近日，日本汽車廠商本田宣布，自2021年8月開始，終止以氫氣為燃料的氫燃料電池車(FCV)的生產(chǎn)。
無獨(dú)有偶，今年年初，日產(chǎn)也宣布暫停與戴姆勒及福特合作開發(fā)FCV計(jì)劃，將力量集中于發(fā)展電動(dòng)汽車。
此前，日本是FCV的重要擁躉，是目前擁有加氫站最多的國家。日產(chǎn)、本田相繼宣告退出，是否預(yù)示著新能源汽車的氫能路線行不通了?
對(duì)此，中國工程院院士、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所(簡稱大連化物所)研究員衣寶廉對(duì)《中國科學(xué)報(bào)》明確回應(yīng)：“本田宣布停產(chǎn)FCV，不過是FCV發(fā)展過程中的插曲，不會(huì)影響堅(jiān)定發(fā)展FCV的初心與信念。”
“我國氫能會(huì)獲得快速發(fā)展。”衣寶廉對(duì)中國FCV產(chǎn)業(yè)的未來充滿信心。但他也強(qiáng)調(diào)，降低成本是當(dāng)前必須攻克的難點(diǎn)。
FCV具有更高安全性
“汽車在轉(zhuǎn)型，電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化時(shí)代，什么事都有可能發(fā)生，正像一直有人報(bào)道鋰離子電動(dòng)車燃燒爆炸一樣。”對(duì)于日本FCV出現(xiàn)的“插曲”，衣寶廉回應(yīng)道。
“氫能利用的突破口是FCV。但現(xiàn)在FCV沒有政府補(bǔ)貼，企業(yè)是賠錢的。”衣寶廉說，“中國因?yàn)橛械胤秸蛱厥馄髽I(yè)買單，F(xiàn)CV還有市場，所以豐田、現(xiàn)代、巴拉德等紛紛進(jìn)入中國。”
衣寶廉介紹，本田FCV技術(shù)幾經(jīng)變動(dòng)，并沒有大量進(jìn)入市場，還需技術(shù)創(chuàng)新和降低成本。因此本田FCV在停產(chǎn)的同時(shí)，還在聯(lián)手美國通用繼續(xù)發(fā)展FCV技術(shù)。
實(shí)際上，F(xiàn)CV與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車很相似，只不過FCV的動(dòng)力燃料主要是氫能。
“FCV的氫瓶相當(dāng)于傳統(tǒng)汽車的油箱，燃料電池發(fā)動(dòng)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(dòng)車(混合動(dòng)力車、純電動(dòng)汽車)相比，F(xiàn)CV具有續(xù)駛里程長、動(dòng)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)，F(xiàn)CV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的電堆與氫罐分開，不會(huì)產(chǎn)生爆炸，因而提高了發(fā)動(dòng)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，對(duì)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，一旦氫濃度高于千分之五，聯(lián)動(dòng)風(fēng)機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)，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)，由于密度遠(yuǎn)低于空氣，氫氣燃料會(huì)迅速上升擴(kuò)散，爆炸將發(fā)生在氣源上方;對(duì)比而言，汽油發(fā)生爆炸是在燃料的泄漏處，危險(xiǎn)程度遠(yuǎn)大于氫氣。數(shù)據(jù)顯示，汽油的爆炸能量是相同體積氫氣的22倍。”
降低成本是攻克難點(diǎn)
FCV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(dòng)機(jī)貴，加氫站的建設(shè)成本、制氫加氫成本等都居高不下。
此前，在2021全球智慧出行大會(huì)暨第二屆中國(南京)國際新能源和智能網(wǎng)聯(lián)汽車展覽會(huì)上，衣寶廉列出一組數(shù)字：由于燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)貴，導(dǎo)致一輛車售價(jià)是燃油車的2~3倍，是鋰離子電池車的1.5~2倍;一座加氫站的建設(shè)費(fèi)用達(dá)1200萬~1500萬元;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(dòng)機(jī)和氫氣成本，同時(shí)降低加氫站建設(shè)費(fèi)用，“這些是必須要攻克的難點(diǎn)”。
要想降低FCV成本，就要從燃料電池上做文章。而燃料電池的基本單元——單電池由膜電極組件(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入手。
衣寶廉介紹，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;通過優(yōu)化MEA催化層、氣體擴(kuò)散層的配方和工藝，提高了MEA性能、降低了鉑用量等。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(dòng)機(jī)的成本，進(jìn)而降低FCV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，確保電池系統(tǒng)可靠性與耐久性。
關(guān)鍵在于“綠氫”
FCV降成本靠電池，那加氫降成本靠什么?衣寶廉給出的“錦囊”是，優(yōu)化制氫來源和儲(chǔ)運(yùn)方式。
制氫方案有3種：工業(yè)副產(chǎn)制氫、化石燃料制氫和可再生能源制氫(綠氫)。“關(guān)鍵在于‘綠氫’。”衣寶廉表示，“有了綠氫，燃料電池就是氫轉(zhuǎn)化為電的最適宜技術(shù)，會(huì)獲得快速進(jìn)展，特別是氫燃料卡車與商用車，用高比能量的燃料電池優(yōu)于鋰離子電池。商用車進(jìn)展反過來還會(huì)促進(jìn)燃料電池的進(jìn)步和乘用車商業(yè)化。”
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)，西北五省區(qū)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——借道天然氣管網(wǎng)，在需要?dú)錃獾牡胤?，?dāng)氫濃度高時(shí)(如大于5%)，可采用膜分離器從天然氣和氫混合物中提取純氫;當(dāng)氫濃度低時(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)20多年，已趨成熟。2020年，他們承擔(dān)了國網(wǎng)安徽省電力有限公司兆瓦級(jí)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。
此外，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(chǔ)氫瓶等國產(chǎn)化和批量生產(chǎn)，建油、氫、電合建站，從而大幅度降低加氫站建設(shè)費(fèi)用。”
“基于上述‘錦囊’，我們可以先商業(yè)化對(duì)加氫站依賴度低的商用車，待加氫站達(dá)到一定密度后，再示范、商業(yè)化DCV乘用車。”衣寶廉最后表示。
