鉅大LARGE | 點擊量：268次 | 2023年08月07日
我國燃料動力鋰電池產業前景和瓶頸分解超級廠方法助力發展
盡管整體來看國內燃料動力電池發展進程暫時落后于國外，但很多產業環節并推的發展策略，令國內燃料動力電池產業發展速度遠超國外，有望在較短時間內完成追趕。
面對當前國內燃料動力電池產業化發展所面對的壽命、價格、基礎設施和產業政策與標準缺失瓶頸，通過細分的技術和政策手段獲得實質改善，并提出“超級廠”概念助推國內燃料動力電池產業化發展。
什么是氫能與燃料動力電池?
簡單的講，燃料動力電池就是能源轉換裝置，和內燃機相近，把一種能源轉化成另外一種能量。燃料動力電池是電化學的轉換裝置，可將化學能量轉化為電能。
這個裝置有很多的特別之處，它高效清潔、功率較高(可達到每升3.1kW的功率密度)、沒有噪音、充氣迅速(三分鐘充氣可以讓汽車行駛500-700km)，是十分理想的能量轉化裝置。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
以電池技術為參照，燃料動力電池的技術更為復雜，涉及到包括電堆在內的一整套系統。比如要把氫氣通到燃料動力電池里，把空氣通過空氣壓縮機通到燃料動力電池里實現發電，再通過DCDC裝置將所得電力的電壓轉換到所需電壓等，這些也是燃料動力電池技術的難度所在。
作為能源轉化裝置的燃料動力電池具備和內燃機同樣的功能，也就決定了其用途的廣泛性，幾乎所有內燃機能發揮用途的范疇，燃料動力電池都可以參與代替。比如能源交通、發電、家庭、移動電源、通訊基站和空間技術、、醫學范疇等。
而在眾多的使用范疇中，交通運輸層面的使用格外緊要。早在2000年，福特公司CEO小福特就斷言燃料動力電池將終結內燃機的百年統治，實際上不止福特，全球大型汽車公司幾乎都認同了這樣的觀點。
美國的咨詢公司KPMG曾對全球汽車公司總裁進行過一項調查，結果顯示，2018年全球汽車公司總裁一致認為燃料動力電池汽車是當今發展的主流，而電動汽車則在2018年下降到第五位。
通過對電動汽車和燃料動力電池車的經濟性比較，我們可以發現的分明特點是電動汽車在短距、小型車范疇占有優點，但在長距離、大型汽車范疇，燃料動力電池則會更具優點。基本上續航里程超過100km，燃料動力電池汽車就會處于優點地位。
國內外燃料動力電池汽車發展進程比較
現階段，全球都在加快燃料動力電池車型的開發、推廣步伐，但在產業發展進程上，國內外存在一定的差異。
整體來看，國外燃料動力電池汽車的發展基本已完成“技術驗證/用戶認可—成本降低—性能提升—市場引入—大規模制造”五個階段。具有代表性的是2015年日本豐田推出的Mirai，標志著燃料動力電池汽車成功進入商業化階段，所以2015年也被視為燃料動力電池汽車產業化元年。
反觀國內，燃料動力電池汽車技術相對落后于國外，車型也大多處于研究階段，對照上述五大發展階段，基本上處于技術驗證階段，與國外存在著較大差距。
但值得留意的是，過去幾年國內燃料動力電池行業飛速發展，不同的行業、公司運用了不同的辦法繼續進行技術沖破，盡管行業整體被歸于技術驗證階段，但實際上的用戶認可、降低成本、市場引入等環節在同步推進，有希望在較短時間內趕上國外先進技術。
氫能和燃料動力電池產業化四大瓶頸及應對策略
總體來看，當前燃料動力電池技術包括峰值效率、系統能量密度、低溫啟動等性能已基本達到商業化標準。但燃料動力電池的壽命和價格目前距離當前預期仍有一定差距，加上基礎設施建設、產業政策與標準的缺失，四大因素綜合限制了氫能和燃料動力電池的產業化發展。
首當其沖的就是價格。從趨勢上來看，過去數年燃料動力電池通過技術革新促使產品價格不斷下降，2016年到今朝，燃料動力電池價格基本在過去10年的基礎上下降了60%。
假設2019年燃料動力電池汽車產銷量超1000輛，燃料動力電池價格大概將在230美元/kW左右，假如說每年產量達到10萬輛車，燃料動力電池的價格可以降低50美元/kW。顯然隨著技術的進步，價格將非常接近我們的最終目標。
依據美國能源部此前的規劃，按照每年50萬輛燃料動力電池汽車計算，2017年燃料動力電池系統的價格是45美元/kW，預計2025年燃料動力電池系統售價將達40美元/kW，而最終的市場化推廣目標是30美元/kW。
這就要求我們從整個燃料動力電池系統各個關鍵的部件進行研究和開發來降低價格。比如，當空壓機價格降低時，整個系統的價格可以下降3美元左右;采用非鉑催化劑可以將燃料動力電池價格再降低5美元;雙機板價格降低，也將促使整個系統價格降低3美元。
至于壽命問題，我們希望燃料動力電池保持至少5000小時的運營壽命。2015年到2017年間的數據顯示，現階段燃料動力電池車的運行壽命基本可以達到超4000小時，試驗室已可達10000小時，遠超壽命需求。
要處理壽命問題非得要了解影響燃料動力電池壽命的原由是什么，在過去幾十年的研究里面，我們成功地揭示了燃料動力電池壽命衰減的基本機理。
※質子交換膜在燃料動力電池運行的過程里會變薄，出現針孔、撕裂現象等機械問題，化學、電化學以及熱穩定等因素導致的質子交換膜衰減都是影響燃料動力電池壽命的緊要因素。
※催化劑活性降低也會影響燃料動力電池壽命。在燃料動力電池運行過程中，催化劑可能出現團聚、再沉積，導致催化劑流失，空氣污染在影響催化劑活性的同時也會影響到燃料動力電池壽命。
※氣體擴散同樣會對燃料動力電池的壽命造成影響，氣體擴散層的速水材料會慢慢流失，造成表面變化，進而影響燃料動力電池的壽命。
※雙極板環節在在燃料動力電池運行過程中出現的腐蝕情況，也會影響燃料動力電池壽命。
針對這些機理，可以制定針對性的應對策略，有效促使燃料動力電池壽命提升并達到車用壽命要求。
質子交換膜方面，可以用加強膜加強其機械性能，延長其使用壽命;為質子交換膜加進去自由基，就可以保證膜不會降解，增強熱分析也能降低自由基數量，保證質子交換膜擁有足夠的壽命。(燃料動力電池操作過程中總會萌生大量自由基，這些自由基進攻膜材料，令膜材料逐步流失、變薄，影響膜壽命。)
催化劑層面，可以用高比表面體的載體，抗反擊的催化劑，以及氧化的載體，使用化學過濾器，確保氫氣和空氣潔凈不受污染，保證催化劑在整個壽命周期中活性不降低。
雙極板則要采用防腐涂層，新增壽命。
另外一個影響重要因素是氫燃料以及氫設施問題。氫燃料和氫設施方面的問題重要包括制氫、氫的儲運和加氫，這在國內是一個非常大的問題，要我們花更多的精力去處理。
燃料動力電池用氫，那么氫從哪兒來?現階段制氫的辦法很多，目前市場上大量的氫氣來源于天然氣制氫，它的價格基本上可以低于2美元/kg，滿足氫作為燃料的基本價格要求。
但將來的發展過程中，氫的重要來源需將逐步過度到從太陽能、風能等可再生能源制氫的方式，可以令氫氣的價格更加便宜。整體來看，當前的氫氣價格仍然較高，要改進辦法，持續強調降低制氫成本。
“超級廠”處理方法
考慮當前燃料動力電池技術和產業化方面存在的瓶頸，我們已經采取了相應對策。即通過基礎研究提高燃料動力電池的裝置效率，同時開發關鍵材料、技術，盡快實現材料和技術國產化，降低燃料動力電池的價格，設計材料、電堆、系統的一體化處理方法。
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