中国工程院院士衣宝廉

 

       中国电动汽车百人会论坛（2019）于2019年1月11日至13日在北京钓鱼台国宾馆召开。本次论坛以 “汽车革命与交通、能源、城市协同发展”为主题。围绕汽车零排放和电动化变革、能源转化及传统能源公司转型、未来交通和出行变革图景、下一代汽车关键技术发展、汽车智能化和网联化趋势、核心供应链培育、汽车生产组织方式变革、国际创新对接、产业政策调整等热点问题进行研讨。

 

      核心提示：中国工程院院士衣宝廉表示，中国车用燃料电池技术要降低成本，在国际上有竞争力，从电堆角度来看，现在的核心问题是提高功率电流密度和比功率。衣宝廉建议，应尽快要完善燃料电池的产业链，建立扩散层碳纸生产线。提高电堆的工作电流密度，提高电堆的体积和重量比功率，降低电堆的成本，为开发乘用车奠定了基础。要深入研发电堆的衰减机理，开发抗腐蚀、稳定的新材料，大幅度提高发动机的可靠性和耐久性。开展超低铂和非铂电催化剂的理论和应用研究，进一步把电池的铂用量降低到每千瓦小于0.1克，这是国际上燃料电池的基本要求。建立关键部件，电堆和电池系统的测试，与耐久性快速评价方法。

 

      以下是演讲实录：

 

       尊敬的欧阳院士，各位领导、同行，上午好！

 

       我今天讲的题目是“车用燃料电池技术”，我认为我们中国的车用燃料电池技术要降低成本，在国际上有竞争力，从电堆角度来看，现在的核心问题是提高功率电流密度和比功率。

先讲一下中国的发展过程。

 

       燃料电池的原理是电化学，跟锂离子电池完全是一样的，但是燃料电池因为发电原理是电化学，所以效率比较高，一般来说在车用是60%左右。

 

       燃料电池的工作方式是内燃机，跟内燃机完全一样，燃料电池只是能量转化的场所，因此它的燃料是储存在储罐当中，所以燃料电池是比较安全的，电堆里的能量很少，我搞了一辈子燃料电池，从来没有发生过燃烧和爆炸的事故，电堆出事情，只要把氢气切断电堆就安全了，所以燃料电池的工作方式是内燃机的，它的安全性比锂离子电池高。

 

       燃料电池在车上用，它就是代替了内燃机，现在燃料电池都是低电压工作、大电流，所以通过DC/DC升压，电电混合，这是中国“863”万部长、欧阳他们提出来的，现在国际通用。如果要搞增程式的，就避免不了锂离子电池爆炸的危险，采用电电混合，可以用超电容或者镍氢电池，所以燃料电池车是比较安全的。跟内燃机比，邮箱用氢瓶代替，内燃机是燃料电池发动机，排放物仅仅是水。燃料电池车跟电动车和插电式混合动力来比，它适合于大功率、长程的运输，所以适合于像公交车和重载车，在这方面有明显的优势。

 

       到2017年中国有了2千多辆燃料电池，昨天的报告说，2018年要有1500多辆，所以我们现在能有2400多辆燃料电池车在运行，要赶上美国了。国际电池现状，2014年12月15日，丰田宣布开始销售，同时专利开始无偿使用，所以这个对燃料电池发展是重大进步。

 

       由于燃料电池乘用车受加氢站的限制，所以丰田跟日野合作做了燃料电池大巴，准备作为奥运会的通勤车。最近丰田又开始跟美国的肯沃斯合作开发重载车，准备在美国的加州进行运行10辆，加州空气委员会提供了4500万美元的资助，这是燃料电池车首先能够代替柴油车的一个重点方向。

 

       本田2016年也开发出了燃料电池车，现代，欧洲定了4千台左右的燃料电池车。从燃料电池来看，现在寿命已经基本上达到了要求，加州13辆车已经运行了，奥克兰运行，达到2.5万小时。从pt用量来看，国际每千瓦0.2克，国内0.4克左右，欧洲又搞了第二次大巴车的示范运行。

 

       同时开始考虑建立燃料电池堆的生产线。

 

       从国际上看，燃料电池已经进入了市场的导入阶段，发动机的功率大幅度提升，用70MPa气瓶已经可以跑500公里以上，负30度以上，基本上满足了要求，现在问题是没有大批量的生产线、成本比较高，受加氢站的制约，所以将来从电堆、燃料电池角度，最主要的任务还是降低pt用量，降低催化剂燃料电池的成本。从国内来看，我们从2007年的上海比比登赛一直到2010年的世博会，我们进行了大量的燃料电池车运行。世博会之后上汽又搞了创新征程，证明电动车适应中国的增程环境。

 

       今年开始我们成立了氢能和燃料电池联盟，10月份在海口开了第一次论坛。国家来看，我们从资助任务上，已经资助了“十三五”期间8.27亿元的费用，两个重大项目，一个是低成本的燃料电池堆及关键材料的技术研究与工程开发，这个是大连新源动力承担的，还有一个是潍柴的任务，这两个任务的钱是比较多的。

 

       从现在来看，国家已经在2018年有57家企业、共86个车型入选，其中亿华通有23款、广东国鸿20款，我们这个车有1500多量在2018年。各个城市、省市都动起来了，领头的是上海，上海准备有400—500辆商用车进行示范运行，要建立三个平台，动力系统及零部件研发平台、氢能产业公共服务平台、燃料电池车运营保养中心。上海大通V80是世界上可以公开出售的第4个车型，轻型客车，卖30万元。我们辽宁省的新宾县买了60辆，已经开始示范运行，补贴后售价30万元。上汽也开发了荣威950，也可以公开出售。亿华通跟力神合作已经研制了3种类型的燃料电池发动机，30千瓦到60千瓦，都在装车示范运行。

 

       示范运行在张家口有74辆燃料电池车，有99辆福田车和25辆宇通12米的大巴车，已经开始示范运行，张家口在中国还是比较寒冷的地区，运行结果证明，在寒冷条件下，燃料电池车只要解决了启动问题，它还是比锂电池车优越的，因为燃料电池车工作起来以后，它的温度就是你设定的工作温度，不像锂离子电池受环境的影响比较大。

 

       宇通已经开发了三代燃料电池车，最主要的证明，就是证明在开空调的条件下百公里要消耗0.8公斤左右的氢，郑州也开始示范运行，除了在张家口以外。我们国鸿引进已经能够做30千瓦—80千瓦的燃料电池电堆，这是P30，这是85千瓦的，适合装大巴车，它在云浮市有70辆燃料电池车投入运行，佛山也搞了首辆轻轨车下线，现在德国要搞轻轨运输车，这个是很好的发展方向。

 

       现在中国的加氢站10左右正在运行，明年预计有100台左右，有人说40台，昨天听报告真正运行的是12台，运行最频繁的还是张家口、云浮和上海，加氢量最多的。

这是老的一些加氢站，这是可以做各种加氢实验的，在大连863支持的建立的新源动力的加氢站，还有宇通自己建的加氢站。在如皋神华建立最大的加氢站，每天加氢能力可以达到1千公斤。

 

       万钢在2017年未来出行上海科协年会上指出，氢燃料电池在寿命、可靠性、适用性上基本达到了车辆使用要求，中国初步掌握了相关的核心技术，基本建立了具有自主知识产权燃料电池动力系统技术平台，未来主要要加强协同创新，加快推进燃料电池产业的全面发展。

 

       从国内来看，我们已经掌握了燃料电池的核心技术，并经过了大量的示范运行，积累了丰富经验，具备了进行大规模示范运行的条件。我们现在要尽快实现关键材料、电催化剂、质子交换膜、膜电极三合一、双极板等批量生产，为降低电堆成本和提高电堆一致性奠定基础。要提高电堆的比功率，降低电堆成本和pt用量。进一步提高电堆系统的可靠性和耐久性。

 

       从国际上来看，燃料电池车已经达到了四缸内燃机的体积水平，上次海口会，本田宣布已经达到了六缸内燃机的水平，功率密度达到每立升3千瓦。我们国内装车的电堆现在大概都在每立升2.0千瓦左右，就是V80、荣威750和荣威950用的都是在这个数量级，所以我们输出功率我们的电堆比国外还是低1/3左右。

 

       要想降低我们燃料电池发动机的成本，特别是电堆成本，我们要提高单电池，首先要研究提高单电池的比功率，这个就是降低化学极化、欧姆极化和传质极化。

 

       要降低化学极化，主要要搞高效的电催化剂，现在国际上的通用是搞铂合金催化剂，核壳催化剂有三种办法来制备。这是化物所做的，超小铂铜合金催化剂，它的性能是现在碳铂催化剂的3—5倍，这是化物所做的铂镍纳米线的催化剂，性能也是碳铂催化剂的3倍多。有了高效的电催化剂，我们就可以提高电堆的电流密度，减少化学极化。同时我们要采用铂增强的混合膜，降低欧姆极化。通过增强膜就可以减播，另外通过过氧化物，可以减少膜的化学腐蚀，这是我们化物所做的结果，它的F释放率大幅度下降。

 

       这是Gore公司做的10—15微米的膜，我用薄膜就可以减少欧姆极化。另外要采用新型流场，降低传质极化。像丰田，把二维流场改为三维流场以后，传质极化就大幅度下降，这样我们的密度就可以提高到几个安培每平方厘米，这是它把原来的二维流场改为三维流场，电流密度就可以达到几安培每平方厘米。

 

       我们有了单池性能提高以后，现在国内在实验室里面单池研究已经达到了每平方厘米1安培的时候在0.7V以上，每平方厘米2安培在0.6V以上，我们正在向2.5安培进军。双堆可能每立方厘米1安培，以后要发展到2、2.5安培，这样我们电堆水平就可以达到丰田的水平以至于超过丰田的水平。

 

       从电堆角度来看，流场阻力越大电堆的一致性越好，但是供供气力加大，空压机内耗增加。我们要研究低内耗的空压机，才能保证我们电堆的高功率密度输出。另外我们要提高双极板制备的一致性，特别是平整度，不管是金属板还是石墨板，它的平整决定电堆一致性是关键因素。我们要改进制备MEA的一致性，特别是MEA的平整度和封边技术，因为燃料电池组装以后，在公用孔道里面膜会膨胀，会严重影响气流分布，所以在公用孔道里露出的膜全部封死，这样才能包装组装的阻力在运行当中不变化，所以MEA的制备核心是用薄膜和解决封边技术。另外，优化电堆的结构。

 

       这是国内采用的双极板，开始是无孔碳板或者是膜压的或者膨胀石墨的都属于这一类，还有复合板，现在新源用的主要是复合板，用金属做分割，0.1毫米的不锈钢板做分割，用碳板来做流场，现在在发展的就是金属板。

 

       金属板可以使电堆功率密度提高，这是化物所做的金属双极板，基本上达到了我们的使用要求。

 

       从电极制备来看现在有三代，开始都是做喷涂电机，后来是CCM，现在装机用的电堆主要是第二代电极，第二代电极的批量生产技术也需要我们攻克，因为现在的喷涂技术不适合于几百万辆车的生产。

 

       这是化物所的静电喷涂技术。

 

       要改进电堆的组装工艺，因为电堆都是按压力机方式组装起来的，主要构成是双极板和MEA、密封件，所以这个组装要有严格的工艺和定位技术。

 

       这是我们在碱性电池当中发展出来的，因为把密封和MEA的压伸要有效配合起来，把各种组件要一致、高度也一定，我设计这个电堆以后我就知道最后组装的高度是多少，有了这个公式就可以组装出一个均匀的电堆。

 

       这是我们化物所装出来的每立升3.0千瓦的电堆，现在我们的工作电流密度还是1安倍，我们希望能够尽快的提到1.5和2安培。

 

       这是它的改进型，已经达到了每公斤400瓦、每平方厘米1安培，现在正在改进向2安培走。如果我们现在能够做到每平方厘米2安培，我们的pt用量就跟丰田国际水平一样，每千瓦0.2克，现在我们还是0.4克左右。我们的体积比功率可能达到每立升3百多千瓦，就跟国际水平靠拢了。所以希望我们搞燃料电池的人大家联合起来，尽快的把我们国家燃料电池的工作电流密度和比功率提上去，你搞石墨板，可能体积密度比功率低一点，但是你也要把电流密度提上去，电流密度提上去，pt用量就下来了。电流密度提上去了，因为燃料电池是按千瓦来卖钱的，1千瓦多少钱，而不是说这个堆多少钱，所以千瓦上去了、电流密度上去了，这个堆输出的千瓦数就比较多了，原来输出30千瓦，现在就可以输出50千瓦，这样我的成本也大幅度下降。我的意思是，不管是搞石墨板的我们国内的主流，还是搞金属板的，都要把电堆的工作电流密度提高上去，来赶上国际水平，两者是一样的，有人说石墨板不用提高，不用提高将来成本就把你挤下来了，所以我说石墨板也要提高，我们要改进MEA和电池的一致性和均匀性，改进组装工艺，把这个事情做上去。我们电堆上去以后系统要配合，我认为燃料电池现在基本上不能说是个瓷器，但是至少是塑料的，不是钢铁的，所以系统是起一个保驾的作用，在一个适合它生存的环境中两生存，这样燃料电池的寿命才能达到要求。

 

       随着关键材料的进步，我们的保护措施可以逐渐下降，但是目前还不能。举个例子，如果我们做电催化剂要能抗1.6V的高压不氧化，碳载体也不氧化，我的启动、停车就没有必要解决开路氧化问题，所以我们现在材料还跟不上去，从国际上看也没有做到，我们燃料电池的寿命是电堆和系统双方配合的结果，而不是电堆自己的努力，要两方面结合起来。所以我们也要加强电堆部分、系统部分关键部件的研发。所以我建议：

 

       第一，尽快要完善燃料电池的产业链，建立扩散层碳纸生产线，大家好多人都在说，说我们产业链基本配全了，我认为这种小的像碳纸扩散层一定要建立生产线，目前还没有。我们现在把注意力都集中在膜和双极板上了。另外要发展空压机和氢气循环泵。

 

       第二，要提高电堆的工作电流密度，提高电堆的体积和重量比功率，降低电堆的成本，为开发乘用车奠定了基础。因为乘用车一般希望把燃料的电堆和控制部分都放在前面内燃机、发动机这个部位。

 

       第三，要深入研发电堆的衰减机理，开发抗腐蚀、稳定的新材料，大幅度提高发动机的可靠性和耐久性。所以可靠性和耐久性是靠系统和电堆共同来决定的，电堆进步了系统我们就可以简化，所以电堆和系统要相互配合，通过关键材料的进步来简化电堆系统。

 

       第四，开展超低铂和非铂电催化剂的理论和应用研究，进一步把电池的铂用量降低到每千瓦小于0.1克，这是国际上燃料电池的基本要求。

 

       第五，建立关键部件，电堆和电池系统的测试，与耐久性快速评价方法，这是我们现在燃料电池标委会正在做的一件事情，因为大家都说我是世界第一，到底是不是第一我们要有一个中立机构进行评选，有人说产业链建全了，我性能那么好，拿到中立机构去进行测试。

 

      所以我想，我们要尽快建立中立性的检测机构，就是它本身不做燃料电池开发、也不做系统、也不做电堆，但是有一个检测机构，这样对推进我们燃料电池技术的进步，赶上世界水平会有重大作用。我希望我们燃料电池车尽快实现商业化的S型曲线的上升阶段，到一定程度我们能甩开补贴，也能够盈利，现在有人预计，燃料电池车从关键材料讲，只要铂用量降下来了，我们比锂电池可能成本还要低，因为只有铂是贵的，所以你要把铂搞下来了，其他东西都是钢铁和有机的东西，完全可以降低成本，所以有跟锂电池和燃油车竞争的基础，但要靠我们技术人员的共同努力。