深度分析

2019

01/02

深度分析

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2019-01-02 11:34:02

燃料电池正当时 ——访全国燃料电池及液流电池标准化技术委员会副秘书长陈晨

    随着我国社会经济的持续增长,能源消费需求总量不断上升,石油、天然气等进口依存度持续走高,2015年我国石油对外依存度突破60%,天然气对外依存度已上升至32.7%。能源进口依存度高,已成为我国能源安全的巨大挑战,能源结构转型势在必行。

    氢能是未来能源系统的重要组成部分,也是燃料电池汽车的动力来源。2018年,电动汽车补贴退坡,燃料电池汽车市场陡然升温,吸引产业链各方及业外资本纷纷进驻。与此同时,在其他领域,燃料电池的应用与推广也不甘落后,风头正劲。

    围绕氢能与燃料电池汽车相关话题,我们邀请到全国燃料电池及液流电池标准化技术委员会SAC/TC342(以下简称“标委会”)副秘书长陈晨进行深入探讨。

    陈晨:现任全国燃料电池及液流电池标准化技术委员会副秘书长,国际电工委员会燃料电池技术委员会(IEC/TC105)注册专家。主要研究领域为燃料电池标准化,参与编写我国燃料电池标准体系、10余项燃料电池领域国家标准和4项燃料电池国际标准的制定。于2015年、2016年连续获得“中国机械工业科学技术进步奖”二等奖,2016年被授予“十二五”机械工业标准化工作先进工作者。为表彰其在推动我国参与燃料电池国际标准化工作中的贡献,2018年被IEC授予“IEC1906奖”。

    燃料电池优势明显

    随着化石能源消耗、温室气体排放导致全球变暖效应的不断加剧,提高能源的利用率和发展替代能源成为我国乃至全球的主要议题。

    近年来,氢能与燃料电池的研究受到各国关注,被视为未来世界能源体系的重要组成。在汽车领域,氢燃料电池汽车不仅在能源发展方面具有重要作用,还具有优秀的环保性能和能量转化效率。

    “燃料电池是一种能量转化装置,其最佳燃料为氢。与一般电池不同的是,氢燃料电池是一种将氢气和氧气结合起来产生电力、水和热的电化学装置,其反应产生的废料除了微量的二氧化碳和氮氧化物外,主要是水。”谈起燃料电池,陈晨侃侃而谈。

    氢燃料电池做备用电源,与纯电动汽车相比,具有加注时间短、续航里程长等优势,是未来汽车工业可持续化发展的重要方向之一。

    我国在《中国制造2025》《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020年)》等顶层规划中都明确了氢能与燃料电池产业的战略性地位,将发展氢能和氢燃料电池技术列为重点任务,将氢燃料电池汽车列为重点支持领域。

    2014年12月,丰田Mirai燃料电池轿车上市,标志着氢燃料电池汽车技术实现重大进步,氢燃料电池汽车的技术已经从基础研究、样车示范进入工程化、商品化发展阶段。

    与此同时,我国不少车企也开始涉足氢燃料电池汽车的开发。在乘用车方面,以上汽集团为主,已完成前后四代氢燃料电池轿车的开发。在商用车方面,上汽、北汽福田、上汽大通等企业先后进驻,近年来已初步具备小批量生产能力。据统计,2017年全国燃料电池商用车产量为1226辆。

    陈晨指出,利用氢能为载体,采用燃料电池技术将氢能转化为电能,用于汽车动力等领域,将解决目前化石能源日益枯竭及传统能源消耗带来的环境污染等问题。

    分阶段制定补贴机制

    不可忽视的是,相较于电动汽车,燃料电池汽车发展步调仍太慢。燃料电池起步早却“赶了个晚集”,原因何在?

    陈晨告诉记者,针对燃料电池发展慢,业内有很多专家都给予了解读,主要原因有以下三个方面:一是技术问题。关键技术仍需攻克,包括制氢、储氢方面的技术、燃料电池自身关键技术的攻克,以及配套设施和辅助部件(如空压机、气瓶)等技术的攻克;二是安全问题,燃料电池加氢的背后,需要一整套氢能源生产和运输网络作为支撑。氢气本身的安全问题、加注氢燃料时的安全及操作过程中的安全问题都需要解决好。三是成本问题,关键零部件尚未国产化,主要依靠进口,导致了燃料电池系统的成本居高不下。此外,加氢站的建设成本高昂,燃料电池现阶段所有的催化剂Pt产量低、价格也非常高,约是黄金的2倍。

    2018年,电动汽车“补贴退坡”消息被坐实,燃料电池汽车市场骤然升温,无论是行业、资本市场,还是产业链各方,对于燃料电池汽车的发展都抱有很大期待。

    高补贴能否助推燃料电池汽车商业化?陈晨认为,燃料电池汽车发展初期,由于产业链尚未健全,需要国家给予一定的补贴,用来促进燃料电池产业的发展。

    为促进燃料电池汽车产业良性发展,陈晨建议:“在补贴方面,国家应分阶段制定完善的补贴机制,让补贴的经费能够真正用于推动行业的发展。在技术上,需要不断的攻克,并希望更多的行业能够参与进来,尽快完善整个产业链。”

    此外,上游氢能的发展,直接关系到燃料电池是否能够推广应用,目前我们国家对于氢仍按照危险化学品进行管理,限制非常多。

    “现在也有些声音提出,将氢能划归到能源领域,建议国家从能源发展战略的角度考虑,将氢能作为一个产业进行规划和发展,以推动燃料电池的应用和推广。”陈晨补充道。

    氢气并不比汽油更危险

    11月底,张家口市桥东区大仓盖镇盛华化工有限公司附近发生一起爆炸事故。爆炸原因一度被指向氢能源。随着调查的深入,事故原因逐渐明晰:盛华化工氯乙烯气柜泄漏,遇明火爆燃所致。与氢能源无关。

    长期以来,由于公众对于氢能源缺乏足够的了解,对氢燃料电池汽车的安全尚有疑虑,甚至“谈氢色变”,这也成为限制氢燃料电池汽车产业快速发展的一大因素。

    “燃料电池汽车的安全性,也是我们考虑的重点。”陈晨说,标委会主任委员衣宝廉院士的报告中曾多次提到这个问题,也给出了很好的答案:氢气比较轻,它的扩散系数是汽油的22倍,氢气漏出来以后很快向上扩散,不像汽油,漏出来以后就滞留在车的旁边,汽油着火是围绕车烧的,氢气着火是在车辆上方,所以氢气在开放的空间是非常安全的。

    只要管理到位,氢气的特性并不比汽油更危险。“但是,氢气在密封空间的安全性要引起足够的重视,如在车库中,需要安装传感器,并加上通风装置,以防发生危险。”陈晨强调。

    在变电站领域推广应用

    今年8月,国家标准《变电站用质子交换膜燃料电池供电系统》(GB/T36544-2018)正式发布,并将于2019年2月1日实施。而在此以前,电力系统变电站引入燃料电池的相关标准一直处于缺失状态。

    在电力系统变电站领域,现阶段的备用电源以铅酸电池为主,设计依据是DL/T5044《电力工程直流电源系统设计技术规程》,燃料电池作为变电站备用电源仅于6年前在洛阳变电站中尝试使用。

    “限于当时燃料电池自身技术问题,以及标准的缺失,燃料电池没有得到推广应用。随着质子交换膜燃料电池技术的快速发展,燃料电池已经具备示范运行的条件,亟需制定标准填补空白。”陈晨解释。

    在此背景下,标委会联合全球能源互联网研究院有限公司开展了《变电站用质子交换膜燃料电池供电系统》(GB/T36544-2018)国家标准的制定。

    陈晨向记者详细介绍了该标准的起草过程,标准制定过程中,燃料电池企业和电网公司通力合作,针对这项标准组织召开了四次讨论会;为了更加准确地了解变电站的工作环境,以及燃料电池作为备用电源的要求等事宜,工作组专门赴河南洛阳变电站开展了实地调研和交流;全球能源互联网研究院有限公司专门开发了2套针对35kV变电站等级的燃料电池备用电源样机,通过南京大学环境与再生能源检测中心针对性地开展试验验证,对标准中涉及的动态响应、冲击放电能力等进行了试验验证,最终完成了标准中参数的设定和试验方法的确认。

    将来标准实施后,燃料电池系统作为备用电源,可替代传统的阀控式密封铅酸蓄电池。

    目前全国整个配电网中的变电站,大多使用阀控式密封铅酸蓄电池作为后备电源系统。由于铅酸电池寿命较短,产品生产和废弃对人类生活有严重负面影响,一般2~3年就须更换一次,运营成本较高。据了解,一个220kV变电站需要配备2组110V、500Ah的铅酸蓄电池(单个电压为2V),成本=2.5元/Ah*500Ah*110*2=27.5万。如果改为燃料电池,成本大概在44万左右,寿命至少是10年。

    “燃料电池的使用,将有效提高变电站备用电源系统稳定性及寿命,减少有害物质排放,灵活高效,具有良好的社会效益和应用价值。”对于标准的实施,陈晨很期待。

    标准化工作与国际持平

    据陈晨介绍,标委会自成立至今,燃料电池行业受国内外政策的影响起起伏伏,但是标准化工作一直没有停歇过。

    在标准体系建设方面,结合我国的实际情况,依据系统性、协调性、完整性及与国际标准接轨性原则,初步建立了我国燃料电池标准体系,并结合我国标准化改革,在2017年重新调整了标准体系架构,在原有标准体系架构的基础上,增加了团体标准,从顶层出发,给出燃料电池领域标准的整体规划,指导我国燃料电池标准化工作的开展。在标准制修订方面,在上述标准体系的指导下,标委会已经制定国家标准36项,国家标准化指导性技术文件3项。

    随着燃料电池产业的兴起,燃料电池进入市场导入期,标委会将在备用电源、燃料电池汽车及无人机等领域陆续制定出相关的标准,服务于产业的发展。

    在国际上,国际电工委员会燃料电池技术委员会(IEC/TC105)负责燃料电池技术和各种类型燃料电池和相关应用领域的国际标准化工作,如用于分布式发电、热电联合和发电系统的固定式燃料电池发电系统,运输领域用燃料电池发电系统(如驱动系统、增程器、辅助动力单元),便携式燃料电池发电系统,微型燃料电池发电系统,基于可逆操作模式的燃料电池发电系统,以及通用电化学流体系统和过程。涉及到道路车用燃料电池的项目,IEC/TC105将同ISO/TC22及其相关的SCs协调开展。

    目前,国际上形成了相对完善的燃料电池标准体系。“尽管,在固定式发电、微型等领域,受技术的制约,我国的标准化工作相较于国际标准有所滞后。但从整体上看,我国燃料电池标准化工作整体水平基本与国际持平。”陈晨最后总结道,尤其是在驱动及辅助动力领域,我国已经初步完成了车用领域燃料电池部件、低温、安全等的标准制定,并开展了无人机领域的标准化工作,而国际上这部分尚处于空白阶段。

    全国燃料电池及液流电池标准化技术委员会:原名全国燃料电池标委会,2008年正式获批成立。在主任委员、中国工程院院士衣宝廉的带领下,行业专家的共同努力下,逐步建立了我国燃料电池标准体系,制定燃料电池领域国家标准30余项。在国际上,推荐了14名专家参与了IEC/TC105下设的13个工作组的工作(IEC/TC105共计14个工作组),并承担2项国际标准的制定,2015年组织承办了IEC/TC105年会,并将于2019年再次承办IEC/TC105年会。

【来源:《产品安全与召回》杂志】

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THE END

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