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章俊良:车用燃料电池面临着什么机遇和挑战

放大字体  缩小字体 发布日期:2019-05-30  来源:和讯名家   浏览次数:3385
核心提示: 2019年5月11日下午,上海交大燃料电池研究所所长章俊良在出席第十一届中国汽车蓝皮书论坛第二日会议时,并发表了题为车用燃料

 2019年5月11日下午,上海交大燃料电池研究所所长章俊良在出席第十一届中国汽车蓝皮书论坛第二日会议时,并发表了题为“车用燃料电池技术发展的机遇与挑战”的演讲,他认为燃料电池在欧美日发达国家已有成熟的产业链,而在我国还有很多短板,核心技术和原材料依赖进口,对产业链上游重视不够,而燃料电池大规模产业化的主要难点在于成本,并对如何降低燃料电池核心部件的成本发表了自己的看法。

  下面是章俊良演讲的录音整理,内容未经本人审定,并有删节,题目为编者所加。

  各位领导,各位专家,大家下午好!我来自上海交通大学燃料电池研究所,非常感谢“2019第十一届中国汽车蓝皮书论坛”的邀请,有机会跟大家做一个汇报和交流。

  我演讲的题目是“车用燃料电池技术发展的机遇与挑战”。

  燃料电池的原理和结构

  燃料电池工作方式其实是跟内燃机一样的,把燃料(氢气)输入到燃料电池里面去,吸入空气中的氧气,发生化学反应,生成水发电,一部分余热放出来。

  它的特点是,效率高、绿色、无污染,被认为是我们汽车能源的终极方案,直接可以将氢气化学能转化为电能,效率可以占60%以上,无排放污染,排出来的是纯水。

  它的关键材料,包括膜电极、碳纸、催化剂、双极板等。把燃料电池的原理放到电堆里面看,除了刚才提到的膜电极、催化剂、碳纸,还包括密封材料、端板、辅助结构,形成电堆,电堆就是功能部件了。

  这是在系统里面的组成部件,为什么说跟内燃机工作方式是类似的,它除了有电堆之外,还会有空气单元,就是空压机,还有氢气单元,就是供氢系统,相当于汽车里面的燃油系统,甚至还有氮气单元,提供燃料电池保护,还有散热循环水单元,我们内燃机里面也有散热系统,还有控制单元,当然这些都是以电堆为中心来组织它的运行机理。

  系统放到车里面去,还要有电池来协助,共同来推动汽车的运动,包括DC/DC的控制,最终是到电动机上,驱动轮毂电机。

  目前,燃料电池已经作为汽车动力,已经应用到乘用车和商用车里面了。简而言之,燃料电池用氢气、氧气,工作方式跟内燃机非常相近,只要有燃料供应就可以发电。

  燃料电池的趋势和背景

  下面介绍一下燃料电池的发展趋势和国内外的背景。从背景来讲,化学能源是一次能源,它在枯竭的时候,必须要有可再生能源来替代,燃料电池是比较理想的替代品。

  2040年,主要产油国都只能保证本国消耗,2080年,全世界的石油可能就用光了,到时候用什么动力,是值得我们思考的。

  迫于环境压力,不管是美国、欧洲、中国,排放法规都是越来越严苛的,只有新能源技术才能从根本上解决这些排放问题,这已经取得了能源动力界的共识。

  到2050年,全球二氧化碳排放水平要降到2005年的一半水平,我们国家对此也做过承诺,要达到这个目标,燃料电池汽车和纯电汽车必将是未来汽车动力的主流。

  2017年,工信部辛国斌副部长就提到了禁售燃油车,当时因为各个国家纷纷提出来了燃油车慢慢要禁售,甚至印度也说要禁售燃油车,当时辛部长也说我们中国也要开始研究制定传统燃油车停产停售的时间表,节能减排已经成为国内外的一个大的趋势。

  从车厂来看,欧洲的、日本的、美国的主流汽车厂,都已经开始纷纷讲,要陆续停产燃油车,据我所知,至少很多车厂新燃油车的研发都已经停掉了,研发都集中在电动车和燃料电池汽车上,当然燃油车还在生产。

  新能源汽车,作为我们国家战略,其实不仅仅是解决燃油能源和环境的问题,其实关乎中国在这一轮的能源动力革命上是不是能占领制高点,对于我们国家的长期经济会有深远的影响。

  如果大家了解一下能源动力的历史,可能会发现,其实每一代能源革命的成果至少管一百年以上。从第一代蒸汽轮机到发展到内燃机,其实现在能源动力还是内燃机为主的,都是有一百多年的历史。

  现在我们机会来了,我们错过了第一代,也错过了第二代,现在的电动化时代,中国是不是走到全世界最前面去,可能我们在座的都要贡献自己的力量。

  这几年,大家谈了很多锂离子电池的电动化,燃料电池跟锂离子电池有什么区别呢?其实在发电上,它们都是用电化学能源来发电,就是说把化学能转为电能,或者把电能转为化学能,来回互换。

  对于燃料来讲,储存在储氢罐里,加注非常快,增加里程不会增加发动机的体积,动力电池可能是恰恰相反,它能量全部储存在电池里面,会产生一系列不一样的地方。

  对于新能源汽车,到底是选择燃料电池汽车还是锂电池汽车,业界基本上也有一个共识,就是一定里程范围内,可能锂电池更有优势,超过一定里程应该是燃料电池的天下,为什么?这是因为这两种方案的成本、材料特征、科学原理都有各自的瓶颈。

  当然,具体说跑多少公里就是燃料电池占优,要根据技术发展水平,根据各个国家的政策而定,以前是有一个130公里的分割线,当时是通用汽车论证的。

  我曾经在通用汽车工作很多年,通用汽车认为行驶里程在130公里以下,可能是锂电池的天下,但是130公里到200公里左右可能是共存的,大于200公里就是燃料电池占优势的区间。

  里程达到130公里的时候,其实两个方案的设备体积是差不多的,里程再加长,锂电池的成本是呈指数增加,而燃料电池只是增加储氢罐的数量和体积,所以价格增长是非常平缓的。

  从加氢站和充电桩角度来看,如果要大规模布置加氢站和充电桩,尤其所谓的快充充电桩,其实长远角度来讲加氢站会比充电桩还便宜。

  如果大规模布置,还要在10分钟、20分钟之内充完电,充电桩不是简单的事,加氢站也要非常大的投入才能做到,但是至少是可比的。

  加氢站我们国内也有了,全世界都已经有了,当然受限于法规和各种条件,国内发展比较缓慢,但是从 “两会”《政府工作报告》里可以发现, “十四五”中可能要大力推广加氢站的建设。

  就成本而言,其实在过去十年燃料电池的成本已经下降了一半多,这是为什么目前大家都已经看到,燃料电池汽车可能马上要起来的样子。

  其实燃料电池的成本再下降38%,就接近了目标成本,可以跟内燃机的成本相当,当然是指批量化的,不是指小规模的1000辆、1万辆,而是指50万辆以上的价格。

  从相关机构预测来看,大概2030年左右,燃料电池价格可以达到内燃机的水平,基本上可以接上燃油车停产的时间表。

  下面简单讲一下国际燃料电池的研发动态,不管是日本的车厂(如丰田本田),还是美国通用、德国车厂,都已经生产出自己的燃料电池汽车,它的动力性和各方面的表现,都跟我们燃油车相当,可以看得出来,它实用化的技术问题基本上解决了。

  关于它的寿命,据联合技术公司(UTC)2018年公布的商用车燃料电池寿命已经达到18000小时,现在最先进的技术,寿命已经超过27000小时了,对于乘用车,大部分公司的燃料电池汽车寿命都在5000小时以上了。

  据我去年知道的数据,丰田的燃料电池车跑了3000小时,车里边的燃料电池一点变化都没有,非常健康,一点衰减都没有,所以寿命是燃料电池的长处。

  成本是燃料电池大规模产业化的主要瓶颈

  燃料电池的成本,主要的瓶颈是其中的贵金属用量,我们大家都知道燃料电池里面用贵金属铂,目前大概是0.3克/千瓦到0.2克/千瓦,从原来的1克/千瓦,到现在的0.3克/千瓦,过去15年左右,铂载量已经下降了70%到80%了,如果能下降到0.1克/千瓦,就可以全面普及燃料电池汽车的应用。

  对于国际上的燃料电池产业生态,不管是日本也好、美国也好,还有欧洲,它们其实都已经有非常成熟的产业链,包括从原材料、催化剂到极板、膜电极,还有碳纸、电堆以及系统,非常完善的产业链都已经出来了。

  我们中国,产业链后面会好一些,但前面其实是残缺不全的。国内的发展现状,可以看一下我们国内现在是什么情况,大家都知道国外主流燃料电池是5000小时,UTC的燃料电池现在是27000小时了,国内现在大概是3000小时左右,当然还在提高。

  5000小时是一个大规模产业化的门槛,按5000小时测算,燃料电池可以在车上用10年。还有就是我们的成本,现在我国燃料电池的主要原材料还是依赖于进口,成本上不占优势,这也是一个基本的结论。

  还有就是我们现在的投资,过多地集中于技术集成,对产业链上游关注不够,尤其是低水平的重复投资比较多,我希望引起业界和媒体界的关注。

  燃料电池最终要走向产业化,上游的东西不解决好,它是没法大规模产业化的,无非就是拿一些国家补贴,所以说这个对我们国内来讲,尤其值得大家警惕。

  我们国家 “十三五”期间就已经发布了燃料电池发展路线图,当时“三纵三横”里面包含燃料电池,燃料电池从技术路线、发展重点都已经有了非常成熟的路线图,现在一步一步地展开实施。

  从我所在上海市的角度来讲,也是有远期的、中期的、近期的规划,包括创建产业园区、重大专项、产业基金都非常活跃,因为上海是燃料电池这块人才、技术比较集中的地方。

  另外,我们燃料电池界的权威人士衣宝廉院士认为,要大规模产业化有四个基本条件,第一是寿命要大于5000小时;第二是成本售价,如果不计补贴,可以跟锂电池车或者是燃油车接近;第三是基础设施,要有廉价的氢气供给;第四,如果加上补贴,整个产业链需要盈利,这样才能做得下去。

  当前国内车用燃料电池尚未达到大规模产业化的程度,但是可以产业化,只是不能做几百万辆,那是不现实的。

  对于车用燃料电池大规模产业化,我有一些自己的想法,不一定成熟,我认为需要政府加强对燃料电池技术的投入、引导和规范,对研发应该加大经费投入,降低燃料电池成本,提高它的寿命。

  比如我们的燃料电池寿命现在3000小时,国际上是5000小时,做一个示范应用工程是可以的,要大规模产业化还是有点问题的。

  我国在基础设施上要加大加氢站的建设力度,政策要给予各类优惠和刺激,引导规范要对各个环节的产业链都需要布局,而不只是集中于后端。尤其是几个非常关键的问题,对于核心技术,一个就是低铂载量、非贵金属催化剂的研发,还有跟它匹配的膜电极的研发,长寿命极板涂层技术,衰减机理,还有低功耗空压机,它的要求非常高,一分钟要达到15万转。

  现在我们国内也在成立各种专业化的公司,构建成熟的产业链,夯实产业基础,这也是我们可以看到的一些进步。

  如何解决低成本燃料电池的困境

  低成本燃料电池的困境,不管是国内还是国际都面临这样一个问题,其实就是成本。目前燃料电池的性能包括低温启动、寿命都已经达到了产业化的要求,至少是成熟的水平。而成本,至少还比门槛高1倍,我们现在催化剂的成本是不足以支撑大规模产业化的。

  那么,是不是就没有出路呢?这是它的一个路线图,这是我自己总结出来的,从2000年到2015年,从1.1克/千瓦到现在的0.2克/千瓦,降低了80%左右。

  如果按照这个路线图下去,可能2020-2025年之间能达到全面产业化的水平。这是根据什么来预测的呢?根据路线图来预测,2000年到2008年的时候,用的其实是第一代铂碳催化剂,2015年第二代铂合金催化剂基本上已经成熟了,现在已经做到极致了。那么第三代催化剂是什么?如果第三代催化剂没有,第三代膜电极没有,燃料电池是走不下去的。

  这里面技术细节我稍微讲一下,利用超低铂催化剂作为膜电极材料的时候会出现膜电极里面的传质问题,对此研发的结论,我们作为论文发表了,有兴趣的可以找文献看一看。

  当铂载量下降到0.05克/千瓦,阴阳极加起来下降到0.1克/千瓦的时候,电极里面传递质子的阻力达到整个传质阻力的77%,这种阻力在以前高铂情况下是可以忽略不计的,但是如果这77%的阻力不解决,那么铂载量就下降不了。我们研究这里面的机理,发现这既是一个经济问题,也是一个技术问题,最终它是一个科学问题。

  这个问题到底怎么解决?我们做了大量的研发工作,现在我简单讲一些它的概念和结论,铂裁量下降后,铂实际上是不够用的。

  我们现在用的都是铂颗粒来做催化剂,只有表面的铂原子会参与催化反应,如果把铂原子全部铺到其他金属的表面,做成鸡蛋壳的样子,鸡蛋壳的厚度是一个原子的厚度,那么所有的铂就都用上了,这样的话铂的用量就足够了。

  这种设计可以让铂载量下降到原来的1/4-1/5,还可以减弱传质阻力。这是我们研究的结果,具体的结论不讲了。

  我们做出来的催化剂和膜电极也得到一些应用,目前从我们课题组出去的博士后开了公司,叫唐锋能源,做膜电极的,目前第一代、第二代膜电极都已经成熟,投入批量生产了,在向主机厂批量供应,第三代是在试制批量过程中。我们的30千瓦电堆也做好了,下一步做60千瓦到100千瓦的电堆。总体来讲,燃料电池的技术水平进步还是比较快的。

  总结一下,我们国内外燃料电池汽车产业正在逐步成熟,与发达国家相比,我们国家的燃料电池核心材料、部件水平、整体寿命还有一定的差距,低成本燃料电池发展主要受制于低铂、超低铂的催化剂和膜电极,就是第二代、第三代的催化剂、膜电极,基础问题和科学问题都需要解决。

  第二代膜电极,也就是国外用的主流膜电极,我们国内主要的车厂可能只有上汽在用,用的就是我们研发生产的,其他的车厂还没有用第二代膜电极的,这是我们国家的短板。

  第二代膜电极是走不到终点的,一定要第三代出来。第三代是关键,我们上海交大燃料电池研究所对膜电极的研究走在全世界的前面,也有可能第三代从我们研究所直接出来了,那个时候确实可以引导燃料电池全面产业化。

  感谢科技部和基金委、上海市科委、上汽集团(600104)的经费支持,还有我们团队的老师、博士后,尤其感谢我们“中国汽车蓝皮书论坛”的主办方。

 
 
 
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