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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。本屆論壇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(diǎn)問題進(jìn)行研討。
在本屆峰會上，中國工程院院士衣寶廉發(fā)表了主題為《車用燃料電池技術(shù)》的演講。其主要觀點(diǎn)如下：
1．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；
2．燃料電池的工作方式是內(nèi)燃機(jī)，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(dāng)中，所以燃料電池比較安全；
3．從國際上看，燃料電池已經(jīng)進(jìn)入了市場導(dǎo)入階段，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，從電堆、燃料電池角度，最主要的任務(wù)是降低Pt用量，降低催化劑燃料電池的成本；
4．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)問題，為降低電堆成本和提高電堆一致性奠定基礎(chǔ)。
以下是其演講實(shí)錄：
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(rèn)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。
燃料電池的原理是電化學(xué)，跟鋰離子電池完全一樣，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，一般來說在車用是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)化的場所，因此它的燃料是儲存在儲罐當(dāng)中，所以燃料電池比較安全。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，一旦電堆出事情，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，即代替了內(nèi)燃機(jī)，目前燃料電池都是低電壓、大電流工作，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)在在國際內(nèi)通用。如果要搞增程式，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，所以燃料電池車比較安全。跟內(nèi)燃機(jī)相比，油箱用氫瓶代替，內(nèi)燃機(jī)是燃料電池發(fā)動機(jī)，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、長路程的運(yùn)輸，適用于公交車和重載車等交通工具。
到2017年中國有了兩千多輛燃料電池車，昨天的報(bào)告說，2018年有1500多輛，所以我們現(xiàn)在能有2400多輛燃料電池車在運(yùn)行，要趕上美國了。國際電池現(xiàn)狀，2014年12月15日，豐田宣布開始銷售，同時(shí)專利開始無償使用，所以這對燃料電池發(fā)展有重大意義。
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(zhǔn)備在美國的加州運(yùn)行10輛，這是燃料電池車能夠代替柴油車的一個重點(diǎn)方向。
從國際上看，燃料電池已經(jīng)進(jìn)入了市場導(dǎo)入階段，發(fā)動機(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，從2007年一直到2010年的世博會，我們進(jìn)行了大量的燃料電池車運(yùn)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，從資助任務(wù)上，我們在“十三五”期間資助了8．27億元的費(fèi)用，包括兩個重大項(xiàng)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)；另一個是濰柴的任務(wù)。
現(xiàn)在來看，在2018年，我國已經(jīng)有57家企業(yè)、共86個車型入選，其中億華通有23款、廣東國鴻有20款。各個城市、省市開始行動起來，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，規(guī)劃建立三個平臺，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(yùn)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，售價(jià)為30萬元。遼寧省新賓縣買了60輛，已經(jīng)開始示范運(yùn)行。上汽也開發(fā)了榮威950，也已經(jīng)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(jī)，都在裝車示范運(yùn)行。
張家口有74輛燃料電池車正在示范運(yùn)行，還有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，張家口在中國算是比較寒冷的地區(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問題，還是比鋰電池車優(yōu)越的，因?yàn)槿剂想姵剀嚬ぷ髌饋恚臏囟染褪悄阍O(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，除了在張家口以外，鄭州也開始示范運(yùn)行。我們國鴻氫能已經(jīng)能夠做30千瓦—80千瓦的燃料電池電堆，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目前已經(jīng)下線，現(xiàn)在德國要搞輕軌運(yùn)輸車，這是很好的發(fā)展方向。
現(xiàn)在中國已經(jīng)建設(shè)了10座左右的加氫站，明年預(yù)計(jì)達(dá)到100座左右，運(yùn)行最頻繁的城市是張家口、云浮和上海，這些城市加氫量最多。
萬鋼在2017年未來出行上海科協(xié)年會上指出，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)的燃料電池動力系統(tǒng)技術(shù)平臺，未來主要在于加強(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(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。
從國際上來看，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?，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。我們國內(nèi)裝車的電堆現(xiàn)在大概都在每立升2千瓦左右，就是V80、榮威750和榮威950用的都是在這個數(shù)量級，所以我們輸出功率電堆比國外還是低1／3左右。
要想降低燃料電池發(fā)動機(jī)的成本，特別是電堆成本，就要提高單電池，首先要研究提高單電池的比功率，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，主要靠做高效的電催化劑，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。同時(shí)我們要采用鉑增強(qiáng)的混合膜，降低歐姆極化。通過增強(qiáng)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。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，這樣密度就可以提高到幾個安培每平方厘米。
單池性能提高以后，現(xiàn)在國內(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，但是空壓機(jī)內(nèi)耗會增加。我們要研究低內(nèi)耗的空壓機(jī)，才能保證電堆的高功率密度輸出。另外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。
從電極制備來看目前共有三代，開始都是做噴涂電機(jī)，后來是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)也需要攻克，因?yàn)楝F(xiàn)在的噴涂技術(shù)不適合于幾百萬輛車的生產(chǎn)。
隨著關(guān)鍵材料的進(jìn)步，保護(hù)措施可以逐漸下降。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，啟動、停車就沒有必要解決開路氧化問題，所以現(xiàn)在材料還跟不上去，國際上看也沒有做到，燃料電池的壽命是電堆和系統(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。所以也要加強(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。大家都在說，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。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)乘用車奠定基礎(chǔ)。因?yàn)槌擞密囈话阆Ｍ讶剂系碾姸押涂刂撇糠侄挤旁谇懊鎯?nèi)燃機(jī)、發(fā)動機(jī)這個部位。
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)和電堆共同來決定的，電堆進(jìn)步了系統(tǒng)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(jìn)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(jìn)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(jià)方法，這是現(xiàn)在燃料電池標(biāo)委會正在做的一件事情，因?yàn)榇蠹叶颊f我是世界第一，到底是不是第一我們要有一個中立機(jī)構(gòu)進(jìn)行評選，我們要盡快建立中立性的檢測機(jī)構(gòu)，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(jī)構(gòu)，這樣對推進(jìn)我們?nèi)剂想姵丶夹g(shù)的進(jìn)步，趕上世界水平會有重大作用。
我希望燃料電池車盡快實(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，只要鉑用量降下來了，比鋰電池可能成本還要低，因?yàn)橹挥秀K是貴的，所以如果把鉑做出來了，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爭的基礎(chǔ)，但要靠我們技術(shù)人員的共同努力。
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