燃料電池車的商業(yè)化是氫能應用突破口

衣寶廉

要實現(xiàn)“碳達峰碳中和”目標，必須大力發(fā)展可再生能源。由于可再生能源的隨機性、波動性、季節(jié)性，要確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，必須大力發(fā)展儲能。利用可再生能源電解水制綠氫，是最廉價的儲能方式，同時還可以實現(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。氫能還有助于實現(xiàn)交通、冶金、建筑等領域的脫碳目標。其中，燃料電池車的商業(yè)化是氫能應用的突破口。

北京冬奧會期間千輛級燃料電池車的示范運行，證明燃料電池特別適合應用于寒冷的冬季，也證明了燃料電池車具有五大優(yōu)點：第一，比能量較高，特別適用于重載和長途運輸。第二，燃料電池發(fā)動機的發(fā)電電堆與儲氫罐是分開的，只要加強氫的檢測與控制，就不會產(chǎn)生燃燒與爆炸。當前全世界有八萬多輛燃料電池車在運行，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，即加氫時間與加油時間基本相等。第四，冬季續(xù)駛里程不縮短，沒有里程焦慮，燃料電池發(fā)動機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現(xiàn)商業(yè)化，只能靠政府補貼或獎勵進行示范運行，其原因主要為以下三點：一是燃料電池電堆和系統(tǒng)制備費用高，燃料電池車的售價是燃油車的兩倍多。二是綠氫制備和儲運費用高，燃料電池車的運行費用也遠高于燃油車。三是加氫站的建設費用也是加油站和充電站的幾倍。為實現(xiàn)燃料電池車的無補貼運行，科技部門和企業(yè)應在國家政策的支持和引導下合力攻關。

首先，應降低電堆與系統(tǒng)成本。一是突破“卡脖子”技術并實現(xiàn)批量生產(chǎn)。如研發(fā)制備高活性、低鉑的電催化劑并進行批量生產(chǎn)，空壓機、氫氣壓縮機研制與批量生產(chǎn)，70兆帕儲氫瓶試制與批量生產(chǎn)等。目前燃料電池車用的四型儲氫瓶就是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)動機系統(tǒng)的可靠性與耐久性，特別是電堆運行時膜電極三合一的水含量測量與平衡控制；改進電堆組裝工藝，提高電堆內(nèi)單池性能的一致性等，使燃料電池發(fā)動機壽命達到用戶保質(zhì)期的要求。預計到2030年，在上述工作完成的基礎上，燃料電池發(fā)動機成本可由現(xiàn)在每千瓦3000元左右降到500-1000元。

其次，要降低氫源的費用。一是從長遠來看：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，先凈化應用。同時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，要降低加氫站建設費用。一是在氫源附近建設中心加氫站，中心站配備氫壓縮機。依托中心加氫站，建不配置氫氣壓縮機的油氫合建站，大幅度降低加氫站的建設費用。運輸氫氣的列管運氫車可采用三型或四型高壓氫氣瓶。

截至2023年10月，我國氫燃料電池汽車累計銷售18197輛，僅次于韓國的3.4萬輛，已成為全球第二大燃料電池汽車市場。我國累計建成加氫站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，只有當氫源和燃料電池車售價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)加氫站實現(xiàn)基本普及，燃料電池轎車才可能進入尋常百姓家。按現(xiàn)在燃料電池車的成本與氫源的售價下降速度，以及加氫站的建設速度，預計2030年前后，燃料電池轎車將進入尋常百姓家。

（作者系中國工程院院士、中國科學院大連化學物理研究所研究員。本文根據(jù)作者在“學習強國”學習平臺與中國科學報社聯(lián)合發(fā)起的“科學家回信”活動中第四十三期回信內(nèi)容整理。）