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    章俊良:車用燃料電池面臨著什么機遇和挑戰

    發布日期: 2019-05-29
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    2019年5月11日下午,上海交大燃料電池研究所所長章俊良在出席第十一屆中國汽車藍皮書論壇第二日會議時,并發表了題為“車用燃料電池技術發展的機遇與挑戰”的演講,他認為燃料電池在歐美日發達國家已有成熟的產業鏈,而在我國還有很多短板,核心技術和原材料依賴進口,對產業鏈上游重視不夠,而燃料電池大規模產業化的主要難點在于成本,并對如何降低燃料電池核心部件的成本發表了自己的看法。

    各位領導,各位專家,大家下午好!我來自上海交通大學燃料電池研究所,非常感謝“2019第十一屆中國汽車藍皮書論壇”的邀請,有機會跟大家做一個匯報和交流。

    我演講的題目是“車用燃料電池技術發展的機遇與挑戰”。

    燃料電池的原理和結構

    燃料電池工作方式其實是跟內燃機一樣的,把燃料(氫氣)輸入到燃料電池里面去,吸入空氣中的氧氣,發生化學反應,生成水發電,一部分余熱放出來。

    它的特點是,效率高、綠色、無污染,被認為是我們汽車能源的終ji方案,直接可以將氫氣化學能轉化為電能,效率可以占60%以上,無排放污染,排出來的是純水。

    它的關鍵材料,包括膜電極、碳紙、催化劑、雙極板等。把燃料電池的原理放到電堆里面看,除了剛才提到的膜電極、催化劑、碳紙,還包括密封材料、端板、輔助結構,形成電堆,電堆就是功能部件了。

     

    這是在系統里面的組成部件,為什么說跟內燃機工作方式是類似的,它除了有電堆之外,還會有空氣單元,就是空壓機,還有氫氣單元,就是供氫系統,相當于汽車里面的燃油系統,甚至還有氮氣單元,提供燃料電池保護,還有散熱循環水單元,我們內燃機里面也有散熱系統,還有控制單元,當然這些都是以電堆為中心來組織它的運行機理。

    系統放到車里面去,還要有電池來協助,共同來推動汽車的運動,包括DC/DC的控制,終是到電動機上,驅動輪轂電機。

    目前,燃料電池已經作為汽車動力,已經應用到乘用車和商用車里面了。簡而言之,燃料電池用氫氣、氧氣,工作方式跟內燃機非常相近,只要有燃料供應就可以發電。

    燃料電池的趨勢和背景

    下面介紹一下燃料電池的發展趨勢和國內外的背景。從背景來講,化學能源是一次能源,它在枯竭的時候,必須要有可再生能源來替代,燃料電池是比較理想的替代品。

    2040年,主要產油國都只能保證本國消耗,2080年,*的石油可能就用光了,到時候用什么動力,是值得我們思考的。

    迫于環境壓力,不管是美國、歐洲、中國,排放法規都是越來越嚴苛的,只有新能源技術才能從根本上解決這些排放問題,這已經取得了能源動力界的共識。

    到2050年,二氧化碳排放水平要降到2005年的一半水平,我們國家對此也做過承諾,要達到這個目標,燃料電池汽車和純電汽車必將是未來汽車動力的主流。

    2017年,工信部辛國斌副部長就提到了禁售燃油車,當時因為各個國家紛紛提出來了燃油車慢慢要禁售,甚至印度也說要禁售燃油車,當時辛部長也說我們中國也要開始研究制定傳統燃油車停產停售的時間表,節能減排已經成為國內外的一個大的趨勢。 

    從車廠來看,歐洲的、日本的、美國的主流汽車廠,都已經開始紛紛講,要陸續停產燃油車,據我所知,至少很多車廠新燃油車的研發都已經停掉了,研發都集中在電動車和燃料電池汽車上,當然燃油車還在生產。

    新能源汽車,作為我們國家戰略,其實不僅僅是解決燃油能源和環境的問題,其實關乎中國在這一輪的能源動力革命上是不是能占領制高點,對于我們國家的長期經濟會有深遠的影響。

    如果大家了解一下能源動力的歷史,可能會發現,其實每一代能源革命的成果至少管一百年以上。從代蒸汽輪機到發展到內燃機,其實現在能源動力還是內燃機為主的,都是有一百多年的歷史。

    現在我們機會來了,我們錯過了代,也錯過了第二代,現在的電動化時代,中國是不是走到*zui前面去,可能我們在座的都要貢獻自己的力量。

    這幾年,大家談了很多鋰離子電池的電動化,燃料電池跟鋰離子電池有什么區別呢?其實在發電上,它們都是用電化學能源來發電,就是說把化學能轉為電能,或者把電能轉為化學能,來回互換。

    對于燃料來講,儲存在儲氫罐里,加注非???,增加里程不會增加發動機的體積,動力電池可能是恰恰相反,它能量全部儲存在電池里面,會產生一系列不一樣的地方。

    對于新能源汽車,到底是選擇燃料電池汽車還是鋰電池汽車,業界基本上也有一個共識,就是一定里程范圍內,可能鋰電池更有優勢,超過一定里程應該是燃料電池的天下,為什么?這是因為這兩種方案的成本、材料特征、科學原理都有各自的瓶頸。

    當然,具體說跑多少公里就是燃料電池占優,要根據技術發展水平,根據各個國家的政策而定,以前是有一個130公里的分割線,當時是通用汽車論證的。

    我曾經在通用汽車工作很多年,通用汽車認為行駛里程在130公里以下,可能是鋰電池的天下,但是130公里到200公里左右可能是共存的,大于200公里就是燃料電池占優勢的區間。

    里程達到130公里的時候,其實兩個方案的設備體積是差不多的,里程再加長,鋰電池的成本是呈指數增加,而燃料電池只是增加儲氫罐的數量和體積,所以價格增長是非常平緩的。

    從加氫站和充電樁角度來看,如果要大規模布置加氫站和充電樁,尤其所謂的快充充電樁,其實長遠角度來講加氫站會比充電樁還便宜。

    如果大規模布置,還要在10分鐘、20分鐘之內充完電,充電樁不是簡單的事,加氫站也要非常大的投入才能做到,但是至少是可比的。

    加氫站我們國內也有了,*都已經有了,當然受限于法規和各種條件,國內發展比較緩慢,但是從 “兩會”《政府工作報告》里可以發現, “十四五”中可能要大力推廣加氫站的建設。

    就成本而言,其實在過去十年燃料電池的成本已經下降了一半多,這是為什么目前大家都已經看到,燃料電池汽車可能馬上要起來的樣子。

    其實燃料電池的成本再下降38%,就接近了目標成本,可以跟內燃機的成本相當,當然是指批量化的,不是指小規模的1000輛、1萬輛,而是指50萬輛以上的價格。

    相關機構預測來看,大概2030年左右,燃料電池價格可以達到內燃機的水平,基本上可以接上燃油車停產的時間表。

    下面簡單講一下燃料電池的研發動態,不管是日本的車廠(如豐田、本田),還是美國通用、德國車廠,都已經生產出自己的燃料電池汽車,它的動力性和各方面的表現,都跟我們燃油車相當,可以看得出來,它實用化的技術問題基本上解決了。

    關于它的壽命,據聯合技術公司(UTC)2018年公布的商用車燃料電池壽命已經達到18000小時,現在xian進的技術,壽命已經超過27000小時了,對于乘用車,大部分公司的燃料電池汽車壽命都在5000小時以上了。

    據我去年知道的數據,豐田的燃料電池車跑了3000小時,車里邊的燃料電池一點變化都沒有,非常健康,一點衰減都沒有,所以壽命是燃料電池的長處。

    成本是燃料電池大規模產業化的主要瓶頸

    燃料電池的成本,主要的瓶頸是其中的貴金屬用量,我們大家都知道燃料電池里面用貴金屬鉑,目前大概是0.3克/千瓦到0.2克/千瓦,從原來的1克/千瓦,到現在的0.3克/千瓦,過去15年左右,鉑載量已經下降了70%到80%了,如果能下降到0.1克/千瓦,就可以全面普及燃料電池汽車的應用。

     

    對于上的燃料電池產業生態,不管是日本也好、美國也好,還有歐洲,它們其實都已經有非常成熟的產業鏈,包括從原材料、催化劑到極板、膜電極,還有碳紙、電堆以及系統,非常完善的產業鏈都已經出來了。 

    我們中國,產業鏈后面會好一些,但前面其實是殘缺不全的。國內的發展現狀,可以看一下我們國內現在是什么情況,大家都知道國外主流燃料電池是5000小時,UTC的燃料電池現在是27000小時了,國內現在大概是3000小時左右,當然還在提高。

    5000小時是一個大規模產業化的門檻,按5000小時測算,燃料電池可以在車上用10年。還有就是我們的成本,現在我國燃料電池的主要原材料還是依賴于進口,成本上不占優勢,這也是一個基本的結論。

    還有就是我們現在的投資,過多地集中于技術集成,對產業鏈上游關注不夠,尤其是低水平的重復投資比較多,我希望引起業界和媒體界的關注。

    燃料電池終要走向產業化,上游的東西不解決好,它是沒法大規模產業化的,無非就是拿一些國家補貼,所以說這個對我們國內來講,尤其值得大家警惕。

    我們國家 “十三五”期間就已經發布了燃料電池發展路線圖,當時“三縱三橫”里面包含燃料電池,燃料電池從技術路線、發展重點都已經有了非常成熟的路線圖,現在一步一步地展開實施。

    從我所在上海市的角度來講,也是有遠期的、中期的、近期的規劃,包括創建產業園區、重大專項、產業基金都非?;钴S,因為上海是燃料電池這塊人才、技術比較集中的地方。

    另外,我們燃料電池界的人士衣寶廉院士認為,要大規模產業化有四個基本條件,是壽命要大于5000小時;第二是成本售價,如果不計補貼,可以跟鋰電池車或者是燃油車接近;第三是基礎設施,要有廉價的氫氣供給;第四,如果加上補貼,整個產業鏈需要盈利,這樣才能做得下去。

    當前國內車用燃料電池尚未達到大規模產業化的程度,但是可以產業化,只是不能做幾百萬輛,那是不現實的。

    對于車用燃料電池大規模產業化,我有一些自己的想法,不一定成熟,我認為需要政府加強對燃料電池技術的投入、引導和規范,對研發應該加大經費投入,降低燃料電池成本,提高它的壽命。

    比如我們的燃料電池壽命現在3000小時,上是5000小時,做一個示范應用工程是可以的,要大規模產業化還是有點問題的。

    我國在基礎設施上要加大加氫站的建設力度,政策要給予各類優惠和刺激,引導規范要對各個環節的產業鏈都需要布局,而不只是集中于后端。尤其是幾個非常關鍵的問題,對于核心技術,一個就是低鉑載量、非貴金屬催化劑的研發,還有跟它匹配的膜電極的研發,長壽命極板涂層技術,衰減機理,還有低功耗空壓機,它的要求非常高,一分鐘要達到15萬轉。

    現在我們國內也在成立各種專業化的公司,構建成熟的產業鏈,夯實產業基礎,這也是我們可以看到的一些進步。

    如何解決低成本燃料電池的困境

    低成本燃料電池的困境,不管是國內還是都面臨這樣一個問題,其實就是成本。目前燃料電池的性能包括低溫啟動、壽命都已經達到了產業化的要求,至少是成熟的水平。而成本,至少還比門檻高1倍,我們現在催化劑的成本是不足以支撐大規模產業化的。

    那么,是不是就沒有出路呢?這是它的一個路線圖,這是我自己總結出來的,從2000年到2015年,從1.1克/千瓦到現在的0.2克/千瓦,降低了80%左右。

    如果按照這個路線圖下去,可能2020-2025年之間能達到全面產業化的水平。這是根據什么來預測的呢?根據路線圖來預測,2000年到2008年的時候,用的其實是代鉑碳催化劑,2015年第二代鉑合金催化劑基本上已經成熟了,現在已經做到ji致了。那么第三代催化劑是什么?如果第三代催化劑沒有,第三代膜電極沒有,燃料電池是走不下去的。

    這里面技術細節我稍微講一下,利用超低鉑催化劑作為膜電極材料的時候會出現膜電極里面的傳質問題,對此研發的結論,我們作為論文發表了,有興趣的可以找文獻看一看。

     

    當鉑載量下降到0.05克/千瓦,陰陽極加起來下降到0.1克/千瓦的時候,電極里面傳遞質子的阻力達到整個傳質阻力的77%,這種阻力在以前高鉑情況下是可以忽略不計的,但是如果這77%的阻力不解決,那么鉑載量就下降不了。我們研究這里面的機理,發現這既是一個經濟問題,也是一個技術問題,終它是一個科學問題。

    這個問題到底怎么解決?我們做了大量的研發工作,現在我簡單講一些它的概念和結論,鉑裁量下降后,鉑實際上是不夠用的。

    我們現在用的都是鉑顆粒來做催化劑,只有表面的鉑原子會參與催化反應,如果把鉑原子全部鋪到其他金屬的表面,做成雞蛋殼的樣子,雞蛋殼的厚度是一個原子的厚度,那么所有的鉑就都用上了,這樣的話鉑的用量就足夠了。

    這種設計可以讓鉑載量下降到原來的1/4-1/5,還可以減弱傳質阻力。這是我們研究的結果,具體的結論不講了。

    我們做出來的催化劑和膜電極也得到一些應用,目前從我們課題組出去的博士后開了公司,叫唐鋒能源,做膜電極的,目前代、第二代膜電極都已經成熟,投入批量生產了,在向主機廠批量供應,第三代是在試制批量過程中。我們的30千瓦電堆也做好了,下一步做60千瓦到100千瓦的電堆??傮w來講,燃料電池的技術水平進步還是比較快的。

    總結一下,我們國內外燃料電池汽車產業正在逐步成熟,與發達國家相比,我們國家的燃料電池核心材料、部件水平、整體壽命還有一定的差距,低成本燃料電池發展主要受制于低鉑、超低鉑的催化劑和膜電極,就是第二代、第三代的催化劑、膜電極,基礎問題和科學問題都需要解決。

    第二代膜電極,也就是國外用的主流膜電極,我們國內主要的車廠可能只有上汽在用,用的就是我們研發生產的,其他的車廠還沒有用第二代膜電極的,這是我們國家的短板。

    第二代膜電極是走不到終點的,一定要第三代出來。第三代是關鍵,我們上海交大燃料電池研究所對膜電極的研究走在*的前面,也有可能第三代從我們研究所直接出來了,那個時候確實可以引導燃料電池全面產業化。

    感謝科技部和基金委、上海市科委、上汽集團的經費支持,還有我們團隊的老師、博士后,尤其感謝我們“中國汽車藍皮書論壇”的主辦方。

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