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中国工程院院士衣宝廉:预计国内明年将有100台加氢站运行|电动车百人会2019

中国工程院院士衣宝廉

“现在中国的加氢站有10左右正在运行,明年预计有100台左右。”中国工程院院士衣宝廉参加中国电动汽车百人会论坛时说。

目前来看,加氢站建设是阻碍氢燃料电池车推广的主要问题之一。

据衣宝廉介绍,从国际上看,燃料电池已经进入了市场的导入阶段。现在的问题是没有大批量的生产线、成本比较高,且受加氢站的制约。从电堆、燃料电池的角度看,最主要的任务还是降低Pt用量和催化剂燃料电池的成本。

衣宝廉认为,当前要尽快实现关键材料、电催化剂、质子交换膜、膜电极三合一、双极板等批量生产,为降低电堆成本和提高电堆一致性奠定基础。此外,要提高电堆的比功率,降低电堆成本和Pt用量,进一步提高电堆系统的可靠性和耐久性。

以下是衣宝廉的演讲速记,雷锋网新智驾进行了不改变原意的编辑:

今天讲的题目是“车用燃料电池技术”,我认为,中国的车用燃料电池技术要降低成本,在国际上有竞争力,从电堆角度来看,现在的核心问题是提高功率电流密度和比功率。

到2017年,中国有了2000多辆燃料电池车。昨天的报告说,2018年要有1500多辆,要赶上美国了。

国际电池的现状是,2014年12月15日,丰田宣布开始销售,同时专利开始无偿使用,所以这个对燃料电池发展是重大进步。

由于燃料电池乘用车受加氢站的限制,所以丰田跟日野合作做了燃料电池大巴,准备作为奥运会的通勤车。最近,丰田又开始跟美国的肯沃斯合作开发重载车,准备在美国的加州进行运行10辆,这是燃料电池车首先能够代替柴油车的一个重点方向。

从国际上看,燃料电池已经进入了市场的导入阶段,发动机的功率大幅度提升,用70MPa气瓶已经可以跑500公里以上,负30度以上,基本上满足了要求。现在问题是没有大批量的生产线、成本比较高,受加氢站的制约,所以将来从电堆、燃料电池角度,最主要的任务还是降低Pt用量,降低催化剂燃料电池的成本。

从国内来看,从2007年一直到2010年的世博会,我们进行了大量的燃料电池车运行。世博会之后上汽又搞了创新征程,证明电动车适应中国的增程环境。

现在中国的加氢站有10台左右正在运行,明年预计有100台左右,运行最频繁的还是张家口、云浮和上海,加氢量是最多的。我们已经掌握了燃料电池的核心技术,并经过了大量的示范运行,积累了丰富经验,具备了进行大规模示范运行的条件。

现在要尽快实现关键材料、电催化剂、质子交换膜、膜电极三合一、双极板等批量生产问题,为降低电堆成本和提高电堆一致性奠定基础。要提高电堆的比功率,降低电堆成本和Pt用量。进一步提高电堆系统的可靠性和耐久性。

从国际上来看,燃料电池车已经达到了四缸内燃机的体积水平,上次海口会,本田宣布已经达到了六缸内燃机的水平,功率密度达到每立升3千瓦。我们国内装车的电堆现在大概都在每立升2.0千瓦左右,就是V80、荣威750和荣威950用的都是在这个数量级,所以我们输出功率我们的电堆比国外还是低1/3左右。

要想降低燃料电池发动机的成本,特别是电堆成本,要提高单电池,首先要研究提高单电池的比功率,就是降低化学极化、欧姆极化和传质极化。

要降低化学极化,主要是做高效的电催化剂,现在国际上的通用是做铂合金催化剂,核壳催化剂有三种办法来制备。同时我们要采用铂增强的混合膜,降低欧姆极化。通过增强膜就可以减播,另外通过过氧化物,可以减少膜的化学腐蚀。另外要采用新型流场,降低传质极化。像丰田,把二维流场改为三维流场以后,传质极化就大幅度下降,这样密度就可以提高到几个安培每平方厘米。

有了单池性能提高以后,现在国内在实验室里面单池研究已经达到了每平方厘米1安培的时候在0.7V以上,每平方厘米2安培在0.6V以上,我们正在向2.5安培进军。双堆可能每立方厘米1安培,以后要发展到2、2.5安培,这样我们电堆水平就可以达到丰田的水平以至于超过丰田的水平。

从电堆角度来看,流场阻力越大电堆的一致性越好,但是空压机内耗会增加。我们要研究低内耗的空压机,才能保证电堆的高功率密度输出。另外要提高双极板制备的一致性,特别是平整度,不管是金属板还是石墨板,它的平整决定电堆一致性是关键因素。

我们要改进制备MEA的一致性,特别是MEA的平整度和封边技术,因为燃料电池组装以后,在公用孔道里面膜会膨胀,会严重影响气流分布,所以在公用孔道里露出的膜全部封死,这样才能包装组装的阻力在运行当中不变化,所以MEA的制备核心是用薄膜和解决封边技术。

另外,优化电堆的结构。这是国内采用的双极板,无孔碳板或者是膜压的或者膨胀石墨的都属于这一类,还有复合板。

从电极制备来看目前共有三代,开始都是做喷涂电机,后来是CCM,现在装机用的电堆主要是第二代电极,第二代电极的批量生产技术也需要攻克,因为现在的喷涂技术不适合于几百万辆车的生产。

随着关键材料的进步,保护措施可以逐渐下降。举个例子,如果我们做电催化剂要能抗1.6V的高压不氧化,碳载体也不氧化,启动、停车就没有必要解决开路氧化问题,所以现在材料还跟不上去,国际上看也没有做到,燃料电池的寿命是电堆和系统双方配合的结果,而不是电堆自己的努力,要两方面结合起来。所以也要加强电堆部分、系统部分关键部件的研发。所以我建议:

第一,尽快要完善燃料电池的产业链,建立扩散层碳纸生产线。大家都在说,产业链基本配全了,我认为这种小的像碳纸扩散层一定要建立生产线。我们现在把注意力都集中在膜和双极板上了。另外要发展空压机和氢气循环泵。

第二,要提高电堆的工作电流密度,提高电堆的体积和重量比功率,降低电堆的成本,为开发乘用车奠定了基础。因为乘用车一般希望把燃料的电堆和控制部分都放在前面内燃机、发动机这个部位。

第三,要深入研发电堆的衰减机理,开发抗腐蚀、稳定的新材料,大幅度提高发动机的可靠性和耐久性。所以可靠性和耐久性是靠系统和电堆共同来决定的,电堆进步了系统就可以简化,所以电堆和系统要相互配合,通过关键材料的进步来简化电堆系统。

第四,开展超低铂和非铂电催化剂的理论和应用研究,进一步把电池的铂用量降低到每千瓦小于0.1克,这是国际上燃料电池的基本要求。

第五,建立关键部件,电堆和电池系统的测试,与耐久性快速评价方法,这是现在燃料电池标委会正在做的一件事情,因为大家都说我是世界第一,到底是不是第一我们要有一个中立机构进行评选,我们要尽快建立中立性的检测机构,它本身不做燃料电池开发、也不做系统、也不做电堆,但是有一个检测机构,这样对推进我们燃料电池技术的进步,赶上世界水平会有重大作用。

我希望燃料电池车尽快实现商业化的S型曲线的上升阶段,到一定程度我们能甩开补贴,也能够盈利,现在有人预计,燃料电池车从关键材料讲,只要铂用量降下来了,比锂电池可能成本还要低,因为只有铂是贵的,所以如果把铂做出来了,其他东西都是钢铁和有机的东西,完全可以降低成本,所以有跟锂电池和燃油车竞争的基础,但要靠我们技术人员的共同努力。

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