提高電堆的工作電流密度,提高電堆的體積和重量比功率。深入研發電堆衰減機理,開發抗腐蝕、穩定的新材料,大幅度提升發動機可靠性和耐久性。

衣寶廉院士

经国务院批准,世界新能源汽车大会(WNEVC)于2019年7月1-3日在海南博鳌隆重召开。大会着眼于全球汽车产业的转型升级和生态环境的持续改善,通过聚集全球专家智慧和产业精英,共同交流探讨新能源汽车在技术创新、产业创新、政策创新、市场模式创新等领域的成功经验与发展趋势,凝聚产业共识,明晰汽车产业转型升级的方向,探索电动化、智能化、共享化协同发展的有效路径。在“氢能及燃料电池技术创新”的主题峰会上,中国科学院大连化学物理研究所研究员、中國工程院院士衣寶廉院士发表了演讲,内容如下:

各位嘉賓,各位同行,上午好,我今天報告的題目是《提高車用燃料電池的可靠性和耐久性》。分兩部分,第一部分介紹中國燃料電池的現狀,第二部分講可靠性和耐久性。

燃料電池與锂電池一樣,是按電化學原理發電的,工作方式是靠內燃機,能量儲存在氫罐當中,比較安全,電池不會爆炸也不會著火,只要電池裏面出問題把氫氣切斷就可以。用燃料電池代替內燃機,跟燃油車相比,油箱由氫瓶替代,好處就是排出的是水。適合重載和遠程車。現在國際上達到了4缸內燃機水平,有的好的達到了6缸,每立升3千瓦,壽命最長達到25000小時。Pt用量還是比較大的問題,國際上達到0.2g/kW,希望達到0.1g/kW。國內比較高,在0.3-0.4g/kW。

我們2008年北京奧運會23輛,2009年19輛到加州,2010年有一輛大巴參加新加坡的世氫會,2010年參加上海世博會示範運行。上汽爲了考察電動車對環境的適應性又搞了一個創新征程,燃料電池在西藏也開,就是速度慢一點。中國成立了氫能聯盟,剛剛發布了白皮書,裏面包括了很多央企。2018年國家支出8億多支持和燃料電池有關的研究,最大的兩筆一個是新源動力拿到的,做電堆的,一個是濰柴拿到的,做發動機的。

國內有3000輛左右燃料電池汽車在示範運行,這是我們國家發表的公告數。大部分功率在30kW-60kW之間。現在國內的成本大概是1:1,就是輔助系統、電池系統和電堆大概是1:1,現在電堆也開始下降,我們過去裝車的電堆體積比溶率都是每立升2kW,現在已經提升到3kW,成本也大幅度下降,一台空壓機就是4萬塊左右。國內40多個省市先後發布氫能計劃,典型的還是上海市,上海大通FCV80已經開始公開銷售,每輛30萬。榮威950可以做到-30℃啓動,也可以銷售了。億華通是電池系統做得最好的單位。宇通是大巴車做得比較好的單位,兩家的大巴車在張家口進行試行,證明燃料電池在冬天運行非常合適,因爲它的余熱可以給車取暖。燃料電池在冬天運行是非常成功的,這是張家口的證明。國鴻可以做出30kW到100kW的電堆。大巴車在雲浮也裝了有軌電車。

通過十幾年的工作,不但有了産品也形成了隊伍。這是大連化物所做的3kw/L的電堆,額定功能75kW,峰值功率85kW。我們萬部長前天在長春的科協年會上說,我們的燃料電池在壽命、可靠性、適用性基本達到車輛使用要求,中國初步掌握了相關核心技術,基本建立了具有自主知識産權燃料電池動力系統技術平台,未來要加強協同創新,加快氫燃料電池全面發展。

我們掌握了燃料電池的核心技術,進行了大量的示範運行,累積了經驗,具備大規模示範運行的條件。

下面我講第二方面問題。第一個是工況問題,電流波動、電壓波動、溫度濕度波動、壓力波動造成電堆壽命的縮短,爲了解決這一快速加載問題,我們由萬鋼部長提出搞電電混合。第二個是限制高電壓,特別是啓動停車電壓更高。高電壓會導致碳氧化之後會有流失,抑制高電壓是延長燃料電池壽命的主要問題。啓動停車形成氫空界面。我們學生做了實驗,最有效的辦法是放電,放電以後基本消除啓動循環的影響,這是新源動力做的結果,如果說不解決啓動停車的高電壓問題,那麽每個循環大概每節電池要0.37毫伏,采用了我們自己制定的程序,幾乎60次循環沒有衰減。這是燃料電池衰減的很主要問題。控制電壓低于0.8V,電池基本沒有衰減。

還有一個,因爲燃料電池的水啓停問題,這也是影響燃料電池大量推廣應用的問題。有三個關鍵技術,在燃料電池有三種水,在冬天燃料電池停車要吹走自由水,再結冰就不會破壞電機結構和膜的結構。第二個是做到-20℃以上可以靠一定的加載程序自啓動,不需要外部能源。在-20℃到-40℃當中,可以通過氫泵,把氫泵到氧電機跟氧反應,也可以把氫混到氧氣反應,從20℃到-40℃還要實現啓動,還是要靠一定能耗,光靠一定程序啓動不起來。在這個過程中配上豐田車載水含量在線監控。第三個方面,電堆陽極水管理,一定要把氫氣循環起來,這樣的話防止積水,燃料電池堆壽命可以提升好幾千小時。在發展中國家空氣當中的硫比較多,特別是北方,冬天取暖的時候,氫氣當中也有一定的二氧化硫,一定要淨化掉,空氣當中硫化氫、空氣當中的二氧化硫,這對電池是一個累積性的毒化作用,中毒以後采用點位脈沖掃描辦法恢複,但是這種恢複恢複不到原先的水平,因爲在脈沖點位掃描的時候也要氧化一部分,有一定催化劑要流失。我們引進一台車做實驗,原本說能做3年,結果3個月就垮了,他們後來說電池衰減和北京環境二氧化硫是一致的。二氧化氮、二氧化硫同時存在的時候,二氧化氮可以減掉二氧化硫毒化作用。可以用開路法和電壓脈沖發活化。我們現在用電化學,把二氧化硫氧化成三江並流。

還有電池安全問題,氫安全問題、電安全問題過去一直在提。我們需要建立燃料電池堆在運行時的健康指標,必然燃料電池突然停車。實際燃料電池在這方面比锂電池簡單得多,因爲燃料電池所謂將來出事情都是氫氧互毀,一般我們的操作都是氫氧高于空氣壓力,所以只要在空氣出口加一個氫氣傳感器就可以了,就能表明電堆健康狀態。氫氣能度低于千分之五的時候我認爲是正常的,如果高于千分之五,就是要檢修了,就要用黃燈顯示。對電堆來說,這一個指標基本可以表征電堆的安全性方面的指標,所以燃料電池在車上的安全狀態有漏電、漏氫一系列事情,但是對于電堆的狀況,完全可以用空氣當中的氫含量表征。研究還有一個問題正在研究解決,突然撞車,現在都是一個堆,比如豐田,一個堆都是200多伏直流,如果兩個母線碰到,特別是正極母線就有被電死的可能,怎麽樣在撞車的瞬間把燃料電池電壓降到安全電壓以內,笨的辦法帶一個氮氣瓶,最好的方法還是放電,但是放電容易損害電堆,我們還在做實驗研究,最後從標委會定一個方法,在我們國家燃料電池車上采納,盡管撞車的可能性很小,就算撞車正極母線掉到地上的機率也很小,但是我們也要搞。

最后建议是完善发动机产业链,建立关键材料的生产线和关键部件的空压机。提高電堆的工作電流密度,提高電堆的體積和重量比功率。深入研發電堆衰減機理,開發抗腐蝕、穩定的新材料,大幅度提升發動機可靠性和耐久性。

謝謝大家。

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