中國工程院院士、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所（以下簡稱大連化物所）研究員衣寶廉近日表示，燃料電池車（FCV或FCEV）綠色、動力性能、安全性等優(yōu)勢明顯，但未來要實(shí)現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用，降低燃料電池車與運(yùn)行成本是關(guān)鍵。
對于如何降低成本，衣寶廉分別從燃料電池創(chuàng)新、優(yōu)化制氫和氫能儲運(yùn)方案等角度，提出三條“錦囊”。
FCV優(yōu)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(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車很相似：FCV的氫瓶相當(dāng)于傳統(tǒng)汽車的油箱，燃料電池發(fā)動機(jī)相當(dāng)于內(nèi)燃機(jī)，但傳統(tǒng)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(rèn)為，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(xù)駛里程長、動力性能高、燃料加注時(shí)間短、安全性好等優(yōu)點(diǎn)。
他解釋說，由于燃料電池的比能量高，可達(dá)0.5-1.0KWH/Kg，因此特別適合重載卡車或大客車；同時(shí)，氫燃料電池車的續(xù)駛里程、加氫時(shí)間、駕駛舒適性均可與燃油車媲美。此外，由于FCV的電堆與氫罐是分開的，電堆不會產(chǎn)生爆炸，提高了發(fā)動機(jī)的安全性。
衣寶廉提到，人們已經(jīng)習(xí)慣于以汽油作燃料，但是對氫氣這種燃料還缺乏了解。事實(shí)上，氫的物理特性讓其更能保障應(yīng)用安全。“在開放空間，氫氣的擴(kuò)散系數(shù)是汽油的12倍。利用氫易于檢測、擴(kuò)散速度快等特點(diǎn)，在可能有氫泄漏的地方加裝氫傳感器，當(dāng)氫濃度高于千分之五時(shí)，聯(lián)動風(fēng)機(jī)自動啟動，可確保氫安全。”他說。
退一步講，即便發(fā)生爆炸事故，氫的危險(xiǎn)程度也更小。衣寶廉解釋說：“發(fā)生爆炸時(shí)，氫氣燃料由于密度遠(yuǎn)低于空氣，會迅速上升擴(kuò)散，爆炸將發(fā)生在氣源上方；對比而言，汽油發(fā)生爆炸是在燃料的泄漏處，危險(xiǎn)程度要遠(yuǎn)大于氫氣。數(shù)據(jù)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(diǎn)”
氫燃料電池汽車的優(yōu)點(diǎn)顯著，但成本等制約其發(fā)展的因素也擺在桌面上：目前不僅燃料電池發(fā)動機(jī)貴，加氫站的建設(shè)成本、制氫加氫成本等都居高不下。
衣寶廉列出了一組數(shù)字：目前由于燃料電池發(fā)動機(jī)貴，導(dǎo)致一輛車售價(jià)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(shè)費(fèi)用，高達(dá)1200~1500萬元；高成本的加氫站導(dǎo)致加氫費(fèi)用居高不下，當(dāng)前每公斤高達(dá)60~80元。
“只有加氫費(fèi)用降到每公斤30元以下，F(xiàn)CV才能與燃油車競爭。”衣寶廉說，要實(shí)現(xiàn)無補(bǔ)貼的FCV商業(yè)化，必須大幅度降低燃料電池發(fā)動機(jī)的成本和氫氣的成本，同時(shí)降低加氫站的建設(shè)費(fèi)用，“這些是必須要攻克的難點(diǎn)。”
2020年4月，財(cái)政部發(fā)布《關(guān)于開展燃料電池汽車示范推廣的通知》（征求意見稿），重點(diǎn)支持珠三角、長三角、京津冀及中部地區(qū)的城市開展燃料電池產(chǎn)業(yè)化示范應(yīng)用，示范為期4年。值得注意的是，該示范并非直接補(bǔ)貼。示范期間中央財(cái)政將按照結(jié)果導(dǎo)向，對圍繞FCV關(guān)鍵零部件核心技術(shù)攻關(guān)、采取科學(xué)有效措施降低各類成本的示范城市，采取“以獎(jiǎng)代補(bǔ)”方式給予獎(jiǎng)勵(lì)。
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(zhì)膜、電催化劑、擴(kuò)散層等組成）和雙極板組成，因此，降低成本的技術(shù)創(chuàng)新還要從膜電極組件下手。
衣寶廉介紹說，大連化物所相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)通過改進(jìn)電催化劑、質(zhì)子交換膜，提高M(jìn)EA性能、探索MEA批量生產(chǎn)技術(shù)等科技攻關(guān)，取得了一定的進(jìn)展。比如，他們制取的“超小鉑銅合金催化劑”，質(zhì)量比活性是傳統(tǒng)鉑碳催化劑的3.8倍；通過對MEA催化層、氣體擴(kuò)散層的配方和工藝的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了MEA性能提高、鉑用量降低等。基于這些研究成果，他們開發(fā)了不同功率和規(guī)格的系列化燃料電池電堆，并在一些新能源車型中試用。
“實(shí)現(xiàn)燃料電池關(guān)鍵材料和部件國產(chǎn)化、批量生產(chǎn)，同時(shí)提高電堆的比功率，就可以大幅度降低燃料電池發(fā)動機(jī)的成本，進(jìn)而降低燃料電池車的成本。”衣寶廉說，此外，還要依據(jù)工況和電堆適宜運(yùn)行條件制定控制策略，以確保電池系統(tǒng)的可靠性與耐久性。
PCV降成本靠電池，PCV加氫降成本靠什么？衣寶廉給出的“錦囊”是：優(yōu)化制氫來源和儲運(yùn)方式。
“制氫的方案有三種：工業(yè)副產(chǎn)制氫、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、氯堿合成氨、甲醇等工業(yè)副產(chǎn)氫潛力巨大，但這需要我們發(fā)展精準(zhǔn)對燃料電池有毒雜質(zhì)的凈化方法、制定標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)定檢測方法和儀器；同時(shí)也要開發(fā)新的化石燃料制氫方法，比如采用天然氣熱催化裂解法，制備氫氣和固態(tài)碳，做到零碳排放。”衣寶廉說：“而最好的辦法，就是大幅度發(fā)展可再生能源制氫。”
衣寶廉說，我國僅四川、云南兩地每年棄水電量就超過400億千瓦時(shí)，三北地區(qū)棄風(fēng)電量近500億千瓦時(shí)，西北五省平均棄光率20%，若將棄風(fēng)、棄水、棄光電量用于電解制氫，年產(chǎn)可達(dá)300萬噸。
因此，他建議，應(yīng)利用豐富的可再生能源，大力發(fā)展目前較為成熟的質(zhì)子交換膜（PEM）電解水制氫，然后采用管網(wǎng)輸送氫氣——氫氣可借道天然氣管網(wǎng)，在需要?dú)錃獾胤?，?dāng)氫濃度高時(shí)（如大于5%）可采用膜分離器從天燃?xì)夂蜌浠旌衔镏刑崛〖儦?，?dāng)氫的濃度低時(shí)，可抽取等熱值天然氣進(jìn)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(jù)了解，大連化物所開展PEM電解水技術(shù)研發(fā)的歷史已有二十多年，技術(shù)已趨成熟落地。2020年，他們承擔(dān)了國網(wǎng)安徽省電力有限公司兆瓦級氫能綜合利用站科技示范項(xiàng)目，采用的就是PEM電解水制氫。
衣寶廉還給降低加氫站建設(shè)成本提供了一個(gè)“錦囊”：“實(shí)現(xiàn)氫氣壓縮機(jī)、高壓儲氫瓶等國產(chǎn)化和批量生產(chǎn)，建油、氫、電合建站，就可大幅度降低加氫站的建設(shè)費(fèi)用。”
“基于上述‘錦囊’，我們可以先商業(yè)化對加氫站依賴度低的商用車，待加氫站達(dá)到一定密度，再示范、商業(yè)化DCV乘用車。”衣寶廉最后表示。（中國科學(xué)報(bào)）
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