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中國工程院院士衣寶廉

 

       中國電動汽車百人會論壇（2019）于2019年1月11日至13日在北京釣魚臺國賓館召開。本次論壇以 “汽車革命與交通、能源、城市協同發展”為主題。圍繞汽車零排放和電動化變革、能源轉化及傳統能源公司轉型、未來交通和出行變革圖景、下一代汽車關鍵技術發展、汽車智能化和網聯化趨勢、核心供應鏈培育、汽車生產組織方式變革、國際創新對接、產業政策調整等熱點問題進行研討。

 

      核心提示：中國工程院院士衣寶廉表示，中國車用燃料電池技術要降低成本，在國際上有競爭力，從電堆角度來看，現在的核心問題是提高功率電流密度和比功率。衣寶廉建議，應盡快要完善燃料電池的產業鏈，建立擴散層碳紙生產線。提高電堆的工作電流密度，提高電堆的體積和重量比功率，降低電堆的成本，為開發乘用車奠定了基礎。要深入研發電堆的衰減機理，開發抗腐蝕、穩定的新材料，大幅度提高發動機的可靠性和耐久性。開展超低鉑和非鉑電催化劑的理論和應用研究，進一步把電池的鉑用量降低到每千瓦小于0.1克，這是國際上燃料電池的基本要求。建立關鍵部件，電堆和電池系統的測試，與耐久性快速評價方法。

 

      以下是演講實錄：

 

       尊敬的歐陽院士，各位領導、同行，上午好！

 

       我今天講的題目是“車用燃料電池技術”，我認為我們中國的車用燃料電池技術要降低成本，在國際上有競爭力，從電堆角度來看，現在的核心問題是提高功率電流密度和比功率。

先講一下中國的發展過程。

 

       燃料電池的原理是電化學，跟鋰離子電池完全是一樣的，但是燃料電池因為發電原理是電化學，所以效率比較高，一般來說在車用是60%左右。

 

       燃料電池的工作方式是內燃機，跟內燃機完全一樣，燃料電池只是能量轉化的場所，因此它的燃料是儲存在儲罐當中，所以燃料電池是比較安全的，電堆里的能量很少，我搞了一輩子燃料電池，從來沒有發生過燃燒和爆炸的事故，電堆出事情，只要把氫氣切斷電堆就安全了，所以燃料電池的工作方式是內燃機的，它的安全性比鋰離子電池高。

 

       燃料電池在車上用，它就是代替了內燃機，現在燃料電池都是低電壓工作、大電流，所以通過DC/DC升壓，電電混合，這是中國“863”萬部長、歐陽他們提出來的，現在國際通用。如果要搞增程式的，就避免不了鋰離子電池爆炸的危險，采用電電混合，可以用超電容或者鎳氫電池，所以燃料電池車是比較安全的。跟內燃機比，郵箱用氫瓶代替，內燃機是燃料電池發動機，排放物僅僅是水。燃料電池車跟電動車和插電式混合動力來比，它適合于大功率、長程的運輸，所以適合于像公交車和重載車，在這方面有明顯的優勢。

 

       到2017年中國有了2千多輛燃料電池，昨天的報告說，2018年要有1500多輛，所以我們現在能有2400多輛燃料電池車在運行，要趕上美國了。國際電池現狀，2014年12月15日，豐田宣布開始銷售，同時專利開始無償使用，所以這個對燃料電池發展是重大進步。

 

       由于燃料電池乘用車受加氫站的限制，所以豐田跟日野合作做了燃料電池大巴，準備作為奧運會的通勤車。最近豐田又開始跟美國的肯沃斯合作開發重載車，準備在美國的加州進行運行10輛，加州空氣委員會提供了4500萬美元的資助，這是燃料電池車首先能夠代替柴油車的一個重點方向。

 

       本田2016年也開發出了燃料電池車，現代，歐洲定了4千臺左右的燃料電池車。從燃料電池來看，現在壽命已經基本上達到了要求，加州13輛車已經運行了，奧克蘭運行，達到2.5萬小時。從pt用量來看，國際每千瓦0.2克，國內0.4克左右，歐洲又搞了第二次大巴車的示范運行。

 

       同時開始考慮建立燃料電池堆的生產線。

 

       從國際上看，燃料電池已經進入了市場的導入階段，發動機的功率大幅度提升，用70MPa氣瓶已經可以跑500公里以上，負30度以上，基本上滿足了要求，現在問題是沒有大批量的生產線、成本比較高，受加氫站的制約，所以將來從電堆、燃料電池角度，最主要的任務還是降低pt用量，降低催化劑燃料電池的成本。從國內來看，我們從2007年的上海比比登賽一直到2010年的世博會，我們進行了大量的燃料電池車運行。世博會之后上汽又搞了創新征程，證明電動車適應中國的增程環境。

 

       今年開始我們成立了氫能和燃料電池聯盟，10月份在海口開了第一次論壇。國家來看，我們從資助任務上，已經資助了“十三五”期間8.27億元的費用，兩個重大項目，一個是低成本的燃料電池堆及關鍵材料的技術研究與工程開發，這個是大連新源動力承擔的，還有一個是濰柴的任務，這兩個任務的錢是比較多的。

 

       從現在來看，國家已經在2018年有57家企業、共86個車型入選，其中億華通有23款、廣東國鴻20款，我們這個車有1500多量在2018年。各個城市、省市都動起來了，領頭的是上海，上海準備有400—500輛商用車進行示范運行，要建立三個平臺，動力系統及零部件研發平臺、氫能產業公共服務平臺、燃料電池車運營保養中心。上海大通V80是世界上可以公開出售的第4個車型，輕型客車，賣30萬元。我們遼寧省的新賓縣買了60輛，已經開始示范運行，補貼后售價30萬元。上汽也開發了榮威950，也可以公開出售。億華通跟力神合作已經研制了3種類型的燃料電池發動機，30千瓦到60千瓦，都在裝車示范運行。

 

       示范運行在張家口有74輛燃料電池車，有99輛福田車和25輛宇通12米的大巴車，已經開始示范運行，張家口在中國還是比較寒冷的地區，運行結果證明，在寒冷條件下，燃料電池車只要解決了啟動問題，它還是比鋰電池車優越的，因為燃料電池車工作起來以后，它的溫度就是你設定的工作溫度，不像鋰離子電池受環境的影響比較大。

 

       宇通已經開發了三代燃料電池車，最主要的證明，就是證明在開空調的條件下百公里要消耗0.8公斤左右的氫，鄭州也開始示范運行，除了在張家口以外。我們國鴻引進已經能夠做30千瓦—80千瓦的燃料電池電堆，這是P30，這是85千瓦的，適合裝大巴車，它在云浮市有70輛燃料電池車投入運行，佛山也搞了首輛輕軌車下線，現在德國要搞輕軌運輸車，這個是很好的發展方向。

 

       現在中國的加氫站10左右正在運行，明年預計有100臺左右，有人說40臺，昨天聽報告真正運行的是12臺，運行最頻繁的還是張家口、云浮和上海，加氫量最多的。

這是老的一些加氫站，這是可以做各種加氫實驗的，在大連863支持的建立的新源動力的加氫站，還有宇通自己建的加氫站。在如皋神華建立最大的加氫站，每天加氫能力可以達到1千公斤。

 

       萬鋼在2017年未來出行上海科協年會上指出，氫燃料電池在壽命、可靠性、適用性上基本達到了車輛使用要求，中國初步掌握了相關的核心技術，基本建立了具有自主知識產權燃料電池動力系統技術平臺，未來主要要加強協同創新，加快推進燃料電池產業的全面發展。

 

       從國內來看，我們已經掌握了燃料電池的核心技術，并經過了大量的示范運行，積累了豐富經驗，具備了進行大規模示范運行的條件。我們現在要盡快實現關鍵材料、電催化劑、質子交換膜、膜電極三合一、雙極板等批量生產，為降低電堆成本和提高電堆一致性奠定基礎。要提高電堆的比功率，降低電堆成本和pt用量。進一步提高電堆系統的可靠性和耐久性。

 

       從國際上來看，燃料電池車已經達到了四缸內燃機的體積水平，上次海口會，本田宣布已經達到了六缸內燃機的水平，功率密度達到每立升3千瓦。我們國內裝車的電堆現在大概都在每立升2.0千瓦左右，就是V80、榮威750和榮威950用的都是在這個數量級，所以我們輸出功率我們的電堆比國外還是低1/3左右。

 

       要想降低我們燃料電池發動機的成本，特別是電堆成本，我們要提高單電池，首先要研究提高單電池的比功率，這個就是降低化學極化、歐姆極化和傳質極化。

 

       要降低化學極化，主要要搞高效的電催化劑，現在國際上的通用是搞鉑合金催化劑，核殼催化劑有三種辦法來制備。這是化物所做的，超小鉑銅合金催化劑，它的性能是現在碳鉑催化劑的3—5倍，這是化物所做的鉑鎳納米線的催化劑，性能也是碳鉑催化劑的3倍多。有了高效的電催化劑，我們就可以提高電堆的電流密度，減少化學極化。同時我們要采用鉑增強的混合膜，降低歐姆極化。通過增強膜就可以減播，另外通過過氧化物，可以減少膜的化學腐蝕，這是我們化物所做的結果，它的F釋放率大幅度下降。

 

       這是Gore公司做的10—15微米的膜，我用薄膜就可以減少歐姆極化。另外要采用新型流場，降低傳質極化。像豐田，把二維流場改為三維流場以后，傳質極化就大幅度下降，這樣我們的密度就可以提高到幾個安培每平方厘米，這是它把原來的二維流場改為三維流場，電流密度就可以達到幾安培每平方厘米。

 

       我們有了單池性能提高以后，現在國內在實驗室里面單池研究已經達到了每平方厘米1安培的時候在0.7V以上，每平方厘米2安培在0.6V以上，我們正在向2.5安培進軍。雙堆可能每立方厘米1安培，以后要發展到2、2.5安培，這樣我們電堆水平就可以達到豐田的水平以至于超過豐田的水平。

 

       從電堆角度來看，流場阻力越大電堆的一致性越好，但是供供氣力加大，空壓機內耗增加。我們要研究低內耗的空壓機，才能保證我們電堆的高功率密度輸出。另外我們要提高雙極板制備的一致性，特別是平整度，不管是金屬板還是石墨板，它的平整決定電堆一致性是關鍵因素。我們要改進制備MEA的一致性，特別是MEA的平整度和封邊技術，因為燃料電池組裝以后，在公用孔道里面膜會膨脹，會嚴重影響氣流分布，所以在公用孔道里露出的膜全部封死，這樣才能包裝組裝的阻力在運行當中不變化，所以MEA的制備核心是用薄膜和解決封邊技術。另外，優化電堆的結構。

 

       這是國內采用的雙極板，開始是無孔碳板或者是膜壓的或者膨脹石墨的都屬于這一類，還有復合板，現在新源用的主要是復合板，用金屬做分割，0.1毫米的不銹鋼板做分割，用碳板來做流場，現在在發展的就是金屬板。

 

       金屬板可以使電堆功率密度提高，這是化物所做的金屬雙極板，基本上達到了我們的使用要求。

 

       從電極制備來看現在有三代，開始都是做噴涂電機，后來是CCM，現在裝機用的電堆主要是第二代電極，第二代電極的批量生產技術也需要我們攻克，因為現在的噴涂技術不適合于幾百萬輛車的生產。

 

       這是化物所的靜電噴涂技術。

 

       要改進電堆的組裝工藝，因為電堆都是按壓力機方式組裝起來的，主要構成是雙極板和MEA、密封件，所以這個組裝要有嚴格的工藝和定位技術。

 

       這是我們在堿性電池當中發展出來的，因為把密封和MEA的壓伸要有效配合起來，把各種組件要一致、高度也一定，我設計這個電堆以后我就知道最后組裝的高度是多少，有了這個公式就可以組裝出一個均勻的電堆。

 

       這是我們化物所裝出來的每立升3.0千瓦的電堆，現在我們的工作電流密度還是1安倍，我們希望能夠盡快的提到1.5和2安培。

 

       這是它的改進型，已經達到了每公斤400瓦、每平方厘米1安培，現在正在改進向2安培走。如果我們現在能夠做到每平方厘米2安培，我們的pt用量就跟豐田國際水平一樣，每千瓦0.2克，現在我們還是0.4克左右。我們的體積比功率可能達到每立升3百多千瓦，就跟國際水平靠攏了。所以希望我們搞燃料電池的人大家聯合起來，盡快的把我們國家燃料電池的工作電流密度和比功率提上去，你搞石墨板，可能體積密度比功率低一點，但是你也要把電流密度提上去，電流密度提上去，pt用量就下來了。電流密度提上去了，因為燃料電池是按千瓦來賣錢的，1千瓦多少錢，而不是說這個堆多少錢，所以千瓦上去了、電流密度上去了，這個堆輸出的千瓦數就比較多了，原來輸出30千瓦，現在就可以輸出50千瓦，這樣我的成本也大幅度下降。我的意思是，不管是搞石墨板的我們國內的主流，還是搞金屬板的，都要把電堆的工作電流密度提高上去，來趕上國際水平，兩者是一樣的，有人說石墨板不用提高，不用提高將來成本就把你擠下來了，所以我說石墨板也要提高，我們要改進MEA和電池的一致性和均勻性，改進組裝工藝，把這個事情做上去。我們電堆上去以后系統要配合，我認為燃料電池現在基本上不能說是個瓷器，但是至少是塑料的，不是鋼鐵的，所以系統是起一個保駕的作用，在一個適合它生存的環境中兩生存，這樣燃料電池的壽命才能達到要求。

 

       隨著關鍵材料的進步，我們的保護措施可以逐漸下降，但是目前還不能。舉個例子，如果我們做電催化劑要能抗1.6V的高壓不氧化，碳載體也不氧化，我的啟動、停車就沒有必要解決開路氧化問題，所以我們現在材料還跟不上去，從國際上看也沒有做到，我們燃料電池的壽命是電堆和系統雙方配合的結果，而不是電堆自己的努力，要兩方面結合起來。所以我們也要加強電堆部分、系統部分關鍵部件的研發。所以我建議：

 

       第一，盡快要完善燃料電池的產業鏈，建立擴散層碳紙生產線，大家好多人都在說，說我們產業鏈基本配全了，我認為這種小的像碳紙擴散層一定要建立生產線，目前還沒有。我們現在把注意力都集中在膜和雙極板上了。另外要發展空壓機和氫氣循環泵。

 

       第二，要提高電堆的工作電流密度，提高電堆的體積和重量比功率，降低電堆的成本，為開發乘用車奠定了基礎。因為乘用車一般希望把燃料的電堆和控制部分都放在前面內燃機、發動機這個部位。

 

       第三，要深入研發電堆的衰減機理，開發抗腐蝕、穩定的新材料，大幅度提高發動機的可靠性和耐久性。所以可靠性和耐久性是靠系統和電堆共同來決定的，電堆進步了系統我們就可以簡化，所以電堆和系統要相互配合，通過關鍵材料的進步來簡化電堆系統。

 

       第四，開展超低鉑和非鉑電催化劑的理論和應用研究，進一步把電池的鉑用量降低到每千瓦小于0.1克，這是國際上燃料電池的基本要求。

 

       第五，建立關鍵部件，電堆和電池系統的測試，與耐久性快速評價方法，這是我們現在燃料電池標委會正在做的一件事情，因為大家都說我是世界第一，到底是不是第一我們要有一個中立機構進行評選，有人說產業鏈建全了，我性能那么好，拿到中立機構去進行測試。

 

      所以我想，我們要盡快建立中立性的檢測機構，就是它本身不做燃料電池開發、也不做系統、也不做電堆，但是有一個檢測機構，這樣對推進我們燃料電池技術的進步，趕上世界水平會有重大作用。我希望我們燃料電池車盡快實現商業化的S型曲線的上升階段，到一定程度我們能甩開補貼，也能夠盈利，現在有人預計，燃料電池車從關鍵材料講，只要鉑用量降下來了，我們比鋰電池可能成本還要低，因為只有鉑是貴的，所以你要把鉑搞下來了，其他東西都是鋼鐵和有機的東西，完全可以降低成本，所以有跟鋰電池和燃油車競爭的基礎，但要靠我們技術人員的共同努力。