衣宝廉：车用燃料电池技术

1月11日~1月13日,以“汽车革命与交通、能源、城市协同发展”为主题的中国电动汽车百人会论坛(2019)在北京钓鱼台国宾馆举行。电车资源作为特邀新媒体参与报道本次论坛。

中国科学院院士衣宝廉在发言时表示,中国的车用燃料电池技术要降低成本,核心问题是提高功率电流密度和比功率。衣宝廉指出,目前国内已经具备进行大规模示范运行的条件,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。

中国科学院院士衣宝廉演讲实录如下:

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,油箱用氢瓶代替,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 多辆在 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。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。亿华通跟神力合作已经研制了 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。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。

（来源：电车资源）