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。本次論壇以 “汽車革命與交通、能源、城市協(xié)同發(fā)展”為主題，圍繞汽車零排放和電動化變革、能源轉(zhuǎn)化及傳統(tǒng)能源公司轉(zhuǎn)型、未來交通和出行變革圖景、下一代汽車關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展、汽車智能化和網(wǎng)聯(lián)化趨勢、核心供應(yīng)鏈培育、汽車生產(chǎn)組織方式變革、國際創(chuàng)新對接、產(chǎn)業(yè)政策調(diào)整等熱點問題進行研討。

 

       在1月13日上午進行的燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)化的路徑與保障主題峰會上，加拿大工程院院士，南方科技大學(xué)千人計劃的特聘專家教授王海江發(fā)表了主題演講。

 

       以下是演講實錄：

 

       尊敬的衣寶廉院士，各位領(lǐng)導(dǎo)，各位嘉賓，大家上午好！

 

       感謝電動汽車百人會的邀請，今天能有機會在這里跟大家分享燃料電池技術(shù)發(fā)展里面我的一些領(lǐng)悟。如果說我自己對燃料電池技術(shù)發(fā)展這方面的理解有所錯誤的話，希望大家能有所原諒。

 

       我們知道燃料電池并不是一個新的概念，兩百多年以前就有了燃料電池這個概念。準確的說，1801年，英國人哈姆戴維首次描述了燃料電池的概念，后來到1838年，另外一個英國科學(xué)家克瑞斯又詳細描述了燃料電池整個工作原理，不過在這以前，沒有真正燃料電池的工作，所以大家很多就把這兩個人忘記了。到了1839年，英國的科學(xué)家威廉姆他真正作出了一個燃料電池，當(dāng)時他用硫酸溶液加上膜電極就發(fā)明了燃料電池，后來經(jīng)過三年的努力，他把50個燃料電池串聯(lián)在一起，有一定的功率產(chǎn)生出來了。他把它叫做氣體電池，但是他用這種設(shè)備比較簡陋，盡管50個電池串聯(lián)在一起，也沒有多大的功率發(fā)出來。正因為他功率的限制，所以在后來100多年的歷史中間就沒有人再進一步去開發(fā)這個燃料電池技術(shù)。不管怎么樣，威廉姆因為他是第一次作出了這個燃料電池，所以我們到目前為止，也稱他為燃料電池之父。

 

       我們希望分析一下威廉姆他的電池究竟缺少什么，到現(xiàn)在我們可以有比較好的理解，作為一個電化學(xué)的能量轉(zhuǎn)化裝置，必須具備兩個關(guān)鍵的技術(shù)。第一個關(guān)鍵的技術(shù)就是固體電解質(zhì)，另外一個關(guān)鍵技術(shù)就是氣體擴散電極，到現(xiàn)在我們也知道鋰電池這方面，我們也在追求同樣的技術(shù)，比如固態(tài)電解質(zhì)，鋰電池在追求固態(tài)電池，就把電解液變成固態(tài)。做出來這樣一個器件，它就能比較緊密，有更大的功率輸出出來。另外一個重要的技術(shù)就是氣體擴散電極，氣體擴散電極把我們過去電化學(xué)能量轉(zhuǎn)化裝置這樣一個表面反應(yīng)變成一個區(qū)域性的反應(yīng)，這樣能夠讓電極反應(yīng)的動力學(xué)有數(shù)量級的提高，所以才能有真正的應(yīng)用。我在一個一本書里看到這樣一段描述，為什么蘇聯(lián)燃料電池技術(shù)遠遠落后于歐美的燃料電池技術(shù)呢？那是因為蘇聯(lián)前面一個電化學(xué)泰斗不相信氣體擴散電極，所以他不讓發(fā)展氣體擴散電極，導(dǎo)致蘇聯(lián)燃料電池技術(shù)遠遠落后于歐美燃料電池技術(shù)。但不管這個說法是否正確，總體來說，氣體擴散電極把我們從面反應(yīng)到區(qū)域反應(yīng)，使燃料電池能有比較好的應(yīng)用。

 

       到了50年代的時候，美國的公司GE他就利用了固體電解質(zhì)加上氣體擴散電極這樣一個概念，就發(fā)明了質(zhì)子交換膜燃料電池。他把這樣一個燃料電池做到了1.5千瓦，七次成功運用于美國的航天任務(wù)，所以到這個階段就是燃料電池它有了真正的應(yīng)用。

 

       我們看一下GE的燃料電池它的特點，它的特點就是利用了這種固體的電解質(zhì)作為它器件的質(zhì)子交換膜。那時候電池并不是我們現(xiàn)在說的這個電池，但其實是一個內(nèi)容。它的電極是用什么呢？它的陰極和陽極把PTFE放在一起，放在金屬上面，作為它的電極，它用的鉑的載量是28mg pt/cm2，今天我們一看燃料電池就發(fā)現(xiàn)它有一些問題。問題在哪呢？它用的鉑載量實在太高了，所以不可能廣泛來使用。但是在當(dāng)時因為它的一是用于航天這個任務(wù)，所以價格我們是不考慮的。但它最主要的問題就是它一方面電電導(dǎo)率很低，所以效率很低，另一方面對水特別敏感，沒有水的時候，有裂縫，就不能使用了，所以這是它最主要的問題。另外一個問題這個電解質(zhì)里面既有碳氫件，又有苯環(huán)在里面，它的壽命非常低，電池做了以后，很快性能就會下降。這是GE燃料電池主要的問題。

 

       在后面幾十年，其實沒有大的發(fā)展，只有到了80年代末90年代初的時候，加拿大科學(xué)家杰弗瑞.巴勒德他在巴勒德（音）公司就采用了一種不同的電解質(zhì)，用于它的燃料電池。不同的地方就是他用了商業(yè)性的部件用在燃料電池里面，取得非常大的成功。在后面十年左右的發(fā)展里面，從這個圖里可以看到燃料電池從幾百瓦慢慢發(fā)展到幾十千瓦，成功作出了第一輛燃料電池汽車，就是NECAR1，把燃料電池做了進一步的發(fā)展。到目前為止，巴勒德燃料電池基本奠定了現(xiàn)代燃料電池技術(shù)的基礎(chǔ)，它完全可以用作商業(yè)化的產(chǎn)品。在那時候也有一些問題，巴勒德燃料電池仍然存在著性能要繼續(xù)提升，壽命有一定的挑戰(zhàn)，價格上也有很大的挑戰(zhàn)。另外一個就是氫的基礎(chǔ)設(shè)施問題，這個問題一直也是存在到我們今天。

 

       在當(dāng)時為了解決氫基礎(chǔ)設(shè)施的問題，美國能源部就專門有一個工作小組來計劃這個。結(jié)果認為我們現(xiàn)在沒有氫的基礎(chǔ)設(shè)施，但是我們可以想一個辦法，這個辦法就是叫Onboard Referming，比如用天然氣、汽油，或者軍方把美國的標(biāo)準航空油，這樣就不需要氫基礎(chǔ)設(shè)施的問題了，因為我加油站到處都有，這個問題就容易解決了。當(dāng)時美國能源部這個項目里面Onboard Referming占據(jù)了非常重要的地位，大部分錢都投在這邊了。但是Onboard Referming它有一個根本的問題，做的時候，你必須去除里面的一氧化碳。要去除這個一氧化碳，大型的效率更高，小型的非常困難。如果你要做到一氧化碳在PPM水平的話，價格就上去了，沒辦法解決這個問題。后來整個Onboard Referming這個項目持續(xù)了幾年以后，就證明是徹底失敗的一條途徑。燃料電池汽車的發(fā)展不能依賴于這個，就是純氫放在汽車上，主流的技術(shù)仍然要么是高壓的氫氣，要么就是液態(tài)的氫氣，最后成了燃料電池汽車發(fā)展的主要路線。其他一些辦法都是我們過去做了很多，而且證明在車上應(yīng)用是不可行的一條路線，證明是失敗的。

 

       另外，當(dāng)時燃料電池里面存在的問題，如果放在車上，我們就有一個散熱的問題。同時動力學(xué)還是不夠，如果提高溫度的話，動力學(xué)就可以解決，一些雜質(zhì)污染等等，所有這些問題解決，都指向一個目標(biāo)，那就是高溫燃料電池。有了高溫燃料電池以后，雜質(zhì)也不怕了，活性也提高了，散熱也不成問題了，所以對于我們來說，那是非常理想的一種狀態(tài)。這時候美國能源部成立了高溫燃料電池小組，也做了很多年的工作，不同的膜、不同的催化劑等等，做了很久，最終一個問題就是高溫燃料電池壽命的問題。到目前為止仍然沒有解決，高溫燃料電池在燃料電池發(fā)展的技術(shù)里面也是一個失敗的途徑。當(dāng)然是非常理想的，將來如果有可能的話，當(dāng)然還是希望能夠達到，但是在目前這個狀態(tài)下，它是一個不可行的路線。

 

       燃料電池的技術(shù)也經(jīng)過了很多彎路，但是大家最后認識到還是以巴勒德燃料電池奠定了這個基礎(chǔ)，是我們主流的一條發(fā)展路線。剛才談到它有很多價格的問題、性能的問題、壽命的問題，希望也能得到進一步的解決，提升燃料電池具體的要求。在這個過程里面，其中一個就是質(zhì)子交換膜，質(zhì)交換膜是當(dāng)時整個燃料電池里面最貴的一個部件，怎么去解決？有很多的研究，包括芳香類型這樣一種膜，巴勒德自己有一個公司是專門做芳香類型的質(zhì)子交換膜，花了很多錢，最后證明是失敗的。過去我們不理解，現(xiàn)在我們終于理解了，為什么是因為燃料電池里面在操作過程中要產(chǎn)生自由基，自由基會進攻膜，膜會降解。所有這些芳香類型的大部分都有苯環(huán)在里面，如果有苯環(huán)的話，它的壽命就不能保證，所以只有全氟磺酸膜才能經(jīng)受起這樣的考驗，它的壽命才能達到我們的要求。最后這個發(fā)展，產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，基本上就是芳香類型的膜都是失敗的，只能停留在學(xué)術(shù)研究這個地步，沒有真正的用到產(chǎn)業(yè)化里面。

 

       全氟磺酸膜也有一些技術(shù)上的改進，一個技術(shù)改進就是樹脂的改進，影響壽命的一些關(guān)鍵因素，杜邦后來都把這些因素解決了。另外膜的制作工藝，早期的時候都是熱柱擠出來這樣的膜，它的厚度比較厚。工藝做好了以后，就可以把這個膜做的非常薄。后來就是提高它的機械性能，讓這個膜做的更薄，最后加進去一些自由基催眠劑，基本上讓膜的壽命能夠滿足我們現(xiàn)在商業(yè)化產(chǎn)品的需要。

 

       催化劑方面也是經(jīng)歷了很多很多曲折的路線，我們知道催化劑，我們認為是燃料電池里面最貴的一個部件，這方面的研究特別多。基本上分為兩類，一類就是鉑系催化劑，另外一類就是非鉑催化劑，非鉑催化劑很多論文發(fā)表，但是基本上也是停留在學(xué)術(shù)的基礎(chǔ)上，沒能真正的用到燃料電池產(chǎn)品里面。鉑系催化劑也是經(jīng)過了一系列的技術(shù)改進才達到我們今天的要求，一種改進是Supported，這是美國國家實驗室首次提出了這樣一個催化劑的概念，用了Supported以后，可以成功把催化劑10微克降到1微克這樣的數(shù)量級。后來我們認識到催化劑大小的控制，這方面進一步解決。后來另外一個進展就是HSC Support，我們用了高比表面積的Support以后，性能提高了很多，再加上高溫處理以后，使得催化劑的穩(wěn)定性得到了很大的提高，所以就發(fā)展到我們今天這樣一個催化劑。

 

       膜電極技術(shù)，包括氣體擴散層的技術(shù)，沒有太大的改變。最早期的時候，我們拿不定主意，要碳布還是要碳紙，最后經(jīng)過一系列認證，最終確認碳是我們發(fā)展的目標(biāo)，各個做燃料電池的公司基本上目前都不再考慮碳布。碳紙要做疏水處理，要加微孔層，我們現(xiàn)在的技術(shù)是碳紙由幾個大公司生產(chǎn)的，大概一百多微米到兩百個微米氣體擴散層。最新的研究發(fā)現(xiàn)，如果把氣體擴散層能夠降到一百個微米的話，燃料電池的電流可以很容易達到2.5安培到3安培的數(shù)量級，所以后面的發(fā)展很可能要朝著更薄的氣體擴散層發(fā)展。

 

       膜電極它的技術(shù)飛躍就是CCM飛躍，早期我們在巴勒德都是把催化劑涂在電極上，用一個熱壓過程來制作這個膜電極。后來格爾發(fā)明把電極涂在膜上，把催化劑的量更容易降低，這是一個技術(shù)上的飛躍。膜電極的制作上，像巴勒德早期的技術(shù)全部是膜電極做好了以后，把封邊用硅膠全部封起來，這樣一個技術(shù)，這個過程里面有好幾分鐘的時間，所以是不利于規(guī)�；�生產(chǎn)�，F(xiàn)在這個技術(shù)基本上都是朝著規(guī)�；�方向來發(fā)展。

 

       另外，雙極板，雙極板一直是一個比較爭議的問題，它有兩個路線，一個就是金屬雙極板，一個是石墨雙極板。石墨雙極板的發(fā)展也是最早期的時候是用燒結(jié)石墨，后來這種技術(shù)基本上不用了�，F(xiàn)在用的最多的就是柔性石墨，冷沖壓，把它沖壓成我們雙極板。因為它材料的限制，不能把它做的特別薄。最新的發(fā)展，以日本為代表的碳復(fù)合材料，碳復(fù)合材料是碳粉加樹脂，熱成型，這樣把石墨雙極板基本做到金屬雙極板厚薄比較接近的程度。比如加拿大巴勒德最新的極板和NFCC的極板基本可以做到一個雙極板一毫米的厚度，和金屬極板已經(jīng)非常接近了。

 

       金屬極板的發(fā)展也是非常曲折的，早期的時候，大家都是鍍金、氮化等等，后來證實基本是不太可行。最新的基本上都是基材選用不銹鋼，用碳鍍層，這樣一個金屬雙極板基本能滿足我們的要求。但是在這里面我還要指出一點，金屬雙極板大家都是按照美國能源部的要求來做的。比如腐蝕電流，十的負六次方，我認為這個對大家是有一個誤導(dǎo)作用的。等一會兒詳細講一下為什么美國能源部這個對大家有一個誤導(dǎo)的作用。

 

       Stack這方面沒有太多發(fā)展，只不過早期的時候像巴勒德四個部件放在一起，用一個內(nèi)部的部件把這四個部件連在一起，非常貴，經(jīng)過很長時間以后，我們用外部分流的技術(shù)，可以把幾個stack串聯(lián)在一起。另外一個改進，過去用很多螺絲把它串起來，現(xiàn)在基本都用扎帶的方式扎在一起，這樣就比較緊湊。除此之外，它一個重要的，扎帶有一定的彈性，在燃料電池操作過程中，比如它的膨脹與收縮，能協(xié)調(diào)它，端板上不需要再加什么東西了。你用螺桿的時候，端板上一定要加?xùn)|西來調(diào)節(jié)它的壓力變化，現(xiàn)在就沒有了。另外一個很重要的問題，膜電極的性能，單電池的性能越來越好，Low cell的問題解決了，一致性非常好，這樣就可以去掉CVM。在早期的時候，我們操作非常不穩(wěn)定，必須加一個CVM，一旦監(jiān)測到有一些單電池性能特別低了，我就趕快把這個電堆停掉，以保持我這個電堆，現(xiàn)在基本上這些都不需要了。

 

       總結(jié)來說，燃料電池其實經(jīng)過了一個比較崎嶇的路線，發(fā)展到我們現(xiàn)在這樣一個技術(shù)。總結(jié)一下這個技術(shù)，產(chǎn)業(yè)化用的這個燃料電池，質(zhì)子交換膜、全氟磺酸膜re-enforce，15個微米左右，再加催眠劑，這是我們膜的技術(shù)。催化劑，陽極催化劑一定要加抗反擊的催化劑，應(yīng)急催化劑，高比表面積的碳戰(zhàn)勝氟，讓它的抗氧化性能夠提高。氣體擴散層基本就是150微米-200微米這樣的氣體擴散層，雙極板可以是金屬雙極板，也可以是石墨雙極板。電堆，捆綁式，沒有CVM這樣一個裝置。在系統(tǒng)上的重要進展，就是氫氣循環(huán)泵的使用。氫氣循環(huán)泵的使用免除了很多LOW re-enforce的概念，對電堆的循環(huán)降低了很多，氫氣循環(huán)泵的使用使燃料電池的壽命增加很多。大部分車用的電池都是大概在100%的加濕，我們是需要一個空氣壓縮機，把空氣的壓力提高在1兆帕左右這樣一個壓力，電流操作密度基本上是1-1.2安培，這是大部分燃料電池現(xiàn)有的技術(shù)狀態(tài)。

 

       根據(jù)過去燃料電池技術(shù)的發(fā)展，我有自己一些看法，這些看法不一定準。如果不準的話，希望大家能夠原諒。其中一個就是質(zhì)子交換膜，整個燃料電池的技術(shù)不會再有大的改變，不會有很多新的概念出來�；�本上是要在這個基礎(chǔ)上，進一步的技術(shù)上再進一步提升。質(zhì)子交換膜很可能下一步，我們現(xiàn)在是15微米，很可能將來要朝更薄，比如10微米這個方向發(fā)展。膜薄了以后，它有一個好處，你的電阻就會下降，水管理就會提高，很有可能薄的這個膜，外部的加濕器就不需要了。這是比較關(guān)鍵的技術(shù)，另外就是陰極催化劑，我們希望這個載體一定要高溫處理，讓它的抗氧化性提高，這樣可以提高壽命。碳紙的發(fā)展方向，我剛才講了，像一些巴勒德傾向于用比較薄的碳紙，比如100微米的碳紙，可以大大提高氣體擴散的性能，以至于把電流密度可以提高到2-3安培中間。這是一個發(fā)展的方向。

 

       另外一個方向，我剛才提到了，美國能源部對金屬雙極板它的指標(biāo)問題，十的負六次方，不信的話可以做一個計算，在它生命周期里面，基本腐蝕一克左右的鐵金屬出來。一克的金屬對于一個極板來說，沒有大的影響，因為它一百多克，掉了一克，看起來它沒有大的影響，但是它對膜電極的影響非常大。比如15微米的膜，整個膜的重量也不過就是一克左右。如果一克的鐵放在你這個膜里面，你想這個膜能受得了嗎？而且我們研究已經(jīng)知道，鐵的量必須控制在幾個PPM以下才可以。這種操作，我滿足美國能源部的這個指標(biāo)，金屬雙極板沒有問題，但是在實際操作里面還是有很大的問題存在。

 

       我們自己認為金屬雙極板目前能量密度的雙極板，石墨雙極板是長壽命的雙極板，但是你只提高能量密度，不提高壽命，仍然不能作為一個產(chǎn)品來使用。我相信在今后幾年里面，金屬雙極板可能會慢慢退出燃料電池產(chǎn)業(yè)化的市場。石墨雙方極板會占有一定的優(yōu)勢，另外一個很重要的問題，系統(tǒng)的簡化。在我們過去的發(fā)展里面，我們電堆確實這幾年的發(fā)展速度非�？臁Ｎ覀儚墓β拭芏壬隙加泻艽蟮脑黾�，價格上也有很大的下降。但是燃料電池系統(tǒng)方面的發(fā)展卻沒有跟上，所以現(xiàn)在如果一味的追求燃料電池電堆的功率密度，其實意義不大。為什么呢？因為電堆在你系統(tǒng)體積里面現(xiàn)在基本上是四分之一的空間，如果你不改變系統(tǒng)這個，永遠不能提高功率密度。另外按照我們現(xiàn)在這種情況，系統(tǒng)的價格要高于電堆的價格。你不解決系統(tǒng)價格問題，只解決電堆價格問題，那也是一個重要的問題。

 

       系統(tǒng)究竟應(yīng)該怎么樣來發(fā)展？我認為在后面的發(fā)展里面，系統(tǒng)是要大大的簡化。其中一個就是加濕器占重要的價格的一個部件，很可能慢慢要去掉加濕器。另外就是我們的材料上的發(fā)展，比如氣體擴散就非�？欤�我們在高電流的時候也不會有擴散的影響。我們很可能在慢慢的往低壓這個方向走，在這種情況下，對于有些做部件的公司，如果你這個公司只做加濕器或者只做空壓機，你要考慮，將來發(fā)展是不是你就出局了，不在這里面了。你要考慮發(fā)展一些其他的產(chǎn)品。

 

       另外一個重要的發(fā)展就是電流密度將來肯定是在2.5-3安培這樣一個操作。這是燃料電池技術(shù)發(fā)展它的一個趨勢，根據(jù)這些分析，我們自己是怎么做的？我們在南方科技大學(xué)，我們也做一些產(chǎn)業(yè)化的開發(fā)。在過去三年的時間，我們基本上是成立了三個公司，這三個公司我們是從燃料電池關(guān)鍵材料、燃料電池電堆一直到燃料電池系統(tǒng)，我們都在做。關(guān)鍵材料方面，我們現(xiàn)在已經(jīng)有氣體擴散層的這種生產(chǎn)設(shè)備。今年就開始規(guī)�；�的生產(chǎn)，基本上一年這個產(chǎn)能是10萬平米，是沒有問題的。另外，我們也在做10微米質(zhì)子交換膜，同時開發(fā)催化劑，一些應(yīng)用就是在小型風(fēng)能電堆上面，我們也做一些應(yīng)用。電堆的這個公司目前是膜電極的批量化生產(chǎn)，我們有30千瓦模塊的燃料電池系列產(chǎn)品，30千瓦、60千瓦、90千瓦這樣一個電堆的產(chǎn)品。燃料電池系統(tǒng)方面，我們目前是在開發(fā)45千瓦-60千瓦這樣一個燃料電池系統(tǒng)，這是我們?nèi)齻�燃料電池公司。

 

       我們希望我們這個公司在打造燃料電池汽車前端的產(chǎn)業(yè)鏈，仿照美國特斯拉的做法，從材料一直到一個系統(tǒng)，這樣的話，我們的價格就會有比較大的競爭力。另外，前面大家都公認的，材料、電堆、系統(tǒng)這中間必須得匹配，不能說只發(fā)展一個，你這個方向就可能偏掉。我們這三個方面都做，我們可以讓我們的材料、電堆、系統(tǒng)都更有技術(shù)上的合理性，把價格降到最低，以實現(xiàn)燃料電池規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化。

 

       這是今天我向各位嘉賓匯報的全部內(nèi)容。謝謝大家！