“目前,国产燃料电池的一些关键材料,例如隔膜、炭纸等产品的很多性能指标已达到甚至优于国际水平,但批量生产线的研发投入和生产线投入不足,希望国内有实力的企业能关注这方面的投资投入,尽快实现燃料电池关键材料的国产化,为燃料电池商业化奠定基础。”这是中科院院士衣宝廉在“2014国际电动汽车及关键问候测评研讨会”上提到的。衣宝廉院士在研讨会上主要对国际国内燃料电池汽车的最新研究进展进行了介绍,并着重呼吁:国内企业应加大对燃料关键材料的投入;整车厂应加大与燃料电池研发单位的匹配和过程优化。
国际燃料电池汽车已接近初步商业化目标
衣宝廉院士介绍到,目前国际上燃料电池发动机在功率密度、使用寿命、低温环境适应性等方面已经基本达到传统内燃机水平或者满足商用要求,目前最核心的问题就是铂用量的降低,特别是非铂催化剂的采用,他还提出,2015年通用汽车集团将推出满足商业化应用的燃料电池汽车,这意味着其在寿命、成本方面已经得到了较好的解决方案,应充分引起国内汽车企业的重视。他认为国际上燃料电池汽车的发展可分为三个阶段:
第一阶段是2005-2012年,主要工作内容是功率密度和循环寿命的提升,目前已经达到(2-3)千瓦/升,达到 传统内燃机的体积水平,燃料电池寿命达到5000小时(大巴车达到10000小时),满足美国能源部5000小时以上寿命的要求;低温环境适应性同时提高,可适应零下30度,车辆适用范围达到传统车水平;基于70MPa储氢技术,续驶里程达到传统燃料车水平,加氢时间也少于10min。
第二阶段是2013年以来,以降低成本为主要研究内容,主要是铂用量的降低,特别是采用非铂催化剂,这也是长期而艰巨的任务。关于铂的用量,目前国际上已经从1.0g/kW降低到0.6g/kW,未来有可能降到0.3g/kW乃至0.1g/kW,最终如果降到相当于汽车尾气净化器中铂的用量,燃料电池将迎来大规模商业化阶段。
第三阶段是2015年,国际燃料电池将进入初期商业化。
我国第三代燃料电池进入验证阶段,关键材料国产化是关键
据衣宝廉院士介绍,我国从十五开始燃料电池汽车研发,选择了燃料电池加二次电池(超级电容器)的电电混合技术路线,并有200余辆燃料电池汽车投入示范运行考核,累计运行里程超过10万公里,目前性能与国际水平接近,但成本和耐久性等亟待改善。以新源动力的燃料电池为例,目前已经发展到第三代,在前两代着重关注性能和成本的基础上,第三代开始关注成本的降低,其中关键材料国产化率的提高将是降低成本的关键。据衣院士介绍,国内燃料电池汽车主要的进展包括:
- 高性能/高稳定性抗中毒催化剂的研究,提升了催化剂的催化活性和稳定性;高耐久性、高质子传导性复合膜的研究,提高了质子传导率和稳定性;高导电性、合理孔结构炭纸的研究,首次利用CVD技术制备了高导电、高孔隙炭纸材料,增加了强度;采用全金属双极板,使电堆厚度在复合结构极板的基础上降低1/3’ ;实施限电位控制策略,避免电池容量衰减;国产空压机的流量、功耗、环境适应性等均较好,但可靠性和噪音有待改进;高压储氢瓶方面,35MPa已实现应用,70MPa高压储氢瓶目前还未采用。
衣院士认为,我国燃料电池汽车整体上跟随国际发展步伐,但在关键材料规模化生产以及整车匹配方面还存在一定差距,他建议未来几年,国内燃料电池发动机和整车生产企业应该在以下五个方面加大力度:
- 加大燃料电池关键材料(膜、炭纸、催化剂、MEA、双极板等)批量生产线的资助力度与研发投入,实现关键材料国产化,为燃料电池商业化奠定基础;促进燃料电池过程研究结果与整车生产单位的融合,把抑制衰减过程的措施落到实处,进一步深入研究阳极水管理过程、低温启动、系统模块化、提高燃料电池可靠性与寿命;发展燃料电池发动机寿命快速评价方法,推进加氢站建设和燃料电池汽车的示范运行,以示范带动技术链与产业链的发展;薄金属双极板表面改性,70MPa氢瓶,空压机,加氢站的建设是燃料电池商业化必须攻克而又很艰巨的任务;超低铂,非铂催化剂和电极的开发与实用是艰巨而长久的任务。
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