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车用燃料电池仍面临着商业化挑战

2017-05-26 10:00
seele_jin
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燃料电池需要考虑各种车用工况下的可靠性和耐久性问题。从上世纪90年代到2005年,国际上解决了燃料电池对车用工况的适用问题。从2005年到2012年,燃料电池的成本实现了下降,其成本已经接近纯电动汽车,稍贵一点。之后,2015年成为了燃料电池产业的发展元年,实现了市场化。

其实,在2014年12月15日,丰田Mirai氢燃料电池车在日本正式上市,宣布成功商业化,同时宣布它的专利不收费,这对整个行业意义重大。但是由于加氢站的制约,丰田在推广氢燃料电池小轿车之后,转向了大巴车型,并从2015年开始在东京做示范运行。

目前,本田等各大公司也在推出燃料电池新型娇车。最近,本田正与通用合作,建设燃料电池堆生产线。今后,随着各大企业燃料电池堆生产线的建设,燃料电池的产量将会成倍增加。

就电池系统而言,受工况影响,燃料电池产业花了15年时间才解决了燃料电池在不同工况状态下的车用需求,使用时间达到5千到1万小时。工况对性能影响非常大,解决工况问题,首先要上电电混合,把工况变化压力传给锂电池,燃料电池在准稳态下运行,寿命大幅度提高。其次要防止电池长期处在大于0.85的高电压下工作,在怠速、开路时可给二次电池充电,给水箱加热或利用空气循环。对车的启停,要采用放电的方法,消除空气进入氢腔引起的高电压等。现在,国内外的差距主要是在电堆的阳极水管理方面。我们希望国内做发动机的企业尽快把这件事情做好,燃料电池的使用时间就有望提高1000-2000小时。

我们也希望科研机构能够与生产单位进行深层合作,把控制衰减的方法更好地运用到电池系统当中。但是,这些在单池已证明的各种有效方法,应用到电堆上,还有很多工作需要做,我们希望能够通过真诚合作来提高电堆的可靠性和耐久性。

从国际上看,空压机成本下降速度比较慢。要想降低燃料电池系统的成本,降低空压机和氢循环泵的成本很重要,氢气瓶的成本也需要大幅度下降。综合来看,燃料电池汽车成本下降对燃料电池、空压机、氢瓶、氢循环泵成本控制都要有严格要求。

在空压机领域,比如佛山某厂商生产的空压机,它的主要问题是噪声比较大,可靠性稍微偏低。在氢气瓶制造方面,我们已经在生产35MPa的氢气瓶,75MPa的氢气瓶还在研发当中。只有采用塑料内胆(可镀),才能用低强度的碳纤维,这样氢瓶的成本也能降下来,但这需要进行大量的研发工作。

空压机、高压储氢瓶是制约我们进一步大幅度降低燃料电池成本的关键问题。我们也希望国家能够提供支持,解决这方面的问题。另外,我们还需要尽快制定大巴车的安全标准,比如氢气瓶到底能不能放在车底下,氢气管线特别是接头部分允不允许通过驾驶舱和载客舱等。我们还需要考虑撞车以后,燃料电池的高压如何解决?比如,目前丰田采用的是一个堆,一旦发生碰撞,一个堆200多伏电压,而且里面有残存氢,这将是非常危险的。这些问题都需要从实验和标准方面进行解决,实现撞车后燃料电池电堆电压迅速降至安全电压以下。

碳纸这块,国内主要是中南大学在进行研发,产品性能已超日本Torry公司,但是在国内并没有实现商业化,这主要是因为缺少资金支持。现在,企业不太愿意对其进行投资,主要是考虑到短期内的资金利润率。因此,燃料电池关键材料的商业化问题、生产线的建立问题,是整个行业必须面临的最大问题。

对薄金属双极板,冲压和激光焊接方面,我们的技术都已经过关了,剩下的是表面改性技术,比如用等离子喷涂进行表面改性。我们用金属双极板做出的电堆,工作电流密度是1安倍,比国际上的1.5安培的低,因此电堆的功率密度也比丰田、通用的低。

采用电喷涂制备的新型膜电极组件(MEA)比一般喷涂的产品性能好一点。而且在有序化电极方面,我们也做到了接近3M公司的水平,但是这种方法难以批量生产,需要对其进行改造,以适应批量生产工艺要求。

我们与国外的差距部分还有MEA的在线水含量测量,这也是丰田的一个优点。我们需要向国外学习,比如丰田不仅能够在线测量MEA水含量,而且能够在线控制MEA水含量。目前,世界上在燃料电池发动机领域,也只有丰田有这种在线水含量测量能力。

就加氢站的建设而言,我们已经掌握了相关技术,但是仍然需要考虑,实现国产化以后如何降低成本的问题。现在,我们需要花近1400万元才建设一个加氢站,国家补助400万元。加氢站建设还需进一步降低成本。

在示范运行方面,宇通在生产燃料电池大巴车领域是国内比较早的,目前已经做到四代产品了。宇通还建了加氢站,这在私企当中是第一家。目前,宇通的加氢站已经开始运行了。福田和亿华通合作,也在生产燃料电池客车。广州国鸿氢能科技公司的巴拉德的膨胀石墨双极板生产线已经建起来了,与巴拉德合作开发的产品主要是大巴车,目前已经有30多辆车开始了示范化运营。

目前,国内车用燃料电池发展有二条技术路线,一条以新源动力为代表的的自主研发,应进一步提高电池系统的可靠性与耐久性,并降低电堆的成本和铂用量。另一条以广州国鸿氢能科技公司为代表的引进加拿大Ballard技术,希望能消化吸收并再创新,比如解决引进技术的电堆不适于在零下温度储存和启动问题。

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