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2019百人會|衣寶廉:燃料電池汽車產業化路徑與保障

2019-01-17 來源:中國客車網

  2019年1月11-13日,“中國電動汽車百人會論壇(2019)”在京召開,此次壇主題是“汽車革命與交通、能源、城市協同發展”,圍繞汽車零排放和電動化變革、能源轉化及傳統能源公司轉型、未來交通和出行變革圖景、下一代汽車關鍵技術發展、汽車智能化和網聯化趨勢、核心供應鏈培育、汽車生產組織方式變革、國際創新對接、產業政策調整等熱點問題進行研討。

  1月12日上午,以“全球零排放與全面電動化大會”為主題的高層論壇舉行,會上,中國工程院院士衣寶廉發表演講。

  以下為演講實錄:

  尊敬的歐陽院士,各位領導、同行,上午好!我今天講的題目是“車用燃料電池技術”,我認為我們中國的車用燃料電池技術要降低成本,在國際上有競爭力,從電堆角度來看,現在的核心問題是提高功率電流密度和比功率。

  先講一下中國的發展過程。

  燃料電池的原理是電化學,跟鋰離子電池完全是一樣的,但是燃料電池因為發電原理是電化學,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燃機,跟內燃機完全一樣,燃料電池只是能量轉化的場所,因此它的燃料是儲存在儲罐當中,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,從來沒有發生過燃燒和爆炸的事故,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燃機的,它的安全性比鋰離子電池高。

  燃料電池在車上用,它就是代替了內燃機,現在燃料電池都是低電壓工作、大電流,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,現在國際通用。如果要搞增程式的,就避免不了鋰離子電池爆炸的危險,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。跟內燃機比,郵箱用氫瓶代替,內燃機是燃料電池發動機,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、長程的運輸,所以適合于像公交車和重載車,在這方面有明顯的優勢。

  到2017年中國有了2千多輛燃料電池,昨天的報告說,2018年要有1500多輛,所以我們現在能有2400多輛燃料電池車在運行,要趕上美國了。國際電池現狀,2014年12月15日,豐田宣布開始銷售,同時專利開始無償使用,所以這個對燃料電池發展是重大進步。

  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,準備作為奧運會的通勤車。最近豐田又開始跟美國的肯沃斯合作開發重載車,準備在美國的加州進行運行10輛,加州空氣委員會提供了4500萬美元的資助,這是燃料電池車首先能夠代替柴油車的一個重點方向。

  本田2016年也開發出了燃料電池車,現代,歐洲定了4千臺左右的燃料電池車。從燃料電池來看,現在壽命已經基本上達到了要求,加州13輛車已經運行了,奧克蘭運行,達到2.5萬小時。從pt用量來看,國際每千瓦0.2克,國內0.4克左右,歐洲又搞了第二次大巴車的示范運行。

  同時開始考慮建立燃料電池堆的生產線。

  從國際上看,燃料電池已經進入了市場的導入階段,發動機的功率大幅度提升,用70MPa氣瓶已經可以跑500公里以上,負30度以上,基本上滿足了要求,現在問題是沒有大批量的生產線、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,最主要的任務還是降低pt用量,降低催化劑燃料電池的成本。從國內來看,我們從2007年的上海比比登賽一直到2010年的世博會,我們進行了大量的燃料電池車運行。世博會之后上汽又搞了創新征程,證明電動車適應中國的增程環境。

  今年開始我們成立了氫能和燃料電池聯盟,10月份在海口開了第一次論壇。國家來看,我們從資助任務上,已經資助了“十三五”期間8.27億元的費用,兩個重大項目,一個是低成本的燃料電池堆及關鍵材料的技術研究與工程開發,這個是大連新源動力承擔的,還有一個是濰柴的任務,這兩個任務的錢是比較多的。

  從現在來看,國家已經在2018年有57家企業、共86個車型入選,其中億華通有23款、廣東國鴻20款,我們這個車有1500多量在2018年。各個城市、省市都動起來了,領頭的是上海,上海準備有400—500輛商用車進行示范運行,要建立三個平臺,動力系統及零部件研發平臺、氫能產業公共服務平臺、燃料電池車運營保養中心。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,賣30萬元。我們遼寧省的新賓縣買了60輛,已經開始示范運行,補貼后售價30萬元。上汽也開發了榮威950,也可以公開出售。億華通跟神力合作已經研制了3種類型的燃料電池發動機,30千瓦到60千瓦,都在裝車示范運行。

  示范運行在張家口有74輛燃料電池車,有99輛福田車和25輛宇通12米的大巴車,已經開始示范運行,張家口在中國還是比較寒冷的地區,運行結果證明,在寒冷條件下,燃料電池車只要解決了啟動問題,它還是比鋰電池車優越的,因為燃料電池車工作起來以后,它的溫度就是你設定的工作溫度,不像鋰離子電池受環境的影響比較大。

  宇通已經開發了三代燃料電池車,最主要的證明,就是證明在開空調的條件下百公里要消耗0.8公斤左右的氫,鄭州也開始示范運行,除了在張家口以外。我們國鴻引進已經能夠做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行,佛山也搞了首輛輕軌車下線,現在德國要搞輕軌運輸車,這個是很好的發展方向。

  現在中國的加氫站10左右正在運行,明年預計有100臺左右,有人說40臺,昨天聽報告真正運行的是12臺,運行最頻繁的還是張家口、云浮和上海,加氫量最多的。

  (PPT)這是老的一些加氫站,這是可以做各種加氫實驗的,在大連863支持的建立的新源動力的加氫站,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到1千公斤。

  萬鋼在2017年未來出行上海科協年會上指出,氫燃料電池在壽命、可靠性、適用性上基本達到了車輛使用要求,中國初步掌握了相關的核心技術,基本建立了具有自主知識產權燃料電池動力系統技術平臺,未來主要要加強協同創新,加快推進燃料電池產業的全面發展。

  從國內來看,我們已經掌握了燃料電池的核心技術,并經過了大量的示范運行,積累了豐富經驗,具備了進行大規模示范運行的條件。我們現在要盡快實現關鍵材料、電催化劑、質子交換膜、膜電極三合一、雙極板等批量生產,為降低電堆成本和提高電堆一致性奠定基礎。要提高電堆的比功率,降低電堆成本和pt用量。進一步提高電堆系統的可靠性和耐久性。

  從國際上來看,燃料電池車已經達到了四缸內燃機的體積水平,上次海口會,本田宣布已經達到了六缸內燃機的水平,功率密度達到每立升3千瓦。我們國內裝車的電堆現在大概都在每立升2.0千瓦左右,就是V80、榮威750和榮威950用的都是在這個數量級,所以我們輸出功率我們的電堆比國外還是低1/3左右。

  要想降低我們燃料電池發動機的成本,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,這個就是降低化學極化、歐姆極化和傳質極化。

  要降低化學極化,主要要搞高效的電催化劑,現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。這是化物所做的,超小鉑銅合金催化劑,它的性能是現在碳鉑催化劑的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,減少化學極化。同時我們要采用鉑增強的混合膜,降低歐姆極化。通過增強膜就可以減播,另外通過過氧化物,可以減少膜的化學腐蝕,這是我們化物所做的結果,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,降低傳質極化。像豐田,把二維流場改為三維流場以后,傳質極化就大幅度下降,這樣我們的密度就可以提高到幾個安培每平方厘米,這是它把原來的二維流場改為三維流場,電流密度就可以達到幾安培每平方厘米。

  我們有了單池性能提高以后,現在國內在實驗室里面單池研究已經達到了每平方厘米1安培的時候在0.7V以上,每平方厘米2安培在0.6V以上,我們正在向2.5安培進軍。雙堆可能每立方厘米1安培,以后要發展到2、2.5安培,這樣我們電堆水平就可以達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,但是供供氣力加大,空壓機內耗增加。我們要研究低內耗的空壓機,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鍵因素。我們要改進制備MEA的一致性,特別是MEA的平整度和封邊技術,因為燃料電池組裝以后,在公用孔道里面膜會膨脹,會嚴重影響氣流分布,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行當中不變化,所以MEA的制備核心是用薄膜和解決封邊技術。另外,優化電堆的結構。

  這是國內采用的雙極板,開始是無孔碳板或者是膜壓的或者膨脹石墨的都屬于這一類,還有復合板,現在新源用的主要是復合板,用金屬做分割,0.1毫米的不銹鋼板做分割,用碳板來做流場,現在在發展的就是金屬板。

  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,基本上達到了我們的使用要求。

  從電極制備來看現在有三代,開始都是做噴涂電機,后來是CCM,現在裝機用的電堆主要是第二代電極,第二代電極的批量生產技術也需要我們攻克,因為現在的噴涂技術不適合于幾百萬輛車的生產。

  (PPT)這是化物所的靜電噴涂技術。

  要改進電堆的組裝工藝,因為電堆都是按壓力機方式組裝起來的,主要構成是雙極板和MEA、密封件,所以這個組裝要有嚴格的工藝和定位技術。

  這是我們在堿性電池當中發展出來的,因為把密封和MEA的壓伸要有效配合起來,把各種組件要一致、高度也一定,我設計這個電堆以后我就知道最后組裝的高度是多少,有了這個公式就可以組裝出一個均勻的電堆。

  這是我們化物所裝出來的每立升3.0千瓦的電堆,現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。

  這是它的改進型,已經達到了每公斤400瓦、每平方厘米1安培,現在正在改進向2安培走。如果我們現在能夠做到每平方厘米2安培,我們的pt用量就跟豐田國際水平一樣,每千瓦0.2克,現在我們還是0.4克左右。我們的體積比功率可能達到每立升3百多千瓦,就跟國際水平靠攏了。所以希望我們搞燃料電池的人大家聯合起來,盡快的把我們國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,但是你也要把電流密度提上去,電流密度提上去,pt用量就下來了。電流密度提上去了,因為燃料電池是按千瓦來賣錢的,1千瓦多少錢,而不是說這個堆多少錢,所以千瓦上去了、電流密度上去了,這個堆輸出的千瓦數就比較多了,原來輸出30千瓦,現在就可以輸出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內的主流,還是搞金屬板的,都要把電堆的工作電流密度提高上去,來趕上國際水平,兩者是一樣的,有人說石墨板不用提高,不用提高將來成本就把你擠下來了,所以我說石墨板也要提高,我們要改進MEA和電池的一致性和均勻性,改進組裝工藝,把這個事情做上去。我們電堆上去以后系統要配合,我認為燃料電池現在基本上不能說是個瓷器,但是至少是塑料的,不是鋼鐵的,所以系統是起一個保駕的作用,在一個適合它生存的環境中兩生存,這樣燃料電池的壽命才能達到要求。

  隨著關鍵材料的進步,我們的保護措施可以逐漸下降,但是目前還不能。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,我的啟動、停車就沒有必要解決開路氧化問題,所以我們現在材料還跟不上去,從國際上看也沒有做到,我們燃料電池的壽命是電堆和系統雙方配合的結果,而不是電堆自己的努力,要兩方面結合起來。所以我們也要加強電堆部分、系統部分關鍵部件的研發。所以我建議:

  第一,盡快要完善燃料電池的產業鏈,建立擴散層碳紙生產線,大家好多人都在說,說我們產業鏈基本配全了,我認為這種小的像碳紙擴散層一定要建立生產線,目前還沒有。我們現在把注意力都集中在膜和雙極板上了。另外要發展空壓機和氫氣循環泵。

  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,為開發乘用車奠定了基礎。因為乘用車一般希望把燃料的電堆和控制部分都放在前面內燃機、發動機這個部位。

  第三,要深入研發電堆的衰減機理,開發抗腐蝕、穩定的新材料,大幅度提高發動機的可靠性和耐久性。所以可靠性和耐久性是靠系統和電堆共同來決定的,電堆進步了系統我們就可以簡化,所以電堆和系統要相互配合,通過關鍵材料的進步來簡化電堆系統。

  第四,開展超低鉑和非鉑電催化劑的理論和應用研究,進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,建立關鍵部件,電堆和電池系統的測試,與耐久性快速評價方法,這是我們現在燃料電池標委會正在做的一件事情,因為大家都說我是世界第一,到底是不是第一我們要有一個中立機構進行評選,有人說產業鏈建全了,我性能那么好,拿到中立機構去進行測試。

  所以我想,我們要盡快建立中立性的檢測機構,就是它本身不做燃料電池開發、也不做系統、也不做電堆,但是有一個檢測機構,這樣對推進我們燃料電池技術的進步,趕上世界水平會有重大作用。我希望我們燃料電池車盡快實現商業化的S型曲線的上升階段,到一定程度我們能甩開補貼,也能夠盈利,現在有人預計,燃料電池車從關鍵材料講,只要鉑用量降下來了,我們比鋰電池可能成本還要低,因為只有鉑是貴的,所以你要把鉑搞下來了,其他東西都是鋼鐵和有機的東西,完全可以降低成本,所以有跟鋰電池和燃油車競爭的基礎,但要靠我們技術人員的共同努力。

  謝謝大家!

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