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【原创】武汉理工大学首席教授潘牧:燃料电池商业化要翻越三座大山
膜电极 文章来源自:新能源汽车报
2019-09-16 10:58:00 阅读:3105
摘要潘牧认为,燃料电池商业化道路上有“三座大山”,即性能、寿命、成本。

“现在国内非常多的企业家都关注氢能和燃料电池产业,从环保、效率各方面这些优势来说确实是非常好的事情,前途肯定是光明的,但道路又是曲折的。”武汉理工大学首席教授潘牧在2019中国汽车产业发展(泰达)国际论坛上表示。


曲折的地方在哪里?潘牧认为,燃料电池商业化道路上有“三座大山”,即性能、寿命、成本。现在燃料电池跟纯电动相比成本很高,不过经过十几二十年来中国和全世界科学家的共同努力,已经取得了很大的进展。

贵,就一个字

“电堆的功率密度已经达到3.1kW/L,这个指标还是比较好的,它对应膜电极性能的指标是每平方厘米5.4瓦,如果只算双极板加上膜电极的体积,它的功率密度可以达到5.6kW/L,现在的技术已经达到非常高的水平。另外就是铂的用量,大家觉得催化剂是最贵的,其实这个催化剂从2006年的2g/kW一直到2020年要做到0.12g/kW,目前已经可以做到0.2g/kW。如果做到0.12g/kW就表示每辆车装了10克铂,也不是很贵。所以在性能上,由于我们的努力,催化剂的性能、电堆的性能、膜电极的性能几乎可以达到产业化的水平了。”潘牧说。


据高工锂电网报道,上海氢晨新能源科技有限公司经过近10年的持续研发,已开发出三代具有自主知识产权的燃料电池电堆。其103kW金属板电堆经测试平台测试,体积功率密度为3.3kW/L,达到行业先进水平。


谈到膜电极,潘牧表示,武汉理工氢电公司于2006年成立,专门来做膜电极,现在已销售膜电极100万片,大部分都销售到国外,如果装车可以装3000多台车,当然没有全部在国内装,主要是出口国外。中国的零部件的基础还是很好的,产业化还是很有信心可以做下去。


在成本方面,潘牧估算,100千瓦的电堆大概是两万多元,这是算的核心面积。还有一个结构设计所消耗的材料,包括材料的利用率、损耗率、良品率,也就是四万多块钱,加上双极板一两万元,其它东西十万元,一个100千瓦的电堆就可以搞定,这是在理想的情况下。但十万元光买电堆还不行,BOP(电池配套设备)再花十万,总价格就是二十万元,相对于发动机来说还是贵了,但作为电动汽车来讲也不是完全不能接受的,成本离预期还有很大的距离,但是有可能完成。


“最大的问题是寿命,现在质子交换膜采用非常巧妙的结构,可以用来传导质子,所以价格昂贵。2000年左右的时候用的是非常厚的膜,有170微米,像树脂这么贵,用这么厚的膜当然很贵,现在我们全部减薄,成本就可以降低,但问题是膜薄了以后强度很差,所以又加了增强层,但是这个增强层还不够强,假设它是30兆帕,一个15微米的膜,一个袋子只能承受450克的力,挂一瓶矿泉水就断掉了。”潘牧进一步表示,“另外是催化剂,为了使催化剂的用量减少,这种纳米材料有个天生的弱点,就是热力学不稳定。


第二点,催化剂在电化学反应中,从低电压到高电压,在每一个电压的循环,催化剂就会变一下,所以这些都会带来燃料电池的寿命问题,我们对它的机理了解不深刻,解决的方法并没有完全实现,这些都需要我们进一步探索。”


潘牧指出,上述三个问题比较下来,成本排第二,寿命是最大的问题,因为所有参与研发燃料电池的单位、企业都要把精力放在这上面。它的机理是什么?到底怎么样造成的?需要大量的测试数据,这些数据非常宝贵,只有分析清楚才能把燃料电池汽车做好。

氢,连接能源互联网


在燃料电池的标准方面,潘牧表示,只有在前面的工作基础上才能制定出一些标准保证燃料电池的发展,现在国家有一个燃料电池标准委员会,委员会的主席是衣院士。目前中国的燃料电池汽车已经走在在国际的前列,很多问题必须要制定标准。现在整个框架包括了基础的标准,包括了燃料电池通用技术标准,驱动和辅助便利系统,还有微型的。


“在国际上我们对标的是IEC(国际电工委员会)/TC105(燃料电池技术),现任主席是法国人,上一任主席是日本人。TC105与其他几个有能源标准、交通标准,还有供氢要求标准的几个委员会合作,才能把这个体系构建起来。TC105发布的标准比我们还少一些,目前只发布了18项,我们国家已经有12项,已经采标。”潘牧进一步解释。


燃料电池汽车到底怎么做?潘牧给出了自己的答案。


电动汽车的发展应该跟能源结构的调整是结合在一起的,要借助能源结构的调整保证燃料电池汽车的发展。把电网和气网这两个网用什么来连起来?用燃料电池将氢气转化为电,电解水再转化成氢气。比如荷兰打算今后用风电来制氢,通过管网输送到全欧洲。今后氢能的网络是非常大的,如果这两个网络建立起来之后,每个汽车都是我们的节点。汽车在里面只是一部分。


所以这个能源网非常符合互联网的特点,一个是互联的,即电网和气网互联,另一个是无限节点以及双向转换,既可以消耗又可以生产。如果要与每一个家庭互联,就要互相进行生产和销售。有意思的是本田的车就带了变压器,把电输送给家庭,这代表了一个发展方向。


所以国际能源署2015年的时候提出能源互联网的概念,用氢气把热网、电网、气网用氢连接起来,德国提出了集成能源系统,通过氢把电网和气网全部连接起来。美国提出了H2@Scale计划,将电和氢形成网络,2019年美国能源部也重点支持这件事情。


燃料电池面临的最大障碍是寿命问题,燃料电池缺乏强制性标准,特别是安全标准,燃料电池将在能源互联网起到重要作用,电动汽车也是当中的一部分。


(本文根据潘牧在2019中国汽车产业发展国际论坛上演讲速记整理,未经本人审阅。)

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