衣寶廉：車用燃料電池技術(shù)

1月11日~1月13日,以“汽車革命與交通、能源、城市協(xié)同發(fā)展”為主題的中國電動汽車百人會論壇(2019)在北京釣魚臺國賓館舉行。電車資源作為特邀新媒體參與報道本次論壇。

中國科學(xué)院院士衣寶廉在發(fā)言時表示,中國的車用燃料電池技術(shù)要降低成本,核心問題是提高功率電流密度和比功率。衣寶廉指出,目前國內(nèi)已經(jīng)具備進行大規(guī)模示范運行的條件,要盡快實現(xiàn)關(guān)鍵材料、電催化劑、質(zhì)子交換膜、膜電極三合一、雙極板等批量生產(chǎn),為降低電堆成本和提高電堆一致性奠定基礎(chǔ)。

中國科學(xué)院院士衣寶廉演講實錄如下:

尊敬的歐陽院士,各位領(lǐng)導(dǎo)、同行,上午好!我今天講的題目是“車用燃料電池技術(shù)”,我認為我們中國的車用燃料電池技術(shù)要降低成本,在國際上有競爭力,從電堆角度來看,現(xiàn)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(fā)展過程。

燃料電池的原理是電化學(xué),跟鋰離子電池完全是一樣的,但是燃料電池因為發(fā)電原理是電化學(xué),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(nèi)燃機,跟內(nèi)燃機完全一樣,燃料電池只是能量轉(zhuǎn)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(fā)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(nèi)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(nèi)燃機,現(xiàn)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(xiàn)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(nèi)燃機比,油箱用氫瓶代替,內(nèi)燃機是燃料電池發(fā)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(yōu)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(xiàn)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(xiàn)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(fā)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(fā)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(fā)出了燃料電池車,現(xiàn)代,歐洲定了 4 千臺左右的燃料電池車。從燃料電池來看,現(xiàn)在壽命已經(jīng)基本上達到了要求,加州 13 輛車已經(jīng)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(nèi) 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(chǎn)線。

從國際上看,燃料電池已經(jīng)進入了市場的導(dǎo)入階段,發(fā)動機的功率大幅度提升,用 70MPa氣瓶已經(jīng)可以跑 500 公里以上,負 30 度以上,基本上滿足了要求,現(xiàn)在問題是沒有大批量的生產(chǎn)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(wù)還是降低 pt 用量,降低催化劑燃料電池的成本。從國內(nèi)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(chuàng)新征程,證明電動車適應(yīng)中國的增程環(huán)境。

今年開始我們成立了氫能和燃料電池聯(lián)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(wù)上,已經(jīng)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(guān)鍵材料的技術(shù)研究與工程開發(fā),這個是大連新源動力承擔的,還有一個是濰柴的任務(wù),這兩個任務(wù)的錢是比較多的。

從現(xiàn)在來看,國家已經(jīng)在 2018 年有 57 家企業(yè)、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 多輛在 2018 年。各個城市、省市都動起來了,領(lǐng)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(tǒng)及零部件研發(fā)平臺、氫能產(chǎn)業(yè)公共服務(wù)平臺、燃料電池車運營保養(yǎng)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。遼寧省的新賓縣買了 60 輛,已經(jīng)開始示范運行,補貼后售價 30 萬元。上汽也開發(fā)了榮威 950,也可以公開出售。億華通跟神力合作已經(jīng)研制了 3 種類型的燃料電池發(fā)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(jīng)開始示范運行,張家口在中國還是比較寒冷的地區(qū),運行結(jié)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(yōu)越的,因為燃料電池車工作起來以后,它的溫度就是你設(shè)定的工作溫度,不像鋰離子電池受環(huán)境的影響比較大。

宇通已經(jīng)開發(fā)了三代燃料電池車,最主要的證明,就是證明在開空調(diào)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。我們國鴻已經(jīng)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(xiàn)在德國要搞輕軌運輸車,這個是很好的發(fā)展方向。

現(xiàn)在中國的加氫站 10 左右正在運行,明年預(yù)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?？茀f(xié)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(guān)的核心技術(shù),基本建立了具有自主知識產(chǎn)權(quán)燃料電池動力系統(tǒng)技術(shù)平臺,未來主要要加強協(xié)同創(chuàng)新,加快推進燃料電池產(chǎn)業(yè)的全面發(fā)展。

從國內(nèi)來看,我們已經(jīng)掌握了燃料電池的核心技術(shù),并經(jīng)過了大量的示范運行,積累了豐富經(jīng)驗,具備了進行大規(guī)模示范運行的條件。我們現(xiàn)在要盡快實現(xiàn)關(guān)鍵材料、電催化劑、質(zhì)子交換膜、膜電極三合一、雙極板等批量生產(chǎn),為降低電堆成本和提高電堆一致性奠定基礎(chǔ)。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(tǒng)的可靠性和耐久性。

從國際上來看,燃料電池車已經(jīng)達到了四缸內(nèi)燃機的體積水平,上次?？跁?本田宣布已經(jīng)達到了六缸內(nèi)燃機的水平,功率密度達到每立升 3 千瓦。我們國內(nèi)裝車的電堆現(xiàn)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(shù)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?nèi)剂想姵匕l(fā)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(xué)極化、歐姆極化和傳質(zhì)極化。

要降低化學(xué)極化,主要要搞高效的電催化劑,現(xiàn)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(xiàn)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(xué)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(xué)腐蝕,這是我們化物所做的結(jié)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(zhì)極化。像豐田,把二維流場改為三維流場以后,傳質(zhì)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(xiàn)在國內(nèi)在實驗室里面單池研究已經(jīng)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(fā)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(nèi)耗增加。我們要研究低內(nèi)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(guān)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(shù),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(shù)。另外,優(yōu)化電堆的結(jié)構(gòu)。

這是國內(nèi)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(fù)合板,現(xiàn)在新源用的主要是復(fù)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(xiàn)在在發(fā)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(xiàn)在有三代,開始都是做噴涂電機,后來是 CCM,現(xiàn)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(chǎn)技術(shù)也需要我們攻克,因為現(xiàn)在的噴涂技術(shù)不適合于幾百萬輛車的生產(chǎn)。

這是化物所的靜電噴涂技術(shù)。

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(gòu)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(shù)。

這是我們在堿性電池當中發(fā)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(shè)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(xiàn)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(jīng)達到了每公斤 400 瓦、每平方厘米 1 安培,現(xiàn)在正在改進向 2 安培走。如果我們現(xiàn)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(xiàn)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(lián)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(shù)就比較多了,原來輸出 30 千瓦,現(xiàn)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(nèi)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(tǒng)要配合,

我認為燃料電池現(xiàn)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(tǒng)是起一個保駕的作用,在一個適合它生存的環(huán)境中兩生存,這樣燃料電池的壽命才能達到要求。

隨著關(guān)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(xiàn)在材料還跟不上去,從國際上看也沒有做到,我們?nèi)剂想姵氐膲勖请姸押拖到y(tǒng)雙方配合的結(jié)果,而不是電堆自己的努力,要兩方面結(jié)合起來。所以我們也要加強電堆部分、系統(tǒng)部分關(guān)鍵部件的研發(fā)。所以我建議:

第一,盡快要完善燃料電池的產(chǎn)業(yè)鏈,建立擴散層碳紙生產(chǎn)線。大家好多人都在說,說我們產(chǎn)業(yè)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(chǎn)線,目前還沒有。我們現(xiàn)在把注意力都集中在膜和雙極板上了。另外要發(fā)展空壓機和氫氣循環(huán)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(fā)乘用車奠定基礎(chǔ)。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(nèi)燃機、發(fā)動機這個部位。

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

第四,開展超低鉑和非鉑電催化劑的理論和應(yīng)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(guān)鍵部件、電堆和電池系統(tǒng)的測試,與耐久性快速評價方法。這是我們現(xiàn)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(gòu)進行評選。所以我想,我們要盡快建立中立性的檢測機構(gòu),就是它本身不做燃料電池開發(fā)、也不做系統(tǒng)、也不做電堆,但是有一個檢測機構(gòu),這樣對推進我們?nèi)剂想姵丶夹g(shù)的進步,趕上世界水平會有重大作用。

我希望我們?nèi)剂想姵剀嚤M快實現(xiàn)商業(yè)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(xiàn)在有人預(yù)計,燃料電池車從關(guān)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(chǔ),但要靠我們技術(shù)人員的共同努力。

（來源：電車資源）