2021泰达汽车论坛 | 中国工程院院士衣宝廉：燃料电池汽车现状与远景

2021 9月3日至5日，由中国汽车技术研究中心有限公司、中国汽车工程学会、中国汽车工业协会、中国汽车新闻社共同主办，2021 9月3日至5日，在天津经济技术开发区管委会的特别支持下，由德国汽车工业协会联合举办的第十七届中国汽车工业发展（TEDA）国际论坛（以下简称TEDA汽车论坛）在天津滨海新区举行。本次论坛以“融合、创新、绿色”为年度主题，聚焦行业热点进行讨论。9月5日，“热点：新示范政策引领下的燃料电池汽车产业化突破之路”，中国工程院院士易宝莲发表题为“燃料电池汽车现状与展望”的主题演讲。

中国工程院院士易保联院士是他的演讲稿的以下抄本：各位领导、各位专家，您好。我的主题是燃料电池汽车的现状和愿景。 要实现30-60碳的峰值碳中和，需要大力发展可再生能源，利用可再生能源电解水生产绿氢，可以实现储能和可再生能源的再分配，也可以在交通、冶金、建筑等难以脱碳的领域实现脱碳。燃料电池汽车的产业化是氢能应用的突破。要坚持自主创新，突破技术瓶颈，实现关键材料和零部件的量产，大幅降低燃料电池汽车、氢站建设和氢源成本，尽快实现燃料电池汽车产业化。燃料电池的发电原理是电化学，因此其转换效率相对较高，可以达到60%左右。燃料电池主要由电解质膜、电催化剂、扩散层和双极板等关键材料组成。燃料电池的工作模式是内燃机，内燃机需要构成一个系统。燃料电池是发电的地方。该系统由燃料电池组、燃料供应系统、氧化剂供应系统、水管理系统和电子控制系统组成。因此，燃料电池是相对安全的。如果燃料电池组发生故障，只要切断氢源，就不会发生燃烧和爆炸。此外，燃料电池具有非常高的比能，可以达到每公斤0.5至1千瓦/小时，特别适合重型和长途车辆。当燃料电池发动机安装在车辆上时，我们用氢瓶代替油箱，用燃料电池发动机代替内燃机。好处是没有排气尾，排气尾只有水。在燃料电池车辆的配置中，燃料电池由燃料电池发动机驱动。燃料电池由大电流、低电压发电装置供电，由DC/DC升压，并与二次电池混合以驱动电动机，该电动机驱动燃料电池车辆。燃料电池汽车特别适用于长途和重型车辆。燃料电池的优点之一是其能量相对较高。此外，烟囱和氢气罐是分开的，使它们相对安全。第三个燃料电池续航里程，加氢时间驾驶的舒适性，可以像燃油车一样漂亮。然而，为了实现燃料电池的工业化，需要克服以下问题：首先，当前燃料电池发动机的高成本导致燃料电池汽车的价格是燃料电池汽车价格的两到三倍，是锂离子电池汽车的1.5到2倍。第二，加氢站的建设成本相对较高，每站1200万元至1500万元不等。加氢站的加氢费用相对较高，从60元到80元不等。只有当它降到30元以下时，它才能与燃油车竞争。因此，要在没有补贴的情况下实现燃料电池的商业化，它……

有必要显著降低燃料电池发动机和氢气的成本，同时降低加氢站的建设成本。为了解决技术瓶颈问题，实现燃料电池汽车产业化，国家提出了燃料电池汽车示范城市群。既然这已经通过了初步审查，很快就会公布。为了降低燃料电池堆的成本，我们必须增加堆的比重。二是实现关键材料的大规模生产，包括电催化剂、质子交换膜、双极板和膜电极。第三是根据电池组的运行条件和适当的运行条件制定控制策略，以确保电池系统的可靠性和耐用性。第四是燃料电池用PEMFC的典型极化曲线，由欧姆极化、扩散极化和最大化学极化三部分反映。为了显著提高燃料电池组的比功率，我们必须减少这三种极化。此外，用于燃料电池汽车的电堆使用铂作为催化剂。目前，在中国已达到每千瓦0.3克铂，在国际上约为每千瓦0.2克铂。我们需要将其减少到0.1克铂以下，以实现燃料电池的商业化。我们开发的国产Pt38催化剂已经在鑫源动力汽车上进行了测试。这是我们的超小型铂铜合金催化剂，其活性是碳铂的3.8倍。我们正在寻找将其商业化的方法。另一种方法是减少薄膜的厚度。这是我们对杜邦公司生产各种厚度薄膜的评价。我们发现薄膜越薄，电池的性能就越好。然而，在薄膜变薄之后，有必要提高机械强度并减少化学衰减。这是我们的PGFE增强膜，它可以比目前的Aafion更薄，但其强度不会降低。此外，我们可以在薄膜中添加自由基催化剂，以减少薄膜的化学腐蚀。这是我们的戈尔超薄薄膜，厚度可以达到7.5到8微米。它的性能现在是燃料电池中最薄的薄膜。有了膜和催化剂，我们需要制备MEA。目前，有三种方法可以同时制备膜电极。传统的方法主要是使用涂层电极，这是最传统的方法。第二种方法是CCM，它将催化剂进料喷射到膜上。这是目前电动汽车最常用的制备方法。第三种方法是使用气化电极，这种电极可以显著减少极化，目前仍在开发中。这是我们发明的一种方法，用高压喷涂代替机械喷涂来制备薄膜电极。通过这种方法制备的膜的催化形成可以实现一定程度的有序化，其性能可以提高到每平方厘米2.1瓦左右。这是围绕着适应批量生产，我们正在开发狭缝模具涂层和滚筒涂层。这两种方法都可以实现大规模生产，我们希望将潜力应用于这种方法，在一定程度上订购催化绳，以提高电极的性能。对于MEA，我们还需要双极板来安装电池组。现在有三种类型的双极板，包括在金属板上有涂层的金属板，以及使用金属作为基底并用作气体分离基底的复合板。此外，添加了扩散层，该扩散层是导电气体分布层。虽然国内的新源动力使用了碳分散层，但丰田使用了网状保持层，另一种是机械加工的碳无孔金属石墨碳板。我们已经解决了我们制造的金属板的冲压和焊接工艺。正在进行表面改进，并已在车辆上进行了测试。使用寿命仍然很好，表面涂层仍然很好。这是我们开发了一个3D流场，在流场中添加了一个具有一定角度的挡板，可以改善气体向催化层的传输。因此，要解决排水和输送之间的矛盾，就有必要选择一个合适的角度。如果我们有双极板、MEA和密封件，我们可以检查使用压机组装的电池组。组装电池组时，有必要考虑MEA的压缩和变形。这是一个可以通过大量实验制定的公式。通过使用这个公式，可以在……之前将堆栈设计得更加均匀……

正在加载。这是我们的100千瓦电堆，平方差为0.12毫伏。我们希望将其降低到15毫伏，现在我们正在改进它。如果通过大规模生产来实现燃料电池的成本，其成本将显著降低。因此，在五部委城市群示范计划的领导下，我们必须首先解决瓶颈技术问题和大规模生产问题，以大幅降低燃料电池的成本，使其接近锂电池电动汽车的成本，使得燃料电池车辆可以在重型和长途运输车辆中工业化。我们已经解决了技术瓶颈，实现了批量生产。我们还需要推动创新，以解决燃料电池的技术发展，实现燃料电池乘用车的商业化。首先，我们需要简化电池系统和电池组结构，降低燃料电池启动成本，延长电池组寿命。例如，使用薄膜和氢气-空气逆流可以去除加湿器。阳极水管理，消除局部反极性，延长堆寿命。我们可以消除扩散层以降低堆叠的成本。此外，我们需要开发高温膜和无电催化剂，以降低氢气的成本。高温薄膜的研发可以使燃料电池在近200摄氏度的温度下工作，从而抵抗一氧化碳的性作用。这也有利于消除燃料电池的传热，提高堆的一致性，从而提高工作电流密度和堆比功率。通过使用有序的电极应用，可以显著减少铂的使用量。我们需要开发无阳极电催化剂，使燃料电池能够吸收粗氢，降低燃料电池成本，实现乘用车和商用车的商业化。目前有三种氢气来源，一种来自化石燃料，一种来源于工业富氢生产，另一种来自生产绿色氢气的电解水。生产氢气的最佳方法是去除氯气。合成氨工业释放的气体必须去除微量氨，丙烷脱氢制丙烯必须去除碳氢化合物。制定燃料电池中有杂质的精确纯化方法，建立标准，规定检测方法和设备，实现富氢生产的精确纯化，以降低氢气成本。化石燃料制氢技术相对成熟，成本相对较低，但二氧化碳需要封存。因此，煤制氢每标准立方米成本为0.8元，天然气制氢成本不超过2元。因此，日本从储存二氧化碳的澳大利亚褐煤中进行氢气生产，通过甲基环己烷运输到日本，然后脱氢到甲苯中生产氢气。此外，沙特阿拉伯对天然气进行了改造，生产氢气，然后将其液化并运往日本。我建议使用我们电解水产生的副产品氧气来生产氢气，从煤中生产氢气，并收集产生的二氧化碳并将其注入油井，以提高石油生产率。此外，开发了天然气催化裂化来生产氧气和固体碳，提高了氢气的纯度，减少了二氧化碳的排放。用于制氢的电解水是一种可再生能源。我们可以通过放弃风能、水和可再生能源的光来生产约300万吨氢气。目前，电解水制氢有三种方法，一种是SOEC电解，另一种是质子膜电解和碱性电解。这三种方法是世界上最便宜的，我们的质子交换膜正在进行兆瓦级电极工厂的实验建设。在开发燃料电池的同时，大连化学物理研究所开始开发用于制氢的电解水，发展了碱水电解，然后从事质子交换膜电解。目前，它已经实现了300千瓦的电解槽，并与阳光电源签署了合作协议。我们的大面积电解水已经达到300至500千瓦，这是国家电网在安徽省进行的兆瓦级氢能技术示范，我们正在准备测试我们的兆瓦级电解膜交换水。长途运输也是氢的一个主要问题……

氢的长途运输有三种选择。一种是生产氢气并将其输送到天然气管网，该管网将与天然气一起输送给用户。另一种可再生能源是电解水生产氢气，将氢气绿化，并通过汽车将其输送到各种能源。第三种是可再生能源的电解制氢，它收集二氧化碳合成甲醇。李灿院士进行了这项研究。我建议利用三北地区丰富的水电、风能和太阳能，大力发展质子交换膜电解水生产氢气，并将氢气输送到天然气管网。在需要氢气的情况下，当氢气浓度大于5%时，可以使用膜分离从天然气-氢气混合物中提取纯氢气。当氢气浓度较低时，可以提取等热值的天然气进行重整生产氢气，在海上地区开发海上风电，电解水生产氢气，使用氢气管道将其运输到海港，将氢气作为商品液化，或使用管道卡车将其运送到附近的加氢站。加氢站还可以建立电解水制氢装置和天然气重整制氢装置。氢安全，作为最后一个问题，是人们已经习惯于使用汽油作为燃料，但对氢仍然缺乏了解。为了便于检测和快速扩散，有必要使用氢气。氢气传感器应安装在可能存在氢气泄漏的地方。当氢气浓度高于千分之五时，联动风机将自动启动，以确保氢气安全。因此，我们提倡制造廉价可靠的氢气传感器，并在可能泄漏氢气的室内和室外位置增加氢气传感器和联动风扇。这确保了室内外的氢气安全，尤其是在加氢站和氢气生产场所。“氢气向上流动，所以汽油车的燃料已经用完，氢气车仍然完好无损”。此外，挪威的氢气站发生了爆炸，爆炸后氢气站的形状仍然存在。如果俄罗斯的一个汽油加氢站发生爆炸，它几乎是看不见的。因此，利用氢扩散相对快速且易于检测的事实，我们确保了氢的安全。目前，全球有3万至4万辆燃料电池汽车在运行，没有一辆燃烧或爆炸。总之，实现燃料电池关键材料和部件的工业化和大规模生产，同时提高电池组的比功率，可以显著降低燃料电池发动机的成本，从而降低燃料电池汽车的成本。依托技术创新，简化堆叠结构和电池系统，采用超低铂有序极化，大幅降低铂的消耗，将燃料电池汽车的成本降低到锂离子电动汽车的水平，实现乘用车的商业化。2、 大力发展可再生能源，通过电解水生产绿色氢气，利用天然气或纯氢管网输送氢气。加氢站的加氢量可以降至每公斤30元以下，使车辆在运营成本上与燃油车竞争。3、 实现氢压缩机、高压储氢瓶、加氢机的国产化和量产，建设油、氢、电站，可以显著降低加氢站的建设成本。加氢站达到一定密度后，就可以进行商用客车的展示。谢谢大家！

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