【燃料电池产业论坛】衣宝廉：示范运行与关键技术攻关 合力促进燃料电池车商业化

中国科学院大连化学物理研究所 中国工程院院士 衣宝廉

各位领导，各位专家上午好，我今天报告题目是"示范运行与关键技术攻关 合力促进燃料电池车商业化”，报告分两部分，一部分简单介绍一下燃料电池车的原理和中国的示范运行情况。第二部分讲怎么从现在的商业性示范运行过渡到商业化。

燃料电池发电原理跟锂电池一样，都是按电化学原理发电的，因此它的效率比较高，可以达到60-70%,但是燃料电池的工作方式跟锂电池不一样，它是按内燃机方式工作的，所以燃料跟电池是分开的，比较安全。电池里面出了问题只要把氢气切断，就不会产生像锂离子电池那种爆炸和燃烧的事情。

把燃料电池装到车上用它代替内燃机，现在一般模式燃料电池是一个大电流低电压的发电装置，所以它先通过DC/DC升压，然后跟二次电池进行混合，来驱动电机。

用氢瓶代替油箱用燃料电池发动机代替了内燃机，得到的好处是，其排出的产物是水，消除了污染。燃料电池现在国际上公认的是适合于重载车和长距离的车，但市内交通还是锂离子占优势，中间有混合动力的车。长距离和重载车，燃料电池占优势。

把这三种车进行对比，燃料电池的优点还是比较多的，但是燃料电池的缺点也很突出。燃料电池的优点是比能量高，比较安全，燃料电池加氢时间跟燃油车差不多，给乘客和驾驶员提供的舒适性也差不多。它适合于重载长距离，但是它现在的问题就是成本高，是燃油车的两倍，是锂离子电池车的1.5 倍，运行费用也高，百公里大概要70-80块钱，燃油费40块钱，柴油五六十块钱；锂离子最便宜，百公里大概15度电，平均10-15块钱。燃料电池的运行费用是最贵的，加氢站的建设费用也比较高，建一个加氢站可以建一个充电站。

现在燃料电池发动机的成本，电堆成本已经达到了60%以上，因为现在空压机降下来了，燃料电池空压机这部分成本降的比较快，所以我们要降燃料电池发动机的成本，核心是降电堆的成本。我们国家燃料电池目前的发展情况是，国家领导重视，所以燃料电池沉积了十来年，又开始兴旺起来。（燃料电池）从2001到2005年还可以，2006年以后沉积下来了，锂离子冲上去了，最近又起来了。

我们国家示范搞的还是比较多的，2007年上海比比登大赛，2008年北京奥运会示范，2009年十六辆轿车到美国加州进行示范，2010年一辆大巴到新加坡参加了世青赛，有196辆燃料电池车参加了上海的世博会，其中有90辆轿车，6辆大巴车，所以中国的示范搞的还是比较多的。但是那个时期的示范是属于技术性示范，就是考察燃料电池车行不行，跟现在的示范完全两回事儿。现在是经济型示范，考察燃料电池车可不可以实现商业化。

在世博会以后上汽搞了一个创新征程，主要考察三种电动车：锂电池车、燃料电池车和混合动力车对中国环境的适应性，效果很好，特别在西藏， 燃料电池车在西藏也能开，但是速度上不去，因为西藏氧能度太低。

中国现在商业化的车就是上汽下属大通公司做的V80,轻型客车，这个客车卖30万。

这是上汽大通V80用的复合双极板的电堆，辽宁新宾买了40辆，上海化工区这个车也在运行。另外上汽搞了轿车（荣威）950,用的是第四代燃料电池堆，这个车零下可以做到负30度储存和启动。

另一个大事件就是2018年2月11日中国能源集团牵头成立了氢能联盟， 我们于教授是秘书长，这个氢能联盟的好处是什么？中国的大型国有企业都进到氢能联盟里来了，说明我们国家的工业中坚力量，介入了氢能和燃料电池的开发，这对我们搞燃料电池车的人是一个大的利好消息。

这是上海长三角示范区，以上海为中心的示范区，这个示范区条件是最 好的，再一个示范区就是北京亿华通，他们收购了神力以后，已经做了三代的 电堆，都是石墨板的，现在已经做到80多千瓦了，这是他们生产的电堆。

宇通已经做第四代燃料电池车了，因为宇通是世界上最大的大巴车厂， 但是它的发动机，主要部件还是外购的。系统技术主要用的还是亿华通的，所 以由亿华通和宇通，提供了74辆燃料电池大巴车，在张家口进行了示范，示范 的成果非常成功，说明燃料电池车非常适合低温运行，没有锂离子电池车冬天 容量就下降了，启动也比较困难（的现象）。燃料电池的启动和容量都不下 降，所以冬天燃料电池的优势更明显，现在张家口又买了一百辆。

第三个重点区域就是广州国鸿，广州投资了 14个亿在广州建电动车测试 中心，马上建燃料电池一共14个亿，所以广东还是很厉害的。国鸿石墨板技术 从30千瓦到80千瓦燃料电池电堆和发动机。这是他们轻型客车用的，这是大巴 车用的，这是85千瓦的。

他们同时搞了一个轻轨车，城市轻轨车，最近已经示范运行了，现在燃 料电池车示范运行比较多的，都是对加氢站依赖度比较低的。乘用车、私人轿 车我看还得十年以后，在一个城市里面还行，一岀了城没有加氢站那你怎么 办？万主席在长春科协年会上说了，氢燃料电池在寿命，可靠性，使用性能上 基本达到车辆使用要求，中国初步掌握了相关核心技术，基本建立了具有自主 知识产权的燃料电池汽车动力系统技术平台。未来要加强协同创新，加快推进 氢能燃料电池产业全面发展。

下面就讲一讲联合攻关这部分，国际上燃料电池车，我上面写的达到4缸 内燃机水平，2018年能源集团在海口组织的会议，本田说他们已经达到6缸内 燃机水平，现在国际上的电堆，体积比功率大于3千瓦，重量比功率大于2千 瓦。国内现在跑过5000小时和一万小时的电堆，大概比功率都在2千瓦左右。

国内现在真正商业化的电堆目前还都是2.0左右，比国际3.0低一点，现 在装车在跑的都达到3.0技术版，但是还没有一家跑过5000小时，还没看到有 —家宣布，它的金属板电堆已经跑了自己报告可以说5000小时，但是你装车跑 没跑出5000小时，没有人报道。

国家补贴，一个给了二汽，一个给了上汽，上汽的电堆是新源动力的， 二汽电堆是国鸿的，所以说目前国家给予补贴两个燃料电池都是2.0以下的，我 们3.0还没有一家拿到补贴。所以我们要提高电池的比功率，就要降低三种极 化，一个把电压提的更高这是化学极化，一个把它变的更平，这是欧姆极化， 再一个大幅下降越晚下降越慢这是能差极化。

所以就要做高效的催化剂，现在都是核金催化剂，这是化物所做钳铜合 金催化剂，大概活性能够提高3倍，为什么用铜呢？因为铜析出来以后马上就沉 积在电极里面的碳上了，既不会影响膜电导，水也不会流到外面来，所以最好 用这种很容易被氢还原的金属做合金催化剂。

这是增强薄膜，增强就是用过滤用的PTFE拉伸网，悴灭自由基用过渡金 属氧化物，加入过渡金属氧化物以后，氟离子释放率大幅度下降，膜就稳定 了，这是Gore采用这类技术做出来的膜，现在新源动力有一种，他们叫生产 线，我跟他们说不是生产线，因为中间没有检测。所以说有一个这种膜的生产 可以装几个电堆，但是要想做到真是生产线，中间的检测步骤要上去。

要降低能差极化就是改变流场，这是最主要的，丰田就是从二维流场变 成了三维流场，所谓三维流场跟化工当中蒸馅加个挡板一样，增加了喘流，氧 的向反应点传递不仅有扩散传质，还有对流传质，道理很简单，但是做起来还 是挺复杂的。

把电池性能提升以后就要提高电堆，电堆里面主要是一致性问题，一致 性现在提高的规律是流场阻力大，电堆一致性好，但供气压力要加大，空压机 内耗增加。提高双极板制备一致性，特别是平整度。改进MEA制备的一致性， 特别是电极平整度和密封边的结构与厚度。优化密封结构和控制公用孔道膜的 溶胀。这是化物所做的金属双极板，冲压和激光焊，这些都没有问题了。0.1毫 米的316不锈钢，中国的金属板能不能达到一万小时、两万小时？

问题是表面改性层每平方厘米大概有4-5个纳米孔，这4-5个纳米孔很容 易产生腐蚀，所以一定要消除4-5个纳米孔。丰田不用不锈钢，用钛，因为钛不 怕纳米孔，我们用不锈钢怕，所以我们要用不锈钢一定要消灭纳米孔或者是加 上钛涂层。这样把不锈钢板变成一个钛板。

MEA制备分了三代，现在第三代还没有商业化，现在商业化的是第二 代，但是第二代现在实验室做的都是电喷涂。装电堆要有一组装工艺，它是按 压力机方式组装的，这是在碱性燃料电池当中我提出来一个公式，通过这个公 式我有了单元电吃部件的尺寸，我就能知道370节电堆高度，这个电堆装成以 后应该是多高。这是按这个思路我们做的金属板电堆，正在装车示范运行，现 在状况还不错，这是大连新源动力装的金属板电堆，输岀功率是75千瓦，峰值 是85千瓦，他们准备把它开到100千瓦以上。

在这一部分我们建议组织整车厂牵头的包括电堆关键材料，电堆与关键 部件的攻关联盟，协同攻关，大幅度降低电池系统的成本。

比如说国内说做成催化剂是世界一流的，真正装燃料电池堆还是要买日 本和英国的。所以我们一定要在把企业和研究的联合起来，做出来以后在企业 当中进行试验，这样搞生产线也有销路。另外提高电堆的体积和重量比功率， 为开发乘用车奠定基础。我们提高电堆的比功率是降低燃料电池堆成本的最有 效的方法。另外我们要研究衰减机理，开发抗腐蚀，稳定的新材料，大幅度提 高发动机的可靠性与耐久性。再一个我们要研究非钳电催化剂，进一步将电池 的粕用量降低到每千瓦小于0.1克。

第二个降低氢气成本。氢的性质，有人说它能量密度高，是汽油的三 倍，它的体积能量非常低，氢是最轻的，所以搞氢做燃料最难点在储运。它很 轻，你要把它储存和运输是很困难的，另外氢很活泼。但是氢有两个优点，扩 散系数高，氢传感器灵敏，汽油的传感器，天然气传感器都很困难，可是氢的 传感器均是5-6个探头装成一个传感器，坏掉一个没有事，等剩两个的时候就要 更换，保证氢传感器的可靠性，这样就能做到氢的安全。

所以氢有优点也有缺点，它的缺点是体积比能量密度太低了，它的缺点 比较活泼，优点扩散系数高，容易测量。氢可以用电解水法来制备，主要是弃 风，弃光，也可以核电。最便宜是化石燃料煤制氢和天然气氢，但是这个时候 要排放二氧化碳。

所以说我们要把可再生能源的电价降到2-3毛，用可再生能源制氢就跟煤 制氢一样，那么怎么做到这一点呢？用弃风，弃光，弃水，建离网的风力发电 厂。现在电解水有三种，我们有三四个碱水电解槽制备厂，现在示范的是纯水 电解，高温蒸汽电解。

降低氢的成本就是改进电解结构，把电耗从现在5千瓦降到4千瓦，另外 要发展固体氧化物水蒸气电解的电解槽。另外我们建离网风电厂，用离网的风 电单独来电解水制氢，氧气可以用于煤的气化。关于净化这一部分，特别是副 产氢，我们希望不是动不动就用变压吸附，我们应该根据燃料电池的毒物来定 点消除。另外我们应该研发高分子有机化合物，它能够加脱氢，运输和储存就 是用这种氢，这样的话就把运输汽油和柴油的设备都用到运氢上，储氧量要大 于6%,再一个就是增气压要达到十的负六次方左右，这样有利于净化，另外我 们要搞液化氢示范运行。

最后一个建立加氢站的成本，这是我们上海安亭加氢站，这个当时用的 主要是焦化厂的副产氢。这是新源动力跟同济联合建的，这个加氢站有个好 处，可以做可再生能源各种氢气发生的联合实验。

从加氢站加氢的成本看，加氢站成本组成中，一个压缩机一个储氢的东 西，还有一个加氢头，这三部分比较高，所以这一部分我们希望建氢油混合加 氢站，这样土地费减少很多。第二个国内正在发展的氢气压缩机，氧气压缩机 的成本，隔膜压缩机的成本降下来，把这个成本降下来以后加氢站的成本就降 下来了，这是一个大头。另外我们要做自己的加氢头，成本也下来了。

另外，如果我们采用有机高分子化合物这种加脱氢储氢，我们要建油气 混合加氢站，我们就可以用原先储存汽油和柴油的设备来储存氢气，用的时候 就把它拿出来脱氢。所以说我们应该在这方面进行突破，突破以后就把现在加 油的一些设备都用上。谢谢大家。

（本文来自2019全球燃料电池汽车产业论坛，根据现场速录整理而成，如有错漏，敬请告知。）

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