中國(guó)工程院院士衣寶廉

 

       中國(guó)電動(dòng)汽車百人會(huì)論壇（2019）于2019年1月11日至13日在北京釣魚臺(tái)國(guó)賓館召開。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(dòng)化變革、能源轉(zhuǎn)化及傳統(tǒng)能源公司轉(zhuǎn)型、未來(lái)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(shì)、核心供應(yīng)鏈培育、汽車生產(chǎn)組織方式變革、國(guó)際創(chuàng)新對(duì)接、產(chǎn)業(yè)政策調(diào)整等熱點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行研討。

 

      核心提示：中國(guó)工程院院士衣寶廉表示，中國(guó)車用燃料電池技術(shù)要降低成本，在國(guó)際上有競(jìng)爭(zhēng)力，從電堆角度來(lái)看，現(xiàn)在的核心問(wèn)題是提高功率電流密度和比功率。衣寶廉建議，應(yīng)盡快要完善燃料電池的產(chǎn)業(yè)鏈，建立擴(kuò)散層碳紙生產(chǎn)線。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)乘用車奠定了基礎(chǔ)。要深入研發(fā)電堆的衰減機(jī)理，開發(fā)抗腐蝕、穩(wěn)定的新材料，大幅度提高發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和耐久性。開展超低鉑和非鉑電催化劑的理論和應(yīng)用研究，進(jìn)一步把電池的鉑用量降低到每千瓦小于0.1克，這是國(guó)際上燃料電池的基本要求。建立關(guān)鍵部件，電堆和電池系統(tǒng)的測(cè)試，與耐久性快速評(píng)價(jià)方法。

 

      以下是演講實(shí)錄：

 

       尊敬的歐陽(yáng)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(rèn)為我們中國(guó)的車用燃料電池技術(shù)要降低成本，在國(guó)際上有競(jìng)爭(zhēng)力，從電堆角度來(lái)看，現(xiàn)在的核心問(wèn)題是提高功率電流密度和比功率。

先講一下中國(guó)的發(fā)展過(guò)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?yàn)榘l(fā)電原理是電化學(xué)，所以效率比較高，一般來(lái)說(shuō)在車用是60%左右。

 

       燃料電池的工作方式是內(nèi)燃機(jī)，跟內(nèi)燃機(jī)完全一樣，燃料電池只是能量轉(zhuǎn)化的場(chǎng)所，因此它的燃料是儲(chǔ)存在儲(chǔ)罐當(dāng)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(lái)沒有發(fā)生過(guò)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(jī)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(jī)，現(xiàn)在燃料電池都是低電壓工作、大電流，所以通過(guò)DC/DC升壓，電電混合，這是中國(guó)“863”萬(wàn)部長(zhǎng)、歐陽(yáng)他們提出來(lái)的，現(xiàn)在國(guó)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(xiǎn)，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(jī)比，郵箱用氫瓶代替，內(nèi)燃機(jī)是燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)，排放物僅僅是水。燃料電池車跟電動(dòng)車和插電式混合動(dòng)力來(lái)比，它適合于大功率、長(zhǎng)程的運(yùn)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(shì)。

 

       到2017年中國(guó)有了2千多輛燃料電池，昨天的報(bào)告說(shuō)，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(yùn)行，要趕上美國(guó)了。國(guó)際電池現(xiàn)狀，2014年12月15日，豐田宣布開始銷售，同時(shí)專利開始無(wú)償使用，所以這個(gè)對(duì)燃料電池發(fā)展是重大進(jìn)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(zhǔn)備作為奧運(yùn)會(huì)的通勤車。最近豐田又開始跟美國(guó)的肯沃斯合作開發(fā)重載車，準(zhǔn)備在美國(guó)的加州進(jìn)行運(yùn)行10輛，加州空氣委員會(huì)提供了4500萬(wàn)美元的資助，這是燃料電池車首先能夠代替柴油車的一個(gè)重點(diǎn)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(tái)左右的燃料電池車。從燃料電池來(lái)看，現(xiàn)在壽命已經(jīng)基本上達(dá)到了要求，加州13輛車已經(jīng)運(yùn)行了，奧克蘭運(yùn)行，達(dá)到2.5萬(wàn)小時(shí)。從pt用量來(lái)看，國(guó)際每千瓦0.2克，國(guó)內(nèi)0.4克左右，歐洲又搞了第二次大巴車的示范運(yùn)行。

 

       同時(shí)開始考慮建立燃料電池堆的生產(chǎn)線。

 

       從國(guó)際上看，燃料電池已經(jīng)進(jìn)入了市場(chǎng)的導(dǎo)入階段，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率大幅度提升，用70MPa氣瓶已經(jīng)可以跑500公里以上，負(fù)30度以上，基本上滿足了要求，現(xiàn)在問(wèn)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(lái)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(guó)內(nèi)來(lái)看，我們從2007年的上海比比登賽一直到2010年的世博會(huì)，我們進(jìn)行了大量的燃料電池車運(yùn)行。世博會(huì)之后上汽又搞了創(chuàng)新征程，證明電動(dòng)車適應(yīng)中國(guó)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�？陂_了第一次論壇。國(guó)家來(lái)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(fèi)用，兩個(gè)重大項(xiàng)目，一個(gè)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(gè)是大連新源動(dòng)力承擔(dān)的，還有一個(gè)是濰柴的任務(wù)，這兩個(gè)任務(wù)的錢是比較多的。

 

       從現(xiàn)在來(lái)看，國(guó)家已經(jīng)在2018年有57家企業(yè)、共86個(gè)車型入選，其中億華通有23款、廣東國(guó)鴻20款，我們這個(gè)車有1500多量在2018年。各個(gè)城市、省市都動(dòng)起來(lái)了，領(lǐng)頭的是上海，上海準(zhǔn)備有400—500輛商用車進(jìn)行示范運(yùn)行，要建立三個(gè)平臺(tái)，動(dòng)力系統(tǒng)及零部件研發(fā)平臺(tái)、氫能產(chǎn)業(yè)公共服務(wù)平臺(tái)、燃料電池車運(yùn)營(yíng)保養(yǎng)中心。上海大通V80是世界上可以公開出售的第4個(gè)車型，輕型客車，賣30萬(wàn)元。我們遼寧省的新賓縣買了60輛，已經(jīng)開始示范運(yùn)行，補(bǔ)貼后售價(jià)30萬(wàn)元。上汽也開發(fā)了榮威950，也可以公開出售。億華通跟力神合作已經(jīng)研制了3種類型的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)，30千瓦到60千瓦，都在裝車示范運(yùn)行。

 

       示范運(yùn)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(yùn)行，張家口在中國(guó)還是比較寒冷的地區(qū)，運(yùn)行結(jié)果證明，在寒冷條件下，燃料電池車只要解決了啟動(dòng)問(wèn)題，它還是比鋰電池車優(yōu)越的，因?yàn)槿剂想姵剀嚬ぷ髌饋?lái)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(yùn)行，除了在張家口以外。我們國(guó)鴻引進(jìn)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(yùn)行，佛山也搞了首輛輕軌車下線，現(xiàn)在德國(guó)要搞輕軌運(yùn)輸車，這個(gè)是很好的發(fā)展方向。

 

       現(xiàn)在中國(guó)的加氫站10左右正在運(yùn)行，明年預(yù)計(jì)有100臺(tái)左右，有人說(shuō)40臺(tái)，昨天聽報(bào)告真正運(yùn)行的是12臺(tái)，運(yùn)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(shí)驗(yàn)的，在大連863支持的建立的新源動(dòng)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(dá)到1千公斤。

 

       萬(wàn)鋼在2017年未來(lái)出行上海科協(xié)年會(huì)上指出，氫燃料電池在壽命、可靠性、適用性上基本達(dá)到了車輛使用要求，中國(guó)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(shí)產(chǎn)權(quán)燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)平臺(tái)，未來(lái)主要要加強(qiáng)協(xié)同創(chuàng)新，加快推進(jìn)燃料電池產(chǎn)業(yè)的全面發(fā)展。

 

       從國(guó)內(nèi)來(lái)看，我們已經(jīng)掌握了燃料電池的核心技術(shù)，并經(jīng)過(guò)了大量的示范運(yùn)行，積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，具備了進(jìn)行大規(guī)模示范運(yùn)行的條件。我們現(xiàn)在要盡快實(shí)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(jìn)一步提高電堆系統(tǒng)的可靠性和耐久性。

 

       從國(guó)際上來(lái)看，燃料電池車已經(jīng)達(dá)到了四缸內(nèi)燃機(jī)的體積水平，上次�？跁�(huì)，本田宣布已經(jīng)達(dá)到了六缸內(nèi)燃機(jī)的水平，功率密度達(dá)到每立升3千瓦。我們國(guó)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(gè)數(shù)量級(jí)，所以我們輸出功率我們的電堆比國(guó)外還是低1/3左右。

 

       要想降低我們?nèi)剂想姵匕l(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)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(guó)際上的通用是搞鉑合金催化劑，核殼催化劑有三種辦法來(lái)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(shí)我們要采用鉑增強(qiáng)的混合膜，降低歐姆極化。通過(guò)增強(qiáng)膜就可以減播，另外通過(guò)過(guò)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(chǎng)，降低傳質(zhì)極化。像豐田，把二維流場(chǎng)改為三維流場(chǎng)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(gè)安培每平方厘米，這是它把原來(lái)的二維流場(chǎng)改為三維流場(chǎng)，電流密度就可以達(dá)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(guó)內(nèi)在實(shí)驗(yàn)室里面單池研究已經(jīng)達(dá)到了每平方厘米1安培的時(shí)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(jìn)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(dá)到豐田的水平以至于超過(guò)豐田的水平。

 

       從電堆角度來(lái)看，流場(chǎng)阻力越大電堆的一致性越好，但是供供氣力加大，空壓機(jī)內(nèi)耗增加。我們要研究低內(nèi)耗的空壓機(jī)，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(jìn)制備MEA的一致性，特別是MEA的平整度和封邊技術(shù)，因?yàn)槿剂想姵亟M裝以后，在公用孔道里面膜會(huì)膨脹，會(huì)嚴(yán)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(yùn)行當(dāng)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(guó)內(nèi)采用的雙極板，開始是無(wú)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(lái)做流場(chǎng)，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(dá)到了我們的使用要求。

 

       從電極制備來(lái)看現(xiàn)在有三代，開始都是做噴涂電機(jī)，后來(lái)是CCM，現(xiàn)在裝機(jī)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?yàn)楝F(xiàn)在的噴涂技術(shù)不適合于幾百萬(wàn)輛車的生產(chǎn)。

 

       這是化物所的靜電噴涂技術(shù)。

 

       要改進(jìn)電堆的組裝工藝，因?yàn)殡姸讯际前磯毫�機(jī)方式組裝起來(lái)的，主要構(gòu)成是雙極板和MEA、密封件，所以這個(gè)組裝要有嚴(yán)格的工藝和定位技術(shù)。

 

       這是我們?cè)趬A性電池當(dāng)中發(fā)展出來(lái)的，因?yàn)榘衙芊夂蚆EA的壓伸要有效配合起來(lái)，把各種組件要一致、高度也一定，我設(shè)計(jì)這個(gè)電堆以后我就知道最后組裝的高度是多少，有了這個(gè)公式就可以組裝出一個(gè)均勻的電堆。

 

       這是我們化物所裝出來(lái)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(jìn)型，已經(jīng)達(dá)到了每公斤400瓦、每平方厘米1安培，現(xiàn)在正在改進(jìn)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(guó)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(dá)到每立升3百多千瓦，就跟國(guó)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(lái)，盡快的把我們國(guó)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(diǎn)，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(lái)了。電流密度提上去了，因?yàn)槿剂想姵厥前辞�瓦�?lái)賣錢的，1千瓦多少錢，而不是說(shuō)這個(gè)堆多少錢，所以千瓦上去了、電流密度上去了，這個(gè)堆輸出的千瓦數(shù)就比較多了，原來(lái)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(guó)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(lái)趕上國(guó)際水平，兩者是一樣的，有人說(shuō)石墨板不用提高，不用提高將來(lái)成本就把你擠下來(lái)了，所以我說(shuō)石墨板也要提高，我們要改進(jìn)MEA和電池的一致性和均勻性，改進(jìn)組裝工藝，把這個(gè)事情做上去。我們電堆上去以后系統(tǒng)要配合，我認(rèn)為燃料電池現(xiàn)在基本上不能說(shuō)是個(gè)瓷器，但是至少是塑料的，不是鋼鐵的，所以系統(tǒng)是起一個(gè)保駕的作用，在一個(gè)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(dá)到要求。

 

       隨著關(guān)鍵材料的進(jìn)步，我們的保護(hù)措施可以逐漸下降，但是目前還不能。舉個(gè)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(dòng)、停車就沒有必要解決開路氧化問(wèn)題，所以我們現(xiàn)在材料還跟不上去，從國(guó)際上看也沒有做到，我們?nèi)剂想姵氐膲勖�是電堆和系統(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(lái)。所以我們也要加強(qiáng)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(kuò)散層碳紙生產(chǎn)線，大家好多人都在說(shuō)，說(shuō)我們產(chǎn)業(yè)鏈基本配全了，我認(rèn)為這種小的像碳紙擴(kuò)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(jī)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)乘用車奠定了基礎(chǔ)。因?yàn)槌擞密囈话阆Ｍ�把燃料的電堆和控制部分都放在前面�?nèi)燃機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)這個(gè)部位。

 

       第三，要深入研發(fā)電堆的衰減機(jī)理，開發(fā)抗腐蝕、穩(wěn)定的新材料，大幅度提高發(fā)動(dòng)機(jī)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(lái)決定的，電堆進(jìn)步了系統(tǒng)我們就可以簡(jiǎn)化，所以電堆和系統(tǒng)要相互配合，通過(guò)關(guān)鍵材料的進(jìn)步來(lái)簡(jiǎn)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(jìn)一步把電池的鉑用量降低到每千瓦小于0.1克，這是國(guó)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(cè)試，與耐久性快速評(píng)價(jià)方法，這是我們現(xiàn)在燃料電池標(biāo)委會(huì)正在做的一件事情，因?yàn)榇蠹叶颊f(shuō)我是世界第一，到底是不是第一我們要有一個(gè)中立機(jī)構(gòu)進(jìn)行評(píng)選，有人說(shuō)產(chǎn)業(yè)鏈建全了，我性能那么好，拿到中立機(jī)構(gòu)去進(jìn)行測(cè)試。

 

      所以我想，我們要盡快建立中立性的檢測(cè)機(jī)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(gè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)，這樣對(duì)推進(jìn)我們?nèi)剂想姵丶夹g(shù)的進(jìn)步，趕上世界水平會(huì)有重大作用。我希望我們?nèi)剂想姵剀嚤M快實(shí)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(bǔ)貼，也能夠盈利，現(xiàn)在有人預(yù)計(jì)，燃料電池車從關(guān)鍵材料講，只要鉑用量降下來(lái)了，我們比鋰電池可能成本還要低，因?yàn)橹挥秀K是貴的，所以你要把鉑搞下來(lái)了，其他東西都是鋼鐵和有機(jī)的東西，完全可以降低成本，所以有跟鋰電池和燃油車競(jìng)爭(zhēng)的基礎(chǔ)，但要靠我們技術(shù)人員的共同努力。