工程院院士衣寶廉：燃料電池汽車發(fā)展現(xiàn)狀與遠(yuǎn)景

2021年9月3日-5日，由中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司、中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)、中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)、中國(guó)汽車報(bào)社聯(lián)合主辦，天津經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)管理委員會(huì)特別支持，日本汽車工業(yè)協(xié)會(huì)、德國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)聯(lián)合協(xié)辦的第十七屆中國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展(泰達(dá))國(guó)際論壇(以下簡(jiǎn)稱泰達(dá)汽車論壇)于2021年9月3日-5日在天津市濱海新區(qū)召開。

在9月5日“熱點(diǎn)聚焦：新示范政策引領(lǐng)下的燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)化突破路徑”中，中國(guó)工程院院士衣寶廉發(fā)表了題為“燃料電池汽車現(xiàn)狀與愿景”的主旨演講。

中國(guó)工程院院士 衣寶廉

以下為演講實(shí)錄：

各位領(lǐng)導(dǎo)和專家大家好，我的報(bào)告題目是燃料電池汽車現(xiàn)狀與愿景。

習(xí)主席在2020年9月22日宣布在七十五屆聯(lián)大會(huì)議上宣布，中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)在2030年達(dá)到高峰，努力爭(zhēng)取2060年實(shí)現(xiàn)碳中和。要實(shí)現(xiàn)30-60碳達(dá)峰碳中和，必須大力發(fā)展可再生能源，利用可再生能源電解水制備綠氫，即可實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能和可再生能源的再分配，還可實(shí)現(xiàn)難于脫碳領(lǐng)域如交通、冶金、建筑等領(lǐng)域的脫碳。

燃料電池汽車的產(chǎn)業(yè)化是氫能應(yīng)用的突破口，我們要堅(jiān)持自主創(chuàng)新，突破卡脖子技術(shù)，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵材料與部件的批量生產(chǎn)，大幅度降低燃料電池車、加氫站建設(shè)和氫源的成本，盡快實(shí)現(xiàn)燃料電池汽車的產(chǎn)業(yè)化。

燃料電池的發(fā)電原理是電化學(xué)，因此它的轉(zhuǎn)化效率比較高，可以達(dá)到60%左右，燃料電池主要是由電解質(zhì)膜、電催化劑、擴(kuò)散層和雙極板等關(guān)鍵材料構(gòu)成。燃料電池的工作方式是內(nèi)燃機(jī)的，它要構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)，燃料電池是發(fā)電的場(chǎng)所。這個(gè)系統(tǒng)是由燃料電池電堆、燃料供給系統(tǒng)、氧化劑供給系統(tǒng)、水液管理系統(tǒng)、電控系統(tǒng)來構(gòu)成，因此燃料電池是比較安全的。如果燃料電池堆發(fā)生故障，只要把氫源切斷，不會(huì)產(chǎn)生燃燒和爆炸。另外，燃料電池比能量非常高，可以達(dá)到每公斤0.5~1千瓦每小時(shí)，因此它特別適合于重載車和長(zhǎng)途車。

把燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)裝到車上，我們用氫瓶來代替油箱，用燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)來代替內(nèi)燃機(jī)，得到的好處就是沒有尾排，尾排僅僅是水。

燃料電池車的構(gòu)型，燃料電池是由燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)來推動(dòng)的，那么燃料電池通過大電流、低電壓的發(fā)電設(shè)備，通過DC/DC來增壓，和二次電池進(jìn)行混合推動(dòng)電機(jī)，電機(jī)來推動(dòng)燃料電池車。燃料電池車特別適合長(zhǎng)途重載車。燃料電池的優(yōu)點(diǎn)一是能量比較高，另外電堆和氫罐是分開的，因此比較安全。第三個(gè)燃料電池續(xù)駛里程，加氫時(shí)間駕駛的舒適型均可與燃油車媲美。

但是燃料電池要想產(chǎn)業(yè)化，必須攻克：一是目前燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)貴導(dǎo)致一輛燃料電池車的售價(jià)是燃油車的兩倍到三倍、鋰離子電池車的1.5到2倍。二是加氫站建設(shè)費(fèi)用比較高，達(dá)到每個(gè)加氫站1200萬(wàn)元到1500萬(wàn)元，在加氫站加氫的費(fèi)用比較高，達(dá)到60-80元，只有降到30元以下才能和燃油車競(jìng)爭(zhēng)，因此要實(shí)現(xiàn)無(wú)補(bǔ)貼的燃料電池商業(yè)化，必須大幅度降低燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的成本和氫氣成本，同時(shí)降低加氫站的建設(shè)費(fèi)用。

國(guó)家為了解決卡脖子技術(shù)問題和實(shí)現(xiàn)燃料電池車的產(chǎn)業(yè)化，提出了燃料電池車示范城市群的意見。現(xiàn)在這個(gè)已經(jīng)通過了初步評(píng)審，很快就會(huì)宣布。

那么要想降低燃料電池電堆的成本，我們必須提高電堆的比重率。二是實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵材料，電催化劑、質(zhì)子交換膜、雙極板、膜電極三合一和電堆批量生產(chǎn)。三是依據(jù)工況和電堆適宜的運(yùn)行條件制定控制策略，確保電池系統(tǒng)的可靠性與耐久性。四是燃料電池的PEMFC典型極化曲線，它由三部分反映出，一個(gè)是歐姆極化，一個(gè)是擴(kuò)散極化，還有一個(gè)最大的化學(xué)極化。我們一定要降低這三個(gè)極化，才能夠大幅度提高燃料電池堆的比功率。

另外燃料電池車所用的電堆是用鉑來做催化劑的，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)達(dá)到了每千瓦0.3克鉑，國(guó)際上達(dá)到了每千瓦0.2克鉑左右，我們要降到0.1克鉑以下才能實(shí)現(xiàn)燃料電池商業(yè)化。

我們所做的國(guó)家Pt38催化劑，已經(jīng)在新源動(dòng)力車上通過實(shí)驗(yàn)。這是我們做的超小鉑銅合金催化劑，這個(gè)催化劑活性是碳鉑3.8倍，我們正在想辦法商業(yè)化。

再一個(gè)就是減少膜的厚度，這是我們?cè)u(píng)價(jià)的杜邦公司生產(chǎn)各種厚度的膜，我們發(fā)現(xiàn)膜越薄電池性能越好，但是膜薄了以后要提高機(jī)械強(qiáng)度，減少化學(xué)衰減。這是我們做的用PGFE增強(qiáng)膜，厚度可以比現(xiàn)在用的Aafion更薄，但是它的強(qiáng)度并不下降，另外我們?cè)谀だ锟梢约佑凶杂苫吡袆﹣頊p少膜的化學(xué)腐蝕。

這是我們做的戈?duì)柕某∧?，厚度可以達(dá)到7.5到8微米，性能現(xiàn)在是燃料電池當(dāng)中的最薄的膜。有了膜，有了催化劑，那么我們就要制備MEA，現(xiàn)在膜電極三合一有三種制法，常規(guī)方法就是主要是用涂抹電極，這是最傳統(tǒng)的方法。第二種方法是CCM，把催化劑加料噴涂到膜上，這種是現(xiàn)在電動(dòng)車用的最普遍的制備方法。第三種方法是有氣化電極，可以大幅度減少極化，現(xiàn)在還在發(fā)展當(dāng)中。

這是我們所發(fā)明的利用高電壓來噴涂，而不是用機(jī)械噴涂制備膜電極的方法。這種方法制備出來的膜催化成可以達(dá)到一定有序化，性能可以一定提高，每平方厘米2.1瓦左右。

這是圍繞適應(yīng)批量生產(chǎn)，我們正在發(fā)展的狹縫模具式涂布和輥式涂布。這兩種方法都可以實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，我們想在這種方法加上電位，使催化繩具有一定的有序化，來提高電極的性能。

有了MEA我們要裝電堆還需要雙極板，現(xiàn)在有三類雙極板，有金屬板，金屬板上面要有一個(gè)涂層，還有復(fù)合板，用金屬做基底，做分割氣體的基底。另外加上一個(gè)擴(kuò)散層，就是一個(gè)導(dǎo)電的氣體分配層。雖然國(guó)內(nèi)新源動(dòng)力采用碳分散層，豐田采用的是網(wǎng)狀留層，還有一個(gè)是用機(jī)加工做的碳無(wú)孔金屬石墨碳板。

我們做的金屬板，我們已經(jīng)解決了金屬板的沖壓工藝和焊接工藝。正在做表面改進(jìn)，已經(jīng)在車上進(jìn)行考驗(yàn)壽命還是很好的，表面涂層還是很好的。這是我們發(fā)展了3D流場(chǎng)，在流場(chǎng)當(dāng)中加入一定角度的擋板，這樣的話可以改進(jìn)氣體向催化層的傳旨，因此要解決排水和傳旨當(dāng)中的矛盾，要選擇一個(gè)合適的角度。

如果有了雙極板，有了MEA，有了密封件，我們就可以檢驗(yàn)電堆，電堆是按照按壓力機(jī)方式進(jìn)行組裝的。那么在組裝電堆的時(shí)候，要考慮好MEA的壓拉和變形，這里有一個(gè)公式，通過大量實(shí)驗(yàn)做出公式，通過這個(gè)公式在做沒裝堆之前設(shè)計(jì)高度，這個(gè)電堆才能更均勻。這是我們裝的100千瓦的電堆，它的平方差達(dá)到0.12毫伏，我們希望降到15個(gè)毫伏，現(xiàn)在正在改進(jìn)。

燃料電池的成本如果實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，它的成本會(huì)大幅度下降，所以現(xiàn)在在五部委城市群示范計(jì)劃領(lǐng)導(dǎo)下，我們先要解決卡脖子技術(shù)問題，解決批量生產(chǎn)問題，來大幅度降低燃料電池成本，使它能夠接近鋰電池電動(dòng)車成本，這樣燃料電池車在重載和長(zhǎng)途運(yùn)輸車就可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

我們解決了卡脖子技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)，我們還要?jiǎng)?chuàng)新驅(qū)動(dòng)來解決燃料電池的技術(shù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)燃料電池乘用車的商業(yè)化。

第一我們要簡(jiǎn)化電池系統(tǒng)和電堆結(jié)構(gòu)，降低燃料電池發(fā)動(dòng)成本和延長(zhǎng)電堆壽命。比如采用薄膜、氫空逆流，可以去除增濕器。陽(yáng)極水管理、消除局部反極，延長(zhǎng)電堆壽命。我們可以消除擴(kuò)散層，來降低電堆成本。

另外我們要研發(fā)高溫膜和抗毒的電催化劑，降低氫氣成本。研發(fā)高溫膜，使燃料電池在近200度工作，即抗一氧化碳的毒化作用，又有利于燃料電池提高電堆一致性，進(jìn)而提高工作電流密度和電堆比功率，利用有序化電極應(yīng)用，大幅度降低鉑用量。

我們要研發(fā)抗毒的陽(yáng)極電催化劑，讓燃料電池能吃粗氫，降低燃料電池的成本，實(shí)現(xiàn)乘用車和商用車的商業(yè)化。

氫源現(xiàn)在有三種來源，一個(gè)化石燃料制氫，一個(gè)工業(yè)富產(chǎn)氫，還有一個(gè)電解水制備綠氫。富產(chǎn)氫最好的只要脫除氯就可以了，合成氨工業(yè)的釋放氣必須脫除微量的氨，丙烷脫氫丙烯必須脫除烴類。

發(fā)展精準(zhǔn)對(duì)燃料電池有毒雜質(zhì)的凈化方法，制訂標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)定檢測(cè)方法和設(shè)備，達(dá)到精準(zhǔn)的富產(chǎn)氫的凈化來降低氫的成本。

化石燃料制氫技術(shù)比較成熟，成本比較低，但要將二氧化碳封存，因此煤制氫每標(biāo)方0.8元，天然氣制氫不高于2塊錢。因此日本在澳洲搞褐煤制氫，二氧化碳封存，通過甲基環(huán)已烷至日本，再脫氫為甲苯，制取氫氣。另外在沙特用天然氣重整制氫，將氫液化再運(yùn)到日本。我建議利用我們電解水制氫的副產(chǎn)氧、進(jìn)行煤制氫，收集產(chǎn)生的二氧化碳注入油井，來提高產(chǎn)油率。另外開發(fā)天然氣催化裂解制備氧氣和固體碳，提高氫氣的純度和減少二氧化碳的排放。

電解水制氫可再生能源，我們可再生能源棄風(fēng)、棄水、棄光于電解可制氫300萬(wàn)噸左右。

現(xiàn)在電解水制氫有三種電解水方法，一個(gè)是SOEC電解，一個(gè)是質(zhì)子膜電解和堿性電解三種電解技術(shù)，這三種方法我們國(guó)家堿水電解法是世界上售價(jià)最低的，我們質(zhì)子交換膜正在進(jìn)行兆瓦極的實(shí)驗(yàn)建廠。

大連化物所發(fā)展燃料電池的同時(shí)就開始發(fā)展電解水制氫，開始制訂堿水電解，進(jìn)而搞了質(zhì)子交換膜電解，現(xiàn)在已經(jīng)做到300千瓦電解槽，已經(jīng)跟陽(yáng)光電源簽訂了合作協(xié)議。我們的大面積的電解水達(dá)到三百到五百千瓦，兆瓦級(jí)的氫能科技示范，國(guó)網(wǎng)在安徽搞的，準(zhǔn)備試驗(yàn)我們兆瓦級(jí)的電解膜交換水。

長(zhǎng)距離輸送也是氫比較大的問題，氫的長(zhǎng)距離輸送有三種方案可選，一個(gè)是制氫送到天然氣管網(wǎng)，跟天然氣一起送到用戶。再一個(gè)可再生能源電解水制氫，將氫綠化，用車送到各個(gè)能源。第三個(gè)就是可再生能源電解制氫根收集二氧化碳進(jìn)行合成甲醇，我們李燦院士進(jìn)行了這方面研究。

我建議利用三北地區(qū)豐富的水電、風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電，大力發(fā)展質(zhì)子交換膜電解水制氫，送入天然氣管網(wǎng)，在需要?dú)錃獾牡胤?，?dāng)氫濃度大于5%時(shí)，可采用膜分離從天然氣氫混合物中提取純氫。當(dāng)氫濃度低時(shí)，可抽取等熱值天然氣進(jìn)行重整制氫，在近海地區(qū)發(fā)展海上風(fēng)電，電解水制氫，利用氫氣管道，輸送海港，將氫液化作為商品，也可用列管車送至附近的加氫站。加氫站也可以建立電解水制氫裝置和天然氣重整制氫裝置。

氫安全，最后一個(gè)問題，人們已經(jīng)習(xí)慣于汽油作燃料，對(duì)于氫氣還缺乏了解，要利用氫氣易于檢測(cè)，擴(kuò)散速度快，在可能有氫泄漏的地方加上氫氣傳感器，當(dāng)氫濃度高于千分之五時(shí)，聯(lián)動(dòng)風(fēng)機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)，確保氫安全。所以我們主張就是要做廉價(jià)的、可靠的氫氣傳感器，同時(shí)不管是室內(nèi)和室外，在氫氣可能泄漏的地方都加上氫氣傳感器和聯(lián)動(dòng)風(fēng)機(jī)。這樣來確保室內(nèi)和室外，特別是加氫站和制氫場(chǎng)所的氫安全。

氫是向上跑的，所以汽油車都燒沒有了，氫氣車還是完整的。另外挪威加氫站爆炸，爆炸以后加氫站形狀還存在。要是俄羅斯汽油加氫站爆炸以后，基本上看不到了。所以利用氫擴(kuò)散速度比較快這一點(diǎn)和容易檢測(cè)這一點(diǎn)，我們確保氫安全。現(xiàn)在全世界有三萬(wàn)到四萬(wàn)輛燃料電池車在運(yùn)行，沒有一輛燃料電池車發(fā)生燃燒和爆炸。

最后我們講一下結(jié)語(yǔ)，實(shí)現(xiàn)燃料電池關(guān)鍵材料和部件的產(chǎn)業(yè)化并批量生產(chǎn)，同時(shí)提高電堆的比功率就可以大幅度降低燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的成本，進(jìn)而降低燃料電池車的成本。靠技術(shù)創(chuàng)新，簡(jiǎn)化電堆結(jié)構(gòu)和電池系統(tǒng)，采用超低鉑有序化電極化大幅度降低鉑用量，將燃料電池車的成本降到鋰離子電動(dòng)車水平，并實(shí)現(xiàn)乘用車商業(yè)化。二、大力發(fā)展可再生能源電解水制備綠氫，采用天然氣或純氫管網(wǎng)輸送氫氣，加氫站加的氫可降至每公斤30元以下，車的運(yùn)行費(fèi)用就可以和燃油車競(jìng)爭(zhēng)了。三、實(shí)現(xiàn)氫氣壓縮機(jī)，高壓儲(chǔ)氫瓶和加氫機(jī)等國(guó)產(chǎn)化和批量生產(chǎn)，建油、氫、電合建站，就可以大幅度降低加氫站的建設(shè)費(fèi)用，待加氫站達(dá)到一定密度，再示范商業(yè)化乘用車。

謝謝大家!