燃料電池車的商業(yè)化是氫能應(yīng)用突破口

衣寶廉

要實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰碳中和”目標(biāo)，必須大力發(fā)展可再生能源。由于可再生能源的隨機(jī)性、波動(dòng)性、季節(jié)性，要確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，必須大力發(fā)展儲(chǔ)能。利用可再生能源電解水制綠氫，是最廉價(jià)的儲(chǔ)能方式，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)可再生能源再分配，解決可再生能源地區(qū)分布不均的問題并發(fā)展氫—電供能體系。氫能還有助于實(shí)現(xiàn)交通、冶金、建筑等領(lǐng)域的脫碳目標(biāo)。其中，燃料電池車的商業(yè)化是氫能應(yīng)用的突破口。

北京冬奧會(huì)期間千輛級(jí)燃料電池車的示范運(yùn)行，證明燃料電池特別適合應(yīng)用于寒冷的冬季，也證明了燃料電池車具有五大優(yōu)點(diǎn)：第一，比能量較高，特別適用于重載和長(zhǎng)途運(yùn)輸。第二，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)電電堆與儲(chǔ)氫罐是分開的，只要加強(qiáng)氫的檢測(cè)與控制，就不會(huì)產(chǎn)生燃燒與爆炸。當(dāng)前全世界有八萬多輛燃料電池車在運(yùn)行，還沒有出現(xiàn)一輛車發(fā)生燃燒或爆炸的情況。第三，加氫與加油速度在同一數(shù)量級(jí)，即加氫時(shí)間與加油時(shí)間基本相等。第四，冬季續(xù)駛里程不縮短，沒有里程焦慮，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)廢熱還能為車輛供暖。第五，續(xù)駛里程、駕駛舒適性可以與燃油車媲美。

目前為止，燃料電池車還沒有實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，只能靠政府補(bǔ)貼或獎(jiǎng)勵(lì)進(jìn)行示范運(yùn)行，其原因主要為以下三點(diǎn)：一是燃料電池電堆和系統(tǒng)制備費(fèi)用高，燃料電池車的售價(jià)是燃油車的兩倍多。二是綠氫制備和儲(chǔ)運(yùn)費(fèi)用高，燃料電池車的運(yùn)行費(fèi)用也遠(yuǎn)高于燃油車。三是加氫站的建設(shè)費(fèi)用也是加油站和充電站的幾倍。為實(shí)現(xiàn)燃料電池車的無補(bǔ)貼運(yùn)行，科技部門和企業(yè)應(yīng)在國(guó)家政策的支持和引導(dǎo)下合力攻關(guān)。

首先，應(yīng)降低電堆與系統(tǒng)成本。一是突破“卡脖子”技術(shù)并實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。如研發(fā)制備高活性、低鉑的電催化劑并進(jìn)行批量生產(chǎn)，空壓機(jī)、氫氣壓縮機(jī)研制與批量生產(chǎn)，70兆帕儲(chǔ)氫瓶試制與批量生產(chǎn)等。目前燃料電池車用的四型儲(chǔ)氫瓶就是70兆帕。二是科技創(chuàng)新，提高電堆額定工況的工作電流密度，即提升車用燃料電池電堆比功率，由現(xiàn)在每平方厘米1.5-2安培提高到4-5安培。第三，提高發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的可靠性與耐久性，特別是電堆運(yùn)行時(shí)膜電極三合一的水含量測(cè)量與平衡控制；改進(jìn)電堆組裝工藝，提高電堆內(nèi)單池性能的一致性等，使燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)壽命達(dá)到用戶保質(zhì)期的要求。預(yù)計(jì)到2030年，在上述工作完成的基礎(chǔ)上，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)成本可由現(xiàn)在每千瓦3000元左右降到500-1000元。

其次，要降低氫源的費(fèi)用。一是從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看：東北、西北和西南的可再生能源制氫，可用管道或天然氣管網(wǎng)輸送氫到中部、東部。沿海城市，海上風(fēng)電制氫，建氫氣輸送管道輸送到中心加氫站。二是從近期來看：優(yōu)先利用副產(chǎn)氫，先凈化應(yīng)用。同時(shí)開展抗毒氫氧化電催化劑的研發(fā)與生產(chǎn)，就可以直接利用廉價(jià)的副產(chǎn)氫。三是無副產(chǎn)氫地區(qū)，可開展天然氣、煤層氣催化裂解制綠氫和碳材料，給燃料電池車供氣。

最后，要降低加氫站建設(shè)費(fèi)用。一是在氫源附近建設(shè)中心加氫站，中心站配備氫壓縮機(jī)。依托中心加氫站，建不配置氫氣壓縮機(jī)的油氫合建站，大幅度降低加氫站的建設(shè)費(fèi)用。運(yùn)輸氫氣的列管運(yùn)氫車可采用三型或四型高壓氫氣瓶。

截至2023年10月，我國(guó)氫燃料電池汽車?yán)塾?jì)銷售18197輛，僅次于韓國(guó)的3.4萬輛，已成為全球第二大燃料電池汽車市場(chǎng)。我國(guó)累計(jì)建成加氫站417座，數(shù)量位居全球首位。但目前燃料電池車仍處在大規(guī)模示范階段，只有當(dāng)氫源和燃料電池車售價(jià)降到與燃油車差不多的程度，氫能高速公路聯(lián)網(wǎng)、市內(nèi)加氫站實(shí)現(xiàn)基本普及，燃料電池轎車才可能進(jìn)入尋常百姓家。按現(xiàn)在燃料電池車的成本與氫源的售價(jià)下降速度，以及加氫站的建設(shè)速度，預(yù)計(jì)2030年前后，燃料電池轎車將進(jìn)入尋常百姓家。

（作者系中國(guó)工程院院士、中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員。本文根據(jù)作者在“學(xué)習(xí)強(qiáng)國(guó)”學(xué)習(xí)平臺(tái)與中國(guó)科學(xué)報(bào)社聯(lián)合發(fā)起的“科學(xué)家回信”活動(dòng)中第四十三期回信內(nèi)容整理。）