“現(xiàn)在中國(guó)的加氫站有10臺(tái)左右正在運(yùn)行，明年預(yù)計(jì)有100臺(tái)左右。”中國(guó)工程院院士衣寶廉參加中國(guó)電動(dòng)汽車百人會(huì)論壇時(shí)說(shuō)。
今天講的題目是“車用氫燃料電池技術(shù)”，我認(rèn)為，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。
到2017年，中國(guó)有了2000多輛燃料電池車。昨天的報(bào)告說(shuō)，2018年要有1500多輛，要趕上美國(guó)了。
國(guó)際電池的現(xiàn)狀是，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，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。
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?，F(xiàn)在問(wèn)題是沒(méi)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，從2007年一直到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。
現(xiàn)在中國(guó)的加氫站有10臺(tái)左右正在運(yùn)行，明年預(yù)計(jì)有100臺(tái)左右，運(yùn)行最頻繁的還是張家口、云浮和上海，加氫量是最多的。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。
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)問(wèn)題，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。
要想降低燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的成本，特別是電堆成本，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，主要是做高效的電催化劑，現(xiàn)在國(guó)際上的通用是做鉑合金催化劑，核殼催化劑有三種辦法來(lái)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(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。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，這樣密度就可以提高到幾個(gè)安培每平方厘米。
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，但是空壓機(jī)內(nèi)耗會(huì)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。
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，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。
從電極制備來(lái)看目前共有三代，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)。
隨著關(guān)鍵材料的進(jìn)步，保護(hù)措施可以逐漸下降。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，啟動(dòng)、停車就沒(méi)有必要解決開路氧化問(wèn)題，所以現(xiàn)在材料還跟不上去，國(guó)際上看也沒(méi)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(lái)。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(shuō)，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)乘用車奠定了基礎(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(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)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，我們要盡快建立中立性的檢測(cè)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(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(lái)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(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。
