融盐的、磷酸的、碱性的燃料电池,以及直接甲醇燃料电池等等,由于在汽车上应用的优势,质子交换膜燃料电池是发展最多最快的。

燃料电池最大的优势,一个是能量和功率密度高,另外一个是烧氢气没有排放。通过电化学反应,氢气在电极上产生质子和电子,电子再通过外电路到达正极,与阴极中的氧,以及通过质子交换膜过来的氢质子反应产生水。外电路的电子流动而产生能量。燃料电池单电池运行达到什么样的指标才能够真正的产业化呢,这个我列了三个指标:第一个是单电池的电压,即在2A/cm2下电池电压要大于0.65V;第二个要使铂催化剂的ORR质量活性大于现有铂催化剂的5倍;第三个是膜电极氧气传输速率大于现在膜电极的2倍。这是三个重要的指标。

下面给大家简单说一下氢能燃料电池的五个大的核心技术。想实现真正的产业化,五大核心技术必须掌握。第一是催化剂。目前使用的催化剂最可能在商业化汽车中应用的是碳支持的铂金催化剂,但铂的高价格及稀有可能对产业化带来不利。因此降低铂使用量或用非贵金属催化剂取代是目前急需研究开发的。尽管目前有不同的催化剂出台,只有铂催化剂是最实际能用得上的,其他的催化剂如Pt合金、壳-壳、非贵催化剂、单晶形状、金属有机框架等目前仍处在研究前沿。第二个大的核心技术是质子交换膜。目前主要应用的有三类:全氟磺酸膜、增强型全氟磺酸膜、高温型复合质子交换膜。这些膜价格还是比较贵的,稳定性也需要进一步地提升。第三个大的核心技术是膜电极,膜电极目前主要以催化剂/膜/催化剂三合一体的膜电极为主(CCM)。国内有一些公司和研究单位在做,但相对国外还是有差距。第四个大的核心技术是双极板,主要有三种:石墨双极板、金属双极板、复合双极板。后二者是目前研究开发的前沿。第五大核心技术是高压无油空气泵。目前还不能够生产像国外一样高性能的空气泵。氢能燃料电池需要把空气压缩到三个大气压,才能发挥高性能。

氢能燃料电池汽车系统包括空气泵、燃料电池堆,氢气罐及电极驱动系统。氢氧在电堆内部发生电化学反应产生能量,驱动电机、然后驱动整个汽车,当然这是一个简化了的说明,实际上整个系统还是非常复杂的。

关于燃料电池示范运营的情况,也是大家比较关心的。目前燃料电池已经进入第三代燃料电池汽车示范阶段,日本在这方面处于领先地位。国内外各个大的汽车公司都在做燃料电池汽车,中国目前已进入到推广示范阶段。 至于氢能燃料电池市场的规模,2017年到2030年有一个预测,呈现一个指数上涨,2030年以前燃料电池汽车将成为全球市场增速最快的细分市场。 2025年整个市场将达到230亿美元的巨大市场,其中汽车的燃料电池占近90%左右。另外,氢能质子膜燃料电池已被公认为是电动车的终极主力电源。

关于燃料电池商业化方面的进程,我所讲的是燃料电池汽车产业化的发展。燃料电池为什么还没有达到真正的产业化,第一个问题就是太贵。从整体燃料电池堆的价格来看,其中铂催化层及其制造过程的花费就占大约45%,另外占比大的就是双极板和膜。降低燃料电池堆的成本是通向产业化的关键,其中降低膜电极(催化剂层和膜的三合一结构)及双极板的成本至关重要。美国能源部对于实现产业化已经设立了目标,其中包括功率密度、燃料电堆发动机的性能等方面。比如燃料电池发动机系统的功率密度要达到850W/L,耐久性要达到8000小时,以及整车的价格要控制在30美元/kW,要达到这三个大的产业化目标,还需继续努力。丰田的Mirai是目前最先进的氢能燃料电池汽车,700公里的续航历程,氢气罐可装700个大气压的氢气。但是要真正能够达到赚钱的水平,可能还需要一定的努力。

我们看看国内的状况,目前与氢能源燃料电池有关的企事业单位,我们统计了一下大约有400多家,这是一个很大的集群。如按区域划分,可以分成7个大的氢产业集群,重点企业间也有相互跨区域的合。另外,中国燃料电池产业链也已经基本形成,但是还很不完善。 目前国内燃料电池与国外的主要差距在什么地方?我们先比较一下燃料电池汽车。可以看到,中国自主开发的燃料电池在车型开发、整体动力性、续航里程、燃料电池发动机功率、低温启动与国外存在着不显著的差距,但是在关键部件上还是存在一定的差距,比如说高性能空压机、氢循环泵、水泵、散热器、中冷器等还得主要靠进口。尤其是膜电极在性能和可靠性上还赶不上加拿大巴拉德公司的。这些都受制于人,亟待攻关。我们要清醒地认识在关键材料及器件方面的差距。在等效燃料经济性水平和车辆噪音水平我们目前已经和国际基本处在同一水平。

关于氢气罐的安全问题,是燃料电池汽车必须考虑的问题。我们知道氢分子是所有化学元素里面最小、最轻的分子,能量密度也是最高的,它可以穿透很多材料,如穿透金属材料造成“氢脆”然后泄露。目前对于氢气罐的安全的问题已经得到解决。日本的氢气罐可以储存700个大气压的5公斤氢气,以用于燃料电池汽车。这种氢气罐的周围有很多的设备防止氢气泄漏。这种氢气罐包含三层结构,最里边是聚合物,中间是合金,最外层是碳纤维,所以非常安全。

对于氢能燃料电池的安全问题,主要是大众对氢气缺乏认识,感觉氢气特别危险。实际上氢气是两个分子变成一个分子的缩小体积的燃烧爆炸,爆炸能量只是汽油的22分之一。由于氢气密度远低于空气,会迅速上升扩散,爆炸是发生在氢源的上方。另外,氢燃烧的时候,速度特别快,比汽油快很多,一瞬间就燃烧掉,而不是汽油的长时间地燃烧,还是相对比较安全的。但是,安全是底线,任何不安全的因素都应该排除。

实际上,氢能燃料电池汽车不能快速产业化的另一个因素是加氢站的普及问题。加氢站就是把运来的液态氢进行汽化及温度压力转化到设计的压力和温度范围然后加到汽车里。据统计,截止到2018年3月,全球大约有318座加氢站,日本是第一个达到100座加氢站的国家。预测全球汽车加氢站到2032年可以达到5000座,加氢总容量达到每天300万公斤,每天可为35万汽车加氢。可以看出,即使到2032年这个加氢站数量也是远远不够的,所以说加氢站的普及还有一段较长的路要走。此外,我们要建一座200-300公斤氢气的加氢站投资大约在1000-2000万人民币,非常大的一个数字,所以说价格还是太高,对燃料电池的发展和普及极为不利,尤其是我们家用车。因此,燃料电池车的发展主要是那些对于加氢站依赖程度小的,比如说我们的公交车、商用车,其加氢站位置都是固定的。这是燃料电池发展目前的主要选项。在加氢站研发阶段,除了常规的高压氢气储存方式以外,液态/固态,液氢,及现场电解水加氢也是当前的研发前沿。另外,目前氢气的价格比较贵,大约是60人民币每公斤,必须降到35人民币每公斤才能和汽油相比较。但是加氢站输出氢的价格从2013年开始时是逐步下降的。关于燃料电池的冷启动,在中国南方可能不是问题,但是到北方零度以下后就有问题。这是因为燃料电池反应的产物是水,在零下以后就会结冰。结冰是一个体积膨胀的过程,会把膜电极的催化层破坏掉。尽管主要的汽车公司都宣布可以在很低的温度上启动,比如摄氏负20度或负30度,但这些温度下启动对车寿命的影响有多大目前还没有数据。当前采取的预防方法主要是:第一是停车后的残留水吹扫与去除;第二是外电源和内热源加热助启动;第三是冷却液循环的助启动。

关于燃料电池运行的衰减,任何一个装置都有它的衰减,燃料电池也如此。燃料电池的衰减主要是两方面,一个是催化剂的衰减。Pt/C催化剂中碳支持体的氧化,Pt粒子脱落和团聚。第二是膜的衰减。燃料电池正极的氧还原会产生非常少量的过氧化氢,其对离子交换膜进行破坏,要么溶解膜要么穿透。防止这两方面的衰减也是目前燃料电池研究的重要课题。

下面简单介绍一下上海大学在燃料电池方面的工作。我们主要是在四个方面:一个是制备催化剂、膜电极这些关键材料;第二是研发燃料电池控制系统;第三是做电堆及系统;第四是电解水制氢方面。我们在金属极板、防冻液体系、冷启动、催化剂、模拟与仿真等都有研发。上海大学燃料电池团队得到国家科技部重点项目和上海市教委重点项目支持,在此表示感谢!

最后,我大概总结一下我今天所讲的内容及一些见解。

(1)发展新能源是一个非常大的产业,市场潜力巨大,尤其中国人口众多,更要发展新能源汽车,其中燃料电池应该得到重点发展。但是,我们要谨慎地对待新能源技术存在的技术瓶颈和资金上的瓶颈,以及利用好国家政府政策及资金的支持。

(2)氢能质子交换膜燃料电池已被认为是电动车的主力电源,这是大势所趋,降低燃料电池的成本、发展加氢站是氢能利用的两个主要努力方向。这两个方面就是目前限制了燃料电池不能真正产业化的主要原因。

(3)目前燃料电池比起燃油车贵很多,还处在示范阶段,真正产业化还有很艰难的路要走,我们要有清醒地认识。尤其是加氢站不能支持大规模的燃料电池商业化。发展液氢加氢站、电解水加氢站是我们目前要努力的方向。

(4)对燃料电池来说,降低成本、提高耐久性仍然是我们商业化的努力方向,主要集中在催化剂、膜、膜电极、双极板、高压空气泵几个核心技术方面。

(5)对于质子交换膜燃料电池的可持续发展,研发非贵金属催化剂以取代目前的铂催化剂可能是我们努力的方向。这是因为铂不但非常贵,也很稀少

(6)中国要下大力气掌握燃料电池五大核心技术,使国家在燃料电池汽车的竞争力与发达国家相比肩。

非常感谢大家!
 

读者留言
看不清?点击更换

中国商用汽车总站

  • www.chinaautoms.com/由北京茂胜文化传媒有限公司版权所有@2019

    京ICP备18056018号-1

    合作QQ: 305140880