来源:“学习强国”学习平台 中国科学报社 发布时间:2024/2/20 7:31:50
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科学家回信|衣宝廉:燃料电池车的商业化是氢能应用突破口

 

编者按:2023年5月起,“学习强国”学习平台与中国科学报社联合发起“科学家回信”活动,邀请广大读者向自己心中向往尊敬的科学家、科技工作者提问、留言。活动启动后,“学习强国”“科学网App”收到了读者的踊跃留言。我们精选了读者田世艳的提问,请中国工程院院士、中国科学院大连化学物理研究所研究员衣宝廉发出第四十三期回信。

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读者田世艳:氢能源还有多久会在新能源汽车中普及?以何种形式?需要突破哪些关键技术?

衣宝廉:要实现碳达峰碳中和目标,必须大力发展可再生能源。由于可再生能源的随机性、波动性、季节性,必须大力发展储能,确保电网的稳定运行。利用可再生能源电解水制绿氢,是最廉价的储能方式,同时还可以实现可再生能源再分配,解决可再生能源地区分布不均的问题并发展氢—电供能体系。氢能还可以用于难脱碳的交通、冶金、建筑等领域脱碳(编者注:人们生活与生产过程中,需要能源,如果能源中不含碳,就是脱碳,如用氨做能源;难脱碳是指用不含碳能源比较困难,又不适于用电,如汽车、飞机、冶金等)。其中,燃料电池车的商业化是氢能应用的突破口。

北京冬奥会期间千辆级燃料电池车的示范运行,证明燃料电池特别适合寒冷冬季运行,也证明了燃料电池车的五大优点:

1.比能量高,特别适用重载和长途车。

2.燃料电池发动机的发电电堆与储氢罐是分开的,只要加强氢的检测与控制,就不会产生燃烧与爆炸。现在全世界有八万多辆燃料电池车在运行,还没有一辆车发生燃烧和爆炸的情况。

3.加氢与加油速度在同一数量级(编者注:即加氢时间与加油时间基本相等)。

4.冬季续驶里程不缩短,没有里程焦虑。燃料电池发动机废热还可为车辆供暖。

5.续驶里程、驾驶舒适性可以和燃油车媲美。

目前为止,由于下述三点不足,燃料电池车还没有实现商业化,只能靠政府补贴或奖励进行示范运行。

1.由于燃料电池电堆和系统制备费用高,导致燃料电池车的售价是燃油车的两倍多。

2.由于绿氢制备和储运费用高,燃料电池车的运行费用也远高于燃油车。

3.加氢站的建设费用也是加油站和充电站的好几倍。

为实现燃料电池车的无补贴运行,需要在国家政策的支持和引导下,科技部门和企业合力攻关。

首先,应降低电堆与系统成本。

1.突破卡脖子技术并实现批量生产。如研发、制备高活性,低铂的电催化剂并进行批量生产;空压机、氢气压缩机研制与批量生产;70兆帕储氢瓶试制与批量生产等。目前燃料电池车用的四型储氢瓶就是70兆帕。

2.科技创新,提高电堆额定工况的工作电流密度,即提升车用燃料电池电堆比功率。由现在每平方厘米1.5~2安培提高到4~5安培。
    3.提高发动机系统的可靠性与耐久性。特别是电堆运行时膜电极三合一的水含量测量与平衡控制;改进电堆组装工艺,提高电堆内单池性能的一致性等。使燃料电池发动机寿命达到用户保质期的要求。

预计到2030年,在上述工作基础上,燃料电池发动机成本可由现在每千瓦3000元左右降到500~1000元。

其次,要降低氢源的费用。

1.从长远来看:东北、西北和西南的可再生能源制氢,可用管道或天然气管网输送氢到中、东部。沿海城市,海上风电制氢,建氢气输送管道输送到中心加氢站。

2.从近期来看:优先利用副产氢,先净化应用。同时开展抗毒氢氧化电催化剂的研发与生产,就可以直接利用廉价的副产氢。

无副产氢地区,可开展天然气、煤层气裂解制绿氢和碳材料,给燃料电池车供气。

最后,要降低加氢站建设费用。

在氢源附近建设中心加氢站,中心站配备氢压缩机,也就是氢的分配站。依托中心加氢站,建不配置氢气压缩机的油氢合建站,大幅度降低加氢站的建设费用。运输氢气的列管运氢车可采用三型或四型高压氢气瓶。

到2023年10月,我国氢燃料电池汽车累计销售18197辆,仅次于韩国的3.4万辆,已成为全球第二大燃料电池汽车市场。我国累计建成加氢站417座,数量位居全球首位。

但目前燃料电池车仍处在大规模示范阶段,只有当氢源和燃料电池车售价降到与燃油车差不多的程度、氢能高速公路联网、市内加氢站实现基本普及,燃料电池轿车才可能进入寻常百姓家。按现在燃料电池车的成本与氢源的售价下降速度,以及加氢站的建设速度,预计2030年前后,燃料电池轿车能进入寻常百姓家。

 
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