中國工程院衣寶廉：提高車用燃料電池可靠性與耐久性

8月30日～9月1日，“2019中國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展（泰達(dá)）國際論壇”在天津濱海新區(qū)舉行。本次論壇以“全面深化改革開放，發(fā)展壯大新動能”為主題，圍繞未來政策動向、汽車新四化、深化改革和加強國內(nèi)外品牌合作、自動駕駛和人工智能等前沿趨勢、燃料電池重點難點問題等展開交流探討。以下為中國工程院院士衣寶廉現(xiàn)場演講實錄：

中國工程院院士 衣寶廉

演講內(nèi)容：

尊敬的楊院士、李院士、高書記以及各位嘉賓，下午好！

我講的題目是提高車用燃料電池的可靠性和耐久性。我分兩部分進(jìn)行演講，第一部分簡單介紹一下國內(nèi)外燃料電池車的現(xiàn)狀，下一部分是怎么提高燃料電池的可靠性和耐久性。

原料電池的原理是電化學(xué)，因此效力比較高，燃料電池的工作方式是內(nèi)燃機的，跟鋰電池比它的能量不是儲存在電池里，所以盡管燃料電池的膜也有破的時候，但是破了電壓下降，我們把氫氣關(guān)掉，不會產(chǎn)生燃燒和爆炸，所以燃料電池是比較安全的，能量和轉(zhuǎn)化系統(tǒng)是分開的。

把燃料電池裝到車上，現(xiàn)在一般都是混合動力的、電電混合的、直驅(qū)的方式，不是充電式。跟燃油車相比，用氫瓶代替了油箱，有燃料電池發(fā)動機代替了內(nèi)燃機，得到的好處就是排放沒有了，就是排放水，代價現(xiàn)在就是運行費用高、發(fā)動機成本高，兩個貴。

燃料電池車的性能現(xiàn)在從續(xù)駛里程、加氫的時間，從駕駛?cè)藛T的感受以及舒適性、適應(yīng)性都達(dá)到了燃油車的水平，因此如果不存在兩高，燃料電池完全可以代替燃油車，但是它有兩個最大的攔路虎，一個是發(fā)動機的成本比較高，一臺燃料電池車的售價是燃油車的一倍，比如說大巴車，柴油車賣一百多萬，燃料電池車賣到二百多萬，小轎車也是這種狀況。再有運行費用比較貴，運行費用現(xiàn)在用市電電解水，做氫。 燃油車一百公里大概消耗七八升油，也就是40多塊錢，一公斤氫七八十，運行費用比較高，費用最低的鋰電池車，跑一百公里平均15度電左右，一度電一塊錢，才15塊錢，所以燃料電池車要想大規(guī)模應(yīng)用，還要把兩高消滅掉。一公斤氫賣40塊錢左右，我想燃料電池車是可以普及的，這個時間我預(yù)計還要三年到五年左右。

現(xiàn)在燃料電池發(fā)動機從體積來看，已經(jīng)可以跟內(nèi)燃機相比，去年在?？陂_會，本田說已經(jīng)達(dá)到了內(nèi)燃機的水平，乘用車都超過了5000小時，大巴車達(dá)到了20000多小時，時間壽命還是可以的，但不是每一輛都能達(dá)到這種水平。從造價來看還是比較貴的，這里有一個不僅僅是價錢，還有資源的限制，就是鉑的用量問題，現(xiàn)在一千瓦國際上用鉑是0.2克，國內(nèi)降到了0.3克左右，要想成百萬輛的生產(chǎn)需要降到0.1克以下，現(xiàn)在實驗室已經(jīng)達(dá)到了這個要求，所以鉑用量不是一個核心因素了，原來我們看得很重，但是由于功率的提高和催化劑活性的提高，鉑的問題現(xiàn)在看來有希望了。

國內(nèi)從2001年成立電動汽車國家專項以來到現(xiàn)在就做這方面的研究，到現(xiàn)在有20年的時間了。我們從2005年以后，整車開始跑了，2007年參加了上海大賽，2008年奧運會有23輛燃料車參與運行，2007年有16輛轎車到美國加州進(jìn)行了實驗，2010年有一輛大巴到新加坡參加了世青賽，196輛燃料電池車參加了上海世博會的示范運行，所以國際上看中國示范的燃料電池車還是比較多的，積累了豐富經(jīng)驗。但是在世博會以前的示范著眼點不是經(jīng)濟，不是做一臺車花多少錢，運行一百公里花多少錢，而是著眼燃料電池車能不能適用，著眼的是技術(shù)問題。那個時候的示范叫技術(shù)性的示范，現(xiàn)在也叫示范，產(chǎn)業(yè)化的初始階段，但是這個示范是經(jīng)濟性的示范，我考察經(jīng)濟上可不可行。

在奧運會示范以后上汽搞了一個創(chuàng)新征程，分南線和北線，它的目的就是考察三種電動車，鋰電池車、燃料電池車和混合動力車對中國環(huán)境的適應(yīng)性。所有的車都在西藏進(jìn)行了預(yù)熱，當(dāng)時我最擔(dān)心的燃料電池車在西藏能不能跑起來，實驗結(jié)果還是能跑，速度上不去，因為西藏的氧濃度只有10%，所以三種車在我國的地理環(huán)境下不管是沿海還是內(nèi)地，都能行。所以這個示范還是行成功的。

另一個大行動的是2018年2月11日成立了中國的氫產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。我們國家的大國企，像能源集團、“三桶油”都在能源聯(lián)盟里，所以它是發(fā)展氫能和燃料電池的中流砥柱，國企還是有雄厚的資金實力，所以聯(lián)盟的成立現(xiàn)在又發(fā)表了白皮書。

2018年“十三五”支持燃料電池的經(jīng)費已經(jīng)達(dá)到了8個多億，還有最后一批沒放下來，拿得最多的一個是北方團隊，就是大連化物所，搞燃料電池基礎(chǔ)研究，4900萬，還有上汽的第一大股東，拿了一億兩千五百多萬，還有1.8個億。

這個公告已經(jīng)過時了，現(xiàn)在又多了好多。

現(xiàn)在裝車的電堆大部分還是卡補貼的，以30千瓦起步，上限是60千瓦。國際上裝車的都是100千瓦左右，我們的功率相比來講還是低的，特別是做乘用車，乘用車燃料電池的功率要是五六十千瓦，就得依靠鋰離子電池，所以鋰離子電池的不安全性帶到了燃料電池車上。所以乘用車用的燃料電池應(yīng)該在100千瓦數(shù)量級。到現(xiàn)在，要按車數(shù)算，大概有4000多輛車投放了市場，但是我得到的消息是有2000多輛車在運行。

成本占比燃料電池堆這上面寫的是大約50%，現(xiàn)在實際裝車燃料電池的成本已經(jīng)達(dá)到了60%到70%，因為空氣循環(huán)泵和氫瓶都大幅度下降了，原先在國內(nèi)裝車是1：1，現(xiàn)在電堆的成本已經(jīng)上升到70%左右。

國內(nèi)到現(xiàn)在有23個省市相繼發(fā)布了氫能和燃料電池的發(fā)展計劃，所以國內(nèi)很熱。我認(rèn)為基礎(chǔ)最好的還是以上海為中心的長三角地區(qū)，他們有三大平臺，示范的車輛也近千輛，所以發(fā)展基礎(chǔ)是最雄厚的，其次是珠三角，廣東省為核心的，還有就是北方以清華、億華通支撐起來的，和宇通公司，以冬奧會為突破口，所以燃料電池三個示范比較好的地方，長三角、珠三角和張家口地區(qū)。

現(xiàn)在的車國內(nèi)公開出售的商用車是V80，V80是上汽大通做的，發(fā)動電堆是大連新源的，遼寧省想買60輛，實際到貨是40輛，在新賓縣運行。

乘用車方面，也是上汽裝的榮威950，在黑龍江跑了，可以在零下20度儲存和使用，用的是復(fù)合板的電堆，性能還不錯，可以公開買到。

億華通收購了神力，能夠組裝三種類型的電，30千瓦的電堆和60千瓦的電堆，它這個電堆是石墨粉和樹脂沖壓出來的，所以這個雙基板電導(dǎo)低一點，但是很實用，跟新源的復(fù)合板可以相比，實際豐田也是復(fù)合板。億華通在電池系統(tǒng)方面是第一把交椅。

宇通做得比較多，已經(jīng)是第四代了，自己建了加氫站，億華通和宇通的客車在張家口，大客車一共是74輛，利用億華通的技術(shù)福田裝了49輛，宇通提供了25輛，這74輛車在張家口跑的非常好。得出的結(jié)論，燃料電池車非常適合于寒冷地區(qū)的運行，因為鋰離子電池車在冬天負(fù)30度的時候油量比較大，如果開空調(diào)續(xù)駛里程大幅度下降，燃料電池工作溫度是靠自己的余熱，所以冬天跟夏天沒什么影響，夏天排熱挺困難，冬天可以用燃料電池的余熱，因為它是80度給大客車取暖，空調(diào)還不耗電，所以說得出來一個結(jié)論，在張家口示范運行。燃料電池車特別適合于寒冷環(huán)境下的示范運行，不但里程不縮短，能量利用效率由于空調(diào)不用開，還提高了。

我上面講的兩種不管是上汽跟新源，還是億華通和神力這都是國產(chǎn)技術(shù)。下邊就是國鴻，膨脹石墨雙基板，把膨脹石墨沖壓成型，往里面灌樹脂，這種電堆體積比在1.5-1.8，很低，但是很靠譜。所以國鴻生產(chǎn)的電堆在國內(nèi)示范車當(dāng)中的占有率達(dá)到了70%-80%，國內(nèi)跑的好幾千輛車有70%-80%的電堆出自國鴻，生產(chǎn)線是新源的一個部長搞起來的。

而且國鴻引進(jìn)除了30千瓦、50千瓦，還有80千瓦、85千瓦，85千瓦裝大巴車就更好了。同時他們在云浮利用這種電堆裝了城市的輕軌下線示范運行了，所以說國內(nèi)兩條路這兩條路走的都不錯。

所以我們現(xiàn)在看來，國內(nèi)電堆已經(jīng)超過了5000小時，達(dá)到了一萬多兩萬小時，跑車也跑出來了，但不是每一輛，不光國鴻的電堆還是新源的國鴻，還是神力的國鴻都跑過了5000小時和10000小時。我們也成長起來一些企業(yè)，但是我們的問題就是產(chǎn)業(yè)鏈還不全，大部分的關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)鏈還是依賴進(jìn)口。現(xiàn)在裝車的電堆都是在每立升兩千瓦左右，正在發(fā)展的以新源動力以及國內(nèi)其他一些公司都做到了每立升三千瓦，但是這些電堆裝車是裝了，但是還沒有跑過5000、10000，要把這個數(shù)據(jù)跑出來才能說達(dá)到了國外的水平，在這個過程當(dāng)中還有很長的路要走。

這是新源動力裝的金屬板電堆，這個電堆它是75千瓦，正常輸出功率，峰值功率是85，已經(jīng)達(dá)到了每立升3.4千瓦，正在裝車跑。所以萬部長在長春的科學(xué)年會上講了，國內(nèi)燃料電池在壽命、可靠性、使用性上基本達(dá)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)的燃料電池汽車動力系統(tǒng)技術(shù)平臺，未來要加強協(xié)同創(chuàng)新，加快推進(jìn)氫能燃料電池產(chǎn)業(yè)的全面發(fā)展。我總結(jié)了幾點。

第一，我們積累了大量的示范經(jīng)驗，具備了進(jìn)行大規(guī)模示范，考核經(jīng)濟性的基礎(chǔ)。

第二，我們應(yīng)該盡快實現(xiàn)關(guān)鍵材料、電催化劑、質(zhì)子交換膜、雙極板等批量生產(chǎn)，為強電堆成本和提高電堆一致性奠定基礎(chǔ)。

第三，提高電堆的比功率，降低電堆成本和鉑用量。燃料電池車發(fā)展了二三十年，成本降下來主要是提升比功率，一開始國內(nèi)國外每平方厘米是300毫安，后來升到了500-800毫安，第三階段是800到1個安培，現(xiàn)在是1-1.5安培，將來的發(fā)展方向是2-3安培，如果能做到2.5-3安培每平方厘米，燃料電池的成本就能達(dá)到每千瓦一千塊錢，鉑用量就小于0.1克，別的都不用改，所以說提高電堆的比功率是降低電堆成本的最有效的辦法。

第四，我們要進(jìn)一步提高電堆的可靠性和耐久性，為什么要這樣做呢？因為現(xiàn)在燃料電池堆里用的材料把氫氣和氧氣送進(jìn)去要穩(wěn)定的開，在車用工況下很快垮了。我們要把給燃料電池堆制造一個非常溫馨的，適合它生存的環(huán)境，來確保燃料電池的壽命。

下邊我就講這部分。第一就是工況，車開起來一會兒加速、一會兒減速，一會兒停車，導(dǎo)致燃料電池堆電流電壓大幅度波動，濕度、壓力都是波動的，所以這些波動就導(dǎo)致催化劑腐蝕，化學(xué)損傷，頭三輛大巴車都不到一個月全部都死掉了。

那么解決的措施，第一件事情就是電電混合，司機把油門踩下去，這個電大概毫秒級到微秒級就變化了，可是燃料電池把電發(fā)出來，空氣氧氣要送進(jìn)去，這個時間是秒級的，所以燃料電池就跟不上，它就欠氣，要反擊和腐蝕。一開始做純?nèi)剂想姵剀嚕瑖庠趺醋瞿?？要延遲幾秒，實驗室要做出來，司機踩油門先把氣量增加，包括開始買的外國的純的燃料電池車都有預(yù)供氣，也就是說踩下去都有延遲，根據(jù)速度不一樣，延遲時間不一樣。

采用了電電混合以后，駕駛性能達(dá)到了燃油車的要求，踩下以后鋰離子電池先給驅(qū)動電機供電，燃料電池增加氣體，同時增加功率輸出，燃料電池功率輸出增加鋰離子電池往下降，最后都是燃料電池，鋰離子少的時候給鋰離子充電，所以說這個電電混合是必須的，被全世界采用。這個就是我們國家以萬鋼為代表的搞車的同志提出來的，不是可有可無的事，純?nèi)剂想姵剀嚲褪且氐筋A(yù)供氣那個階段，它的操作方式跟燃油車不一樣。司機的感受不一樣，馬上是加速不了的，這就是說燃料電池它的功率增加是有一定的限制，得把氣供上，所以電電混合以后就解決了這個問題。

二是電池使燃料電池運用更平穩(wěn)、壽命更長。像豐田為了安全不用鋰電池，也有用超電容的，這就是解決了快速加載的問題。

第二個是開路、怠速、低載都會產(chǎn)生低電壓。在0.85以上，碳粉的氧化速度也加快，這都會產(chǎn)生鉑的流失，鉑的流失以后用鉑越來越少，所以壽命就會縮短，要控制燃料電池的電壓在0.85伏以下，就要限制這些高電位，特別是啟動停車。啟動停車會造成鉑大量的流失。啟動停車最有效的辦法是采用放電，把高電位消除。高電位不消除，啟動停車一次每衰減0.35伏。消除以后基本上就平穩(wěn)了，像豐田的電堆，一個電堆370節(jié)，這是變成一節(jié)的。

再有一個，低溫，水結(jié)冰體積會增加，所以一定要解決低溫儲存和啟動問題。那么低溫儲存一定要電池里邊有三種水，一個跟磺酸結(jié)合的束縛水，一個是自由活動的自由水，還有是介于之間的。結(jié)合里越強結(jié)冰溫度越低，所以在低溫下燃料電池要把自由水全部吹光，這樣的話結(jié)冰以后才不會破壞膜和電機的結(jié)構(gòu)，所以說啟動的時候可以用二次電池等就可以啟動起來了。

豐田為了更好的解決這個問題，它可以現(xiàn)場測量水含量?，F(xiàn)在國內(nèi)清華大學(xué)和化物所都能做到這一點了。最后一個就是陽極水管理，燃料電池的水是在氧電極生成的。所以不能叫氫電極表面有機水，要搞陽極的氫循環(huán)，氫循環(huán)搞起來陽極就沒有水了，一件事情可以延長燃料電池的壽命2000小時以上。

在中國還有一個特點就是氯化氫和二氧化硫，二氧化硫?qū)θ剂想姵厥且粋€累計性的毒物，二氧化硫多了以后性能比較下降，我們買德國的三輛大巴，在北京開兩三個月不行了，后來說是因為北京市的二氧化硫的影響。所以二氧化硫可以用高電位方法掃描清除，但是性能不會恢復(fù)到原有的。我們所搞了電化學(xué)氧化，靠吸附器來吸附二氧化硫，我們用電化學(xué)的辦法把二氧化硫氧化為三氧化硫，氧化就是要做一個電化學(xué)反應(yīng)器，電量消耗很少，空氣當(dāng)中的二氧化硫是PPM極。作為燃料電池除了解決那些問題，我們還要借助鋰電池車的經(jīng)驗結(jié)果電安全問題，還要解決氫安全問題。要建立燃料電池健康狀態(tài)的指示。這個車是黃燈還是紅燈，紅燈得停了，紅燈是檢修了，綠燈是正常的，另外在突發(fā)事故的時候，怎么把燃料電池的電堆電壓從200多伏怎么降到安全電壓60伏以下，這些工作我們都在做，都有了一些結(jié)果。

所以我建議盡快完善燃料電池發(fā)動機的產(chǎn)業(yè)鏈，提高電堆的工作電流密度，提高燃料電池的體積和重量比功率，為乘用車奠定基礎(chǔ)。另外深入研發(fā)電堆衰減機理，開發(fā)抗腐蝕、大幅度提高發(fā)動機的可靠性與耐久性，希望我們在2023-2025年把燃料電池車的成本降到跟鋰離子電池車比較近的水平。