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中国工程院衣宝廉:提高车用燃料电池可靠性与耐久性

2019-08-31799浏览

2019中国汽车产业发展(泰达)国际论坛首创“G9论坛”在天津召开,本届论坛的主题为“全面深化改革开放 发展壮大新动能”。会议现场上,中国工程院院士衣宝廉的演讲分两部分进行演讲,第一部分简单介绍一下国内外燃料电池车的现状,下一部分是怎么提高燃料电池的可靠性和耐久性,以下为演讲实录:

中国工程院院士 衣宝廉.jpg

原料电池的原理是电化学,因此效力比较高,燃料电池的工作方式是内燃机的,跟锂电池比它的能量不是储存在电池里,所以尽管燃料电池的膜也有破的时候,但是破了电压下降,我们把氢气关掉,不会产生燃烧和爆炸,所以燃料电池是比较安全的,能量和转化系统是分开的。

把燃料电池装到车上,现在一般都是混合动力的、电电混合的、直驱的方式,不是充电式。跟燃油车相比,用氢瓶代替了油箱,有燃料电池发动机代替了内燃机,得到的好处就是排放没有了,就是排放水,代价现在就是运行费用高、发动机成本高,两个贵。

燃料电池车的性能现在从续驶里程、加氢的时间,从驾驶人员的感受以及舒适性、适应性都达到了燃油车的水平,因此如果不存在两高,燃料电池完全可以代替燃油车,但是它有两个最大的拦路虎,一个是发动机的成本比较高,一台燃料电池车的售价是燃油车的一倍,比如说大巴车,柴油车卖一百多万,燃料电池车卖到二百多万,小轿车也是这种状况。再有运行费用比较贵,运行费用现在用市电电解水,做氢。  燃油车一百公里大概消耗七八升油,也就是40多块钱,一公斤氢七八十,运行费用比较高,费用最低的锂电池车,跑一百公里平均15度电左右,一度电一块钱,才15块钱,所以燃料电池车要想大规模应用,还要把两高消灭掉。一公斤氢卖40块钱左右,我想燃料电池车是可以普及的,这个时间我预计还要三年到五年左右。

现在燃料电池发动机从体积来看,已经可以跟内燃机相比,去年在海口开会,本田说已经达到了内燃机的水平,乘用车都超过了5000小时,大巴车达到了20000多小时,时间寿命还是可以的,但不是每一辆都能达到这种水平。从造价来看还是比较贵的,这里有一个不仅仅是价钱,还有资源的限制,就是铂的用量问题,现在一千瓦国际上用铂是0.2克,国内降到了0.3克左右,要想成百万辆的生产需要降到0.1克以下,现在实验室已经达到了这个要求,所以铂用量不是一个核心因素了,原来我们看得很重,但是由于功率的提高和催化剂活性的提高,铂的问题现在看来有希望了。

国内从2001年成立电动汽车国家专项以来到现在就做这方面的研究,到现在有20年的时间了。我们从2005年以后,整车开始跑了,2007年参加了上海大赛,2008年奥运会有23辆燃料车参与运行,2007年有16辆轿车到美国加州进行了实验,2010年有一辆大巴到新加坡参加了世青赛,196辆燃料电池车参加了上海世博会的示范运行,所以国际上看中国示范的燃料电池车还是比较多的,积累了丰富经验。但是在世博会以前的示范着眼点不是经济,不是做一台车花多少钱,运行一百公里花多少钱,而是着眼燃料电池车能不能适用,着眼的是技术问题。那个时候的示范叫技术性的示范,现在也叫示范,产业化的初始阶段,但是这个示范是经济性的示范,我考察经济上可不可行。

在奥运会示范以后上汽搞了一个创新征程,分南线和北线,它的目的就是考察三种电动车,锂电池车、燃料电池车和混合动力车对中国环境的适应性。所有的车都在西藏进行了预热,当时我最担心的燃料电池车在西藏能不能跑起来,实验结果还是能跑,速度上不去,因为西藏的氧浓度只有10%,所以三种车在我国的地理环境下不管是沿海还是内地,都能行。所以这个示范还是行成功的。

另一个大行动的是2018年2月11日成立了中国的氢产业联盟。我们国家的大国企,像能源集团、“三桶油”都在能源联盟里,所以它是发展氢能和燃料电池的中流砥柱,国企还是有雄厚的资金实力,所以联盟的成立现在又发表了白皮书。

2018年“十三五”支持燃料电池的经费已经达到了8个多亿,还有最后一批没放下来,拿得最多的一个是北方团队,就是大连化物所,搞燃料电池基础研究,4900万,还有上汽的第一大股东,拿了一亿两千五百多万,还有1.8个亿。

这个公告已经过时了,现在又多了好多。

现在装车的电堆大部分还是卡补贴的,以30千瓦起步,上限是60千瓦。国际上装车的都是100千瓦左右,我们的功率相比来讲还是低的,特别是做乘用车,乘用车燃料电池的功率要是五六十千瓦,就得依靠锂离子电池,所以锂离子电池的不安全性带到了燃料电池车上。所以乘用车用的燃料电池应该在100千瓦数量级。到现在,要按车数算,大概有4000多辆车投放了市场,但是我得到的消息是有2000多辆车在运行。

成本占比燃料电池堆这上面写的是大约50%,现在实际装车燃料电池的成本已经达到了60%到70%,因为空气循环泵和氢瓶都大幅度下降了,原先在国内装车是1:1,现在电堆的成本已经上升到70%左右。

 国内到现在有23个省市相继发布了氢能和燃料电池的发展计划,所以国内很热。我认为基础最好的还是以上海为中心的长三角地区,他们有三大平台,示范的车辆也近千辆,所以发展基础是最雄厚的,其次是珠三角,广东省为核心的,还有就是北方以清华、亿华通支撑起来的,和宇通公司,以冬奥会为突破口,所以燃料电池三个示范比较好的地方,长三角、珠三角和张家口地区。

现在的车国内公开出售的商用车是V80,V80是上汽大通做的,发动电堆是大连新源的,辽宁省想买60辆,实际到货是40辆,在新宾县运行。

乘用车方面,也是上汽装的荣威950,在黑龙江跑了,可以在零下20度储存和使用,用的是复合板的电堆,性能还不错,可以公开买到。

亿华通收购了神力,能够组装三种类型的电,30千瓦的电堆和60千瓦的电堆,它这个电堆是石墨粉和树脂冲压出来的,所以这个双基板电导低一点,但是很实用,跟新源的复合板可以相比,实际丰田也是复合板。亿华通在电池系统方面是第一把交椅。

宇通做得比较多,已经是第四代了,自己建了加氢站,亿华通和宇通的客车在张家口,大客车一共是74辆,利用亿华通的技术福田装了49辆,宇通提供了25辆,这74辆车在张家口跑的非常好。得出的结论,燃料电池车非常适合于寒冷地区的运行,因为锂离子电池车在冬天负30度的时候油量比较大,如果开空调续驶里程大幅度下降,燃料电池工作温度是靠自己的余热,所以冬天跟夏天没什么影响,夏天排热挺困难,冬天可以用燃料电池的余热,因为它是80度给大客车取暖,空调还不耗电,所以说得出来一个结论,在张家口示范运行。燃料电池车特别适合于寒冷环境下的示范运行,不但里程不缩短,能量利用效率由于空调不用开,还提高了。

我上面讲的两种不管是上汽跟新源,还是亿华通和神力这都是国产技术。下边就是国鸿,膨胀石墨双基板,把膨胀石墨冲压成型,往里面灌树脂,这种电堆体积比在1.5-1.8,很低,但是很靠谱。所以国鸿生产的电堆在国内示范车当中的占有率达到了70%-80%,国内跑的好几千辆车有70%-80%的电堆出自国鸿,生产线是新源的一个部长搞起来的。

而且国鸿引进除了30千瓦、50千瓦,还有80千瓦、85千瓦,85千瓦装大巴车就更好了。同时他们在云浮利用这种电堆装了城市的轻轨下线示范运行了,所以说国内两条路这两条路走的都不错。

所以我们现在看来,国内电堆已经超过了5000小时,达到了一万多两万小时,跑车也跑出来了,但不是每一辆,不光国鸿的电堆还是新源的国鸿,还是神力的国鸿都跑过了5000小时和10000小时。我们也成长起来一些企业,但是我们的问题就是产业链还不全,大部分的关键产业链还是依赖进口。现在装车的电堆都是在每立升两千瓦左右,正在发展的以新源动力以及国内其他一些公司都做到了每立升三千瓦,但是这些电堆装车是装了,但是还没有跑过5000、10000,要把这个数据跑出来才能说达到了国外的水平,在这个过程当中还有很长的路要走。

这是新源动力装的金属板电堆,这个电堆它是75千瓦,正常输出功率,峰值功率是85,已经达到了每立升3.4千瓦,正在装车跑。所以万部长在长春的科学年会上讲了,国内燃料电池在寿命、可靠性、使用性上基本达到了车辆使用要求,中国初步掌握了相关的核心技术,基本建立了具有自主知识产权的燃料电池汽车动力系统技术平台,未来要加强协同创新,加快推进氢能燃料电池产业的全面发展。我总结了几点。

第一,我们积累了大量的示范经验,具备了进行大规模示范,考核经济性的基础。

第二,我们应该尽快实现关键材料、电催化剂、质子交换膜、双极板等批量生产,为强电堆成本和提高电堆一致性奠定基础。

第三,提高电堆的比功率,降低电堆成本和铂用量。燃料电池车发展了二三十年,成本降下来主要是提升比功率,一开始国内国外每平方厘米是300毫安,后来升到了500-800毫安,第三阶段是800到1个安培,现在是1-1.5安培,将来的发展方向是2-3安培,如果能做到2.5-3安培每平方厘米,燃料电池的成本就能达到每千瓦一千块钱,铂用量就小于0.1克,别的都不用改,所以说提高电堆的比功率是降低电堆成本的最有效的办法。

第四,我们要进一步提高电堆的可靠性和耐久性,为什么要这样做呢?因为现在燃料电池堆里用的材料把氢气和氧气送进去要稳定的开,在车用工况下很快垮了。我们要把给燃料电池堆制造一个非常温馨的,适合它生存的环境,来确保燃料电池的寿命。

下边我就讲这部分。第一就是工况,车开起来一会儿加速、一会儿减速,一会儿停车,导致燃料电池堆电流电压大幅度波动,湿度、压力都是波动的,所以这些波动就导致催化剂腐蚀,化学损伤,头三辆大巴车都不到一个月全部都死掉了。

那么解决的措施,第一件事情就是电电混合,司机把油门踩下去,这个电大概毫秒级到微秒级就变化了,可是燃料电池把电发出来,空气氧气要送进去,这个时间是秒级的,所以燃料电池就跟不上,它就欠气,要反击和腐蚀。一开始做纯燃料电池车,国外怎么做呢?要延迟几秒,实验室要做出来,司机踩油门先把气量增加,包括开始买的外国的纯的燃料电池车都有预供气,也就是说踩下去都有延迟,根据速度不一样,延迟时间不一样。

采用了电电混合以后,驾驶性能达到了燃油车的要求,踩下以后锂离子电池先给驱动电机供电,燃料电池增加气体,同时增加功率输出,燃料电池功率输出增加锂离子电池往下降,最后都是燃料电池,锂离子少的时候给锂离子充电,所以说这个电电混合是必须的,被全世界采用。这个就是我们国家以万钢为代表的搞车的同志提出来的,不是可有可无的事,纯燃料电池车就是要回到预供气那个阶段,它的操作方式跟燃油车不一样。司机的感受不一样,马上是加速不了的,这就是说燃料电池它的功率增加是有一定的限制,得把气供上,所以电电混合以后就解决了这个问题。

二是电池使燃料电池运用更平稳、寿命更长。像丰田为了安全不用锂电池,也有用超电容的,这就是解决了快速加载的问题。

第二个是开路、怠速、低载都会产生低电压。在0.85以上,碳粉的氧化速度也加快,这都会产生铂的流失,铂的流失以后用铂越来越少,所以寿命就会缩短,要控制燃料电池的电压在0.85伏以下,就要限制这些高电位,特别是启动停车。启动停车会造成铂大量的流失。启动停车最有效的办法是采用放电,把高电位消除。高电位不消除,启动停车一次每衰减0.35伏。消除以后基本上就平稳了,像丰田的电堆,一个电堆370节,这是变成一节的。

再有一个,低温,水结冰体积会增加,所以一定要解决低温储存和启动问题。那么低温储存一定要电池里边有三种水,一个跟磺酸结合的束缚水,一个是自由活动的自由水,还有是介于之间的。结合里越强结冰温度越低,所以在低温下燃料电池要把自由水全部吹光,这样的话结冰以后才不会破坏膜和电机的结构,所以说启动的时候可以用二次电池等就可以启动起来了。

丰田为了更好的解决这个问题,它可以现场测量水含量。现在国内清华大学和化物所都能做到这一点了。最后一个就是阳极水管理,燃料电池的水是在氧电极生成的。所以不能叫氢电极表面有机水,要搞阳极的氢循环,氢循环搞起来阳极就没有水了,一件事情可以延长燃料电池的寿命2000小时以上。

在中国还有一个特点就是氯化氢和二氧化硫,二氧化硫对燃料电池是一个累计性的毒物,二氧化硫多了以后性能比较下降,我们买德国的三辆大巴,在北京开两三个月不行了,后来说是因为北京市的二氧化硫的影响。所以二氧化硫可以用高电位方法扫描清除,但是性能不会恢复到原有的。我们所搞了电化学氧化,靠吸附器来吸附二氧化硫,我们用电化学的办法把二氧化硫氧化为三氧化硫,氧化就是要做一个电化学反应器,电量消耗很少,空气当中的二氧化硫是PPM极。作为燃料电池除了解决那些问题,我们还要借助锂电池车的经验结果电安全问题,还要解决氢安全问题。要建立燃料电池健康状态的指示。这个车是黄灯还是红灯,红灯得停了,红灯是检修了,绿灯是正常的,另外在突发事故的时候,怎么把燃料电池的电堆电压从200多伏怎么降到安全电压60伏以下,这些工作我们都在做,都有了一些结果。

所以我建议尽快完善燃料电池发动机的产业链,提高电堆的工作电流密度,提高燃料电池的体积和重量比功率,为乘用车奠定基础。另外深入研发电堆衰减机理,开发抗腐蚀、大幅度提高发动机的可靠性与耐久性,希望我们在2023-2025年把燃料电池车的成本降到跟锂离子电池车比较近的水平。


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