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    泰達論壇|衣寶廉院士:提高車用燃料電池可靠性與耐久性(審定稿)

    發布日期: 2019-09-02
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    以“全面深化改革開放 發展壯大新動能”為主題,旨在凝聚行業集體智慧和力量,為實現汽車強國的發展大計而不懈努力的“2019中國汽車產業發展(泰達)論壇”8月30日至9月1日在天津召開,該論壇已連續舉辦十五屆。

    中國工程院院士衣寶廉在“院士論壇:謀新求變、開放融合“環節發表了題為“提高車用燃料電池可靠性與耐久性”的主題演講。

    內容經衣院士本人審核如下:

    尊敬的楊院士、李院士、高書記以及各位嘉賓,下午好!我講的題目是提高車用燃料電池的可靠性和耐久性。我分兩部分進行演講,部分簡單介紹一下國內外燃料電池車的現狀,下一部分是怎么提高燃料電池的可靠性和耐久性。

    燃料電池發電的原理是電化學,因此效率比較高,燃料電池的工作方式是內燃機的,跟鋰電池比它的能量不是儲存在電池里,所以盡管燃料電池的膜也有破的時候,但是破了電壓下降,我們把氫氣關掉,不會產生燃燒和爆炸,所以燃料電池是比較安全的,能量和轉化發電是分開的。

    把燃料電池裝到車上,現在一般都是混合動力的、電電混合的、直驅的方式,不是充電式。跟燃油車相比,用氫瓶代替了油箱,燃料電池發動機代替了內燃機,得到的好處就是排放沒有污染物了,就是排放水,代價現在就是運行費用高、發動機成本高,兩個貴。

    燃料電池車的性能現在從續駛里程、加氫的時間,從駕駛人員的感受以及舒適性、適應性都達到了燃油車的水平,因此如果不存在兩高,燃料電池完全可以代替燃油車,但是它有兩個大的攔路虎,一個是發動機的成本比較高,一臺燃料電池車的售價是燃油車的一倍,比如說大巴車,柴油車賣一百多萬,燃料電池車賣到二百萬,小轎車也是這種狀況。再有運行費用比較貴,運行費用現在是用市電電解水,制氫。燃油車一百公里大概消耗七八升油,也就是40多塊錢,一公斤氫七八十,運行費用比較高,費用低的鋰電池車,跑一百公里平均15度電左右,一度電一塊錢,才15塊錢,所以燃料電池車要想大規模應用,還要把兩高消滅掉,一公斤氫賣40塊錢左右,燃料電池車成本與鋰離子車相近,我想燃料電池車是可以普及的,這個時間我預計還要三年到五年左右。

    現在燃料電池發動機從體積來看,已經可以跟內燃機相比,去年在??陂_會,本田說已經達到了六缸內燃機的水平,乘用車都超過了5000小時,大巴車達到了20000多小時,壽命還是可以的,但不是每一輛都能達到這種水平。從造價來看還是比較貴的,這里有一個不僅僅是價錢,還有資源的限制,就是鉑的用量問題,現在一千瓦上用鉑是0.2克,國內降到了0.3克左右,要想成百萬輛的生產需要降到0.1克以下,現在實驗室已經達到了這個要求,所以鉑用量不是一個核心因素了,原來我們看得很重,但是由于比功率的提高和催化劑活性的提高,鉑的問題現在看來有希望了。

    國內從2001年成立電動汽車國家專項以來到現在就做這方面的研究,已有20年的時間了。我們從2005年以后,整車開始跑了,2007年參加了上海大賽,2008年奧運會有23輛燃料車參與運行,2007年有16輛轎車到美國加州進行了實驗,2010年有一輛大巴到新加坡參加了世青賽,196輛燃料電池車參加了上海世博會的示范運行,所以上看zhong國示范的燃料電池車還是比較多的,積累了豐富經驗。但是在世博會以前的示范著眼點不是經濟,不是做一臺車花多少錢,運行一百公里花多少錢,而是著眼燃料電池車能不能適用,著眼的是技術問題。那個時候的示范叫技術性的示范,現在也叫示范,產業化的初始階段,但是這個示范是經濟性的示范,我考察經濟上可不可行。

    在奧運會示范以后上汽搞了一個創新征程,分南線和北線,它的目的就是考察三種電動車,鋰電池車、燃料電池車和混合動力車對中國環境的適應性。所有的車都在西藏進行了預熱,當時我擔心的燃料電池車在西藏能不能跑起來,實驗結果還是能跑,速度上不去,因為西藏的氧濃度只有10%,所以三種車在我國的地理環境下不管是沿海還是內地,都能行。所以這個示范還是行成功的。

    另一個大行動的是2018年2月11日成立了中國的氫產業聯盟。我們國家的大國企,像能源集團、“三桶油”都在能源聯盟里,所以它是發展氫能和燃料電池的中流砥柱,國企還是有雄厚的資金實力,所以聯盟的成立現在又發表了白pi書。

    2018年“十三五”支持燃料電池的經費已經達到了8個多億,后批的一批還未計入,拿得多的一個是北方團隊,就是大連化物所,搞燃料電池基礎研究,4900萬,還有上汽的大股東的新源動力,拿了一億兩千五百多萬,總計近1.8個億。

    這個是燃料電池車的公告數,現在已經過時了,近期又批了好多。

    現在裝車的電堆大部分還是卡補貼的,以30千瓦起步,上限是60千瓦。上裝車的都是100千瓦左右,我們的功率相比來講還是低的,特別是做乘用車,乘用車燃料電池的功率要是五六十千瓦,就得依靠鋰離子電池,所以鋰離子電池的不安全性帶到了燃料電池車上。所以乘用車用的燃料電池應該在100千瓦數量級。到現在,要按車數算,大概有4000多輛車投放了市場,但是我得到的消息是有2000多輛車在運行。

    發動機成本占比,燃料電池堆大約是50%,現在實際裝車燃料電池發動機的成本燃料電池堆已經達到了60%到70%,因為空氣循環泵和氫瓶成本都大幅度下降了,原先在國內裝車是1:1,現在電堆的成本已經上升到70%左右。

    國內到現在有23個省市相繼發布了氫能和燃料電池的發展計劃,所以國內很熱。我認為基礎hao的還是以上海為中心的長三角地區,他們有三大平臺,示范的車輛也近千輛,所以發展基礎是雄厚的,其次是珠三角,廣東省為核心的,還有就是北方以清華、億華通支撐起來的,和宇通公司,以冬奧會為突破口的張家口地區,所以燃料電池三個示范比較好的地方,長三角、珠三角和張家口地區。

    現在的車國內公開出售的商用車是V80,V80是上汽大通做的,電堆是大連新源的,遼寧省新賓想買60輛,實際到貨是40輛,在新賓縣運行。

    乘用車方面,也是上汽裝的榮威950,在黑龍江跑了,可以在零下20度儲存和使用,用的是新源動力復合板的電堆,性能還不錯,可以公開買到。

    億華通收購了神力,能夠組裝三種功率的電堆,30千瓦的電堆和60千瓦的電堆,它這個電堆的雙極板是石墨粉和樹脂沖壓出來的,所以這個雙基板電導低一點,但是很實用,跟新源的復合板可以相比,實際豐田也是復合板。億華通在電池系統方穩坐是把交椅。

    宇通車做得比較多,已經是第四代了,自己建了加氫站,億華通和宇通的客車在張家口,大客車一共是74輛,利用億華通的技術福田裝了49輛,宇通提供了25輛,這74輛車在張家口跑的非常好。得出的結論,燃料電池車非常適合于寒冷地區的運行,因為鋰離子電池車在冬天負30度的時候容量衰減比較大,如果開空調續駛里程又大幅度下降,燃料電池工作溫度是靠自己的余熱,所以冬天跟夏天沒什么區別,夏天排熱還困難,冬天可以用燃料電池的余熱,因為它是80度給大客車取暖,空調還不耗電,所以說得出來一個結論,在張家口示范運行證明燃料電池車特別適合于寒冷環境下的運行,不但里程不縮短,能量利用效率由于空調不用開,還提高了。

    我上面講的兩種不管是上汽跟新源,還是億華通和神力這都是國產技術。下邊就是國鴻,膨脹石墨雙基板,把膨脹石墨沖壓成型,往里面灌樹脂,這種電堆體積比功率在1.5-1.8,比較低,但是很可靠。所以國鴻生產的電堆在國內示范車當中的占有率達到了70%-80%,國內跑的好幾千輛車有70%-80%的電堆出自國鴻。

    而且國鴻引進除了30千瓦、50千瓦,還有80千瓦、85千瓦,85千瓦裝大巴車就更好了。同時他們在云浮利用這種電堆裝了城市的輕軌下線示范運行了,所以說國內這兩條路走的都不錯。

    所以我們現在看來,國內電堆已經超過了5000小時,達到了一萬多小時,跑車也跑出來了,但不是每一輛,不光國鴻的電堆還是新源的,還是神力的都跑過了5000小時和10000小時。我們也成長起來一些企業,但是我們的問題就是產業鏈還不全,大部分的關鍵材料與部件還是依賴進口?,F在裝車的電堆都是在每立升兩千瓦左右,正在發展的以新源動力以及國內其他一些公司都做到了每立升三千瓦,但是這些電堆裝車是裝了,但是還沒有跑過5000、10000,要把這個數據跑出來才能說達到了國外的水平,在這個過程當中還有很長的路要走。

    這是新源動力裝的金屬板電堆,這個電堆它是75千瓦,正常輸出功率,峰值功率是85,已經達到了每立升3.4千瓦,正在裝車跑。所以萬部長在長春的科學年會上講了,國內燃料電池在壽命、可靠性、使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的燃料電池汽車動力系統技術平臺,未來要加強協同創新,加快推進氫能燃料電池產業的全面發展。我總結了幾點。

    ,我們積累了大量的示范經驗,具備了進行大規模示范,考核經濟性的基礎。

    第二,我們應該盡快實現關鍵材料、電催化劑、質子交換膜、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。

    第三,提高電堆的比功率,降低電堆成本和鉑用量。燃料電池車發展了二三十年,成本降下來主要是提升比功率,一開始國內國外每平方厘米是300毫安,后來升到了500-800毫安,第三階段是800到1個安培,現在是1-1.5安培,將來的發展方向是2-3安培,如果能做到2.5-3安培每平方厘米,燃料電池的成本就能達到每千瓦一千塊錢,鉑用量就小于0.1克,別的都不用改,所以說提高電堆的比功率是降低電堆成本的有效的辦法。

    第四,我們要進一步提高電堆的可靠性和耐久性,為什么要這樣做呢?因為現在燃料電池堆里用的材料把氫氣和氧氣送進去要穩定的開,在車用工況下很快垮了。我們要給燃料電池堆制造一個非常溫馨的,適合它生存的環境,來確保燃料電池的壽命。

    下邊我就講這部分。就是工況,車開起來一會兒加速、一會兒減速,一會兒停車,導致燃料電池堆電流電壓大幅度波動,濕度、壓力都是波動的,所以這些波動就導致催化劑腐蝕,化學損傷,頭三輛大巴車都不到一個月全部都死掉了。

    那么解決的措施,件事情就是電電混合,司機把油門踩下去,這個電大概毫秒級到微秒級就變化了,可是燃料電池把電發出來,空氣氧氣要送進去,這個時間是秒級的,所以燃料電池就跟不上,它就欠氣,要反極和腐蝕。一開始做純燃料電池車,國外怎么做呢?要延遲幾秒,即要做預供氣,司機踩油門先把氣量增加,包括開始買的外國的純的燃料電池車都有預供氣,也就是說踩下去都有延遲,根據速度不一樣,延遲時間不一樣。

    采用了電電混合以后,駕駛性能達到了燃油車的要求,踩下以后鋰離子電池先給驅動電機供電,燃料電池增加氣體,同時增加功率輸出,燃料電池功率輸出增加鋰離子電池往下降,后都是燃料電池,鋰離子電池電量少的時候給鋰離子充電,所以說這個電電混合是必須的,被*采用。這個就是我們國家以萬鋼為代表的搞車的同志提出來的,不是可有可無的事,純燃料電池車就是要回到預供氣那個階段,它的操作方式跟燃油車不一樣。司機的感受不一樣,馬上是加速不了的,這就是說燃料電池它的功率增加是有一定的限制,得把氣供上,所以電電混合以后就解決了這個問題。

    二是電池使燃料電池運用更平穩、壽命更長。像豐田為了安全不用鋰電池,也有用超電容的,這就是解決了快速加載的問題。

    第二個是開路、怠速、低載都會產生高電壓。在0.85伏以上,碳粉的氧化速度也加快,這都會產生鉑的流失。用作催化的活性鉑越來越少,所以電堆的壽命就會縮短。要控制燃料電池的電壓在0.85伏以下,就要限制這些高電位,特別是控制啟動停車,因為啟動停車會造成鉑大量的流失??刂茊油\囉行У霓k法是采用放電,把高電位消除。高電位不消除,啟動停車一次每節電池電壓衰減0.35伏。消除電堆高電壓放電以后,電堆性能基本上就平穩了。像豐田的電堆,一個電堆370節,一次啟停就要下降一百多伏。

    再有一個,低溫,水結冰體積會增加,所以一定要解決低溫儲存和啟動問題。電池里邊有三種水,一個跟磺酸結合的束縛水,一個是自由活動的自由水,還有是介于之間的半束縛水。半束縛水束縛力越強結冰溫度越低,所以在低溫下要將燃料電池內自由水全部吹光,這樣的話結冰以后才不會破壞膜和電極的結構,啟動的時候可以用二次電池輔助加熱電堆,在制定一定提升電流程序等就可以啟動起來了。

     豐田為了更好的解決這個問題,它可以現場測量水含量?,F在國內清華大學和化物所都能做到這一點了。后一個就是陽極水管理,燃料電池的水是在氧電極生成的。所以不能叫氫電極表面有水滴,要搞陽極的氫循環,氫循環搞起來陽極就沒有水滴了,這件事情可以延長燃料電池的壽命2000小時以上。

    在中國還有一個特點就是硫化氫和二氧化硫,二氧化硫對燃料電池是一個累計性的毒物,二氧化硫多了以后性能比較下降,我們買德國的三輛大巴,在北京開兩三個月不行了,后來說是因為北京市冬天大氣中的二氧化硫的影響。所以二氧化硫中毒可以用高電位方法掃描清除,但是性能不會恢復到原有的。我們所搞了電化學氧化,我們用電化學的辦法把二氧化硫氧化為三氧化硫,氧化就是要做一個電化學反應器,電量消耗很少,空氣當中的二氧化硫是PPM極。作為燃料電池除了解決上述問題,我們還要借助鋰電池車的經驗解決電安全問題,還要解決氫安全問題。要建立燃料電池健康狀態的指示。這個車是黃燈還是紅燈,紅燈得停了,紅燈是檢修了,綠燈是正常的,另外在突發事故的時候,怎么把燃料電池的電堆電壓從200多伏怎么降到安全電壓60伏以下,這些工作我們都在做,都有了一些結果。

    所以我建議盡快完善燃料電池發動機的產業鏈,提高電堆的工作電流密度,提高燃料電池的體積和重量比功率,為乘用車奠定基礎。另外深入研發電堆衰減機理,開發抗腐蝕新材料、大幅度提高發動機的可靠性與耐久性,希望我們在2023-2025年把燃料電池車的成本降到跟鋰離子電池車比較近的水平。

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