“中国工程院院士衣宝廉：燃料电池汽车现状与远景”-东方汽车时报

2021年9月3日-5日，由中国汽车技术研究中心有限企业、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，天津经济技术开发区管理委员会特别支援，日本汽车工业协会、德国汽车工业协会共同合作的第十七届中国汽车产业快速发展(泰达)国际论坛(以下简称泰达汽车论坛) ( 2021年9月3日-5日位于天津市滨海新区的本次论坛以“融合创新绿色”的年度主题为中心，聚焦领域热点话题进行探讨。

“中国工程院院士衣宝廉：燃料电池汽车现状与远景”

月5日，在“热点聚焦:新示范政策引导下的燃料电池汽车产业化突破路径”上，中国工程院院士衣宝廉发表了题为“燃料电池汽车的现状和愿景”的基调演讲。

中国工程院院士衣宝廉

以下是演讲的实录。

各位领导和专家大家好。我的报告主题是燃料电池汽车的现状和远景。

习主席于年9月22日在第75届联大会议上宣布，中国将加大国家自主贡献力度，采取更有力的政策和措施，使二氧化碳排放量在2030年达到峰值，2060年实现碳中和。为了实现30-60CO2排放峰值的碳中和，需要迅速发展可再生能源。利用可再生能源电解水制造绿色氢气，可以实现储存和可再生能源的再分配，也可以实现交通、冶金、建筑等难以脱碳的行业的脱碳化。

燃料电池汽车产业化是氢能应用的突破口。我们要多次自主创新，突破瓶颈技术，实现关键材料和零部件的批量生产，大幅降低燃料电池车、氢气站建设和氢气源价格，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，其转换效率高达60%左右，因此燃料电池主要由电解质膜、电催化、扩散层、双极板等重要材料构成。燃料电池的工作方法是内燃机，构成系统，燃料电池是发电的场所。该系统由燃料电池组、燃料供给系统、氧化剂供给系统、水液管理系统、电子控制系统构成，因为该燃料电池比较安全。燃料电池组发生故障时，如果切断氢气源，就不会发生燃烧和爆炸。另外，燃料电池的能量比非常高，每公斤可达到0.5~1kw/小时。因为这特别适用于重载汽车和长途汽车。

将燃料电池发动机装载在车上，用氢气瓶代替油箱，用燃料电池发动机代替内燃机，可以得到没有尾排，尾排只有水的好处。

燃料电池车的结构是，燃料电池由燃料电池发动机推进时，燃料电池通过大电流、低电压的发电设备，由dc/dc增压，与二次电池混合后推进电机，电机推进燃料电池车。燃料电池车特别适用于长距离重载车。燃料电池的优点之一是能量比高。另外，电炉和氢气罐是分开的。因为这样很安全。第三个燃料电池的行驶距离持续，加氢时间运行的舒适型都是燃料车和艳美。

但是，燃料电池要产业化，一个是由于现在的燃料电池发动机的价格很高，一辆燃料电池车的售价是燃料车的2倍到3倍，是锂离子电池车的1.5倍到2倍。二是氢气站建设费用达到各氢气站1200万元至1500万元，氢气站加氢费用高达60-80元，只有到了30元以下才能与燃油车竞争。为了实现无补贴燃料电池的商业化，需要大幅降低燃料电池发动机的价格和氢的价格，降低氢站的建设费。

国家为处理绞杀技术问题，实现燃料电池车产业化，提出了燃料电池车示范城市群的意见。现在，这将通过初步审查，很快公布。

那么，要降低燃料电池堆的价格，就需要提高核反应堆的比重率。二是实现重要材料、电催化、质子交换膜、双极板、膜电极的三合一和电炉的批量生产。三是根据工况和反应堆适当的运行条件制定控制战略，确保电池系统的可靠性和耐久性。四是燃料电池pemfc的典型极化曲线，它从三个部分反映出来，一个是欧姆极化，一个是扩散极化，另一个是最大的化学极化。如果不降低这三个极化，就不能大幅提高燃料电池组的比输出。

另外，燃料电池车使用的电炉以铂为催化剂，目前国内铂每千瓦0.3克，国际上铂每千瓦0.2克左右，我们必须在0.1克以下才能实现燃料电池的商业化。

我们制造的国家pt38催化剂，已经在新源动力车上通过了实验。这是我们制造的超小的铂铜合金催化剂，这个催化活性是碳铂的3.8倍，我们正在想办法商业化。

另一个是减少膜的厚度。这是我们评价的杜邦公司生产各种厚度的膜。虽然发现膜越薄电池性能越好，但膜变薄后需要提高机械强度，减少化学衰减。这是我们制作的pgfe强化膜，厚度可以比现在使用的aafion薄，但是强度不会下降。另外，在膜中加入自由基催化剂，可以减少膜的化学腐蚀。

这是我们制作的戈尔超薄膜，厚度可以达到7.5到8微米，性能是目前燃料电池中最薄的膜。如果有膜，有催化剂，就必须制造mea。现在，膜电极的三合一有三种制法。通常的做法是先涂电极。这是最古老流传下来的做法。第二种方法是ccm，添加催化剂喷在膜上。这是目前电动汽车用最常用的制造方法。第三种做法是有气化电极，可以大幅减少极化，目前发展很快。

这是我们发明的用高电压喷雾的方法，不是用机器喷雾制作膜电极的方法。该方法制备的膜催化合成能达到一定的有序化，性能能有一定的提高，每平方厘米2.1瓦左右。

这是为了适应批量生产，我们迅速发展的狭缝型涂布和辊型涂布。这两种做法都实现了大量生产，但我们希望这种做法增加电位，使催化剂绳有一定的秩序化，提高电极的性能。

有了mea，我们还需要双极板来装载电炉。现在有三种双极板，有金属板。金属板上面有涂层，也有复合板。以金属为基底，制作分割气体的基底。另一个扩散层是导电性的气体分配层。国内的新动力使用的是碳分散层，而丰田使用的是网状的残留层，另一个是机械加工制成的无碳孔金属石墨碳板。

我们生产的金属板处理了金属板的冲压技术和焊接技术。正在进行表面改善。虽然已经开车试验寿命很好，但是表面涂层很好。这可以通过我们快速发展3d流场，在流场中加入一定立场的挡板来改善气体对催化剂层的传意。这是因为要处理排水和传意中的矛盾，必须选择合适的立场。

有了双极板，有了mea，有了密封，就可以检查用冲压方法组装的核反应堆。那么，组装核反应堆时，必须考虑mea的推拉和变形。这里有通过大量实验建立公式的公式。根据这个公式，在没有装载原子炉之前设计高度，这个原子炉会变得更均匀。这是我们安装的100千瓦反应堆，其平均方差达到0.12毫伏，我们想降到15毫伏。目前正在改善中。

燃料电池的价格如果实现量产，其价格会大幅下降，所以目前在五部委城市群示范计划的指导下，我们首先处理砍头技术问题，处理量产问题，从而大幅降低燃料电池的价格，接近锂电池电动车的价格，燃料电池车在重载和长距离运输车上，

我们通过处理绞吸技术实现了批量生产，但必须创新驱动燃料电池的技术以实现快速发展，实现燃料电池轿车的商业化。

第一，必须简化电池系统和核反应堆的结构，降低燃料电池的启动价格，延长核反应堆的寿命。例如，如果使用薄膜、氢空逆流，则可以去除加湿器. 阳极水管理，消除局部对电极，延长电炉寿命。消除扩散层，可以降低核反应堆的价格。

另外，必须开发高温膜和抗毒的电催化，降低氢气价格。开发高温膜，使燃料电池在近200度的温度下工作。即，对一氧化碳的毒性作用。另外，有利于燃料电池派热河消除双向流，提高电池组的匹配性。并且提高工作电流密度和电池组比功率，利用有序化电极的应用，大幅降低铂的用量。

我们必须开发抗毒的阳极电催化，使燃料电池能吃粗氢，降低燃料电池的价格，实现轿车和商用车的商业化。

氢源现在有从化石燃料制造氢的源、工业上丰富生产氢的源和电解水制造绿色氢的源三种。氢气丰富的只需要除去氯即可，但合成氨工业的排放气体必须除去微量的氨，丙烷脱氢丙烯必须除去烃类。

迅速发展燃料电池有毒杂质的净化方法，制定标准，规定检测方法和设备，达到准确的加氢净化以降低氢气的价格。

用化石燃料制氢的技术比较成熟，价格比较低，但必须封存二氧化碳。因为用这种煤制氢每标0.8元，用天然气制氢不超过2元。因为这个日本在澳大利亚进行褐煤制氢、二氧化碳封存，通过甲基环烷基化成日本，脱氢成甲苯，制造氢气。另外，沙特阿拉伯用天然气重整氢气，将氢气液化后运往日本。建议利用我们电解水制氢的副产氧气，由煤炭制氢，将产生的二氧化碳收集起来注入油井，提高产油率。此外，开发天然气催化分解制造氧气和固体碳，提高氢气纯度，减少二氧化碳排放。

电解水制氢的可再生能源大约是300万吨，我们的可再生能源可以弃风弃水，电解光制氢。

目前，电解水制氢有soec电解、质子膜电解和碱性电解三种电解技术。这三种方法是我国的碱性水电解法是世界上价格最低的，我们的质子交换膜正在建设兆瓦的实验工厂。

大连化物所迅速发展燃料电池，迅速发展电解水制氢，开始制定碱性水电解，进行质子交换膜电解，目前实现了300千瓦电解槽，与太阳能电源签署了合作协议。我们的大面积电解水达到300千瓦到500千瓦，兆瓦级氢能科技的典范，国网是在安徽制造的，准备试验我们的兆瓦级电解膜交换水。

长距离运输也是氢的一个大问题。氢的长距离运输有三种方案。一个是制造氢气，输送到天然气管网，和天然气一起输送到顾客那里。另一种可再生能源是电解水制造氢气，绿化氢气，开车送到各能源。三是从电解可再生能源制氢的根部收集二氧化碳合成甲醇，我们李灿院士进行了这方面的研究。

建议利用三北地区丰富的水电、风力发电、太阳能发电，大力发展质子交换膜电解水制氢，输送到天然气管网。在需要氢气的地方，氢气浓度超过5%时，可以利用膜分离从天然气氢气混合物中提取纯氢气。氢气浓度低时，取出等热值的天然气进行改性，制成氢气。在近海地区迅速发展海上风力发电，将水电解制氢。也可以利用氢气管道，输送到港口，将氢气液化作为商品，通过列车送到附近的氢气站。氢气站还可以建立电解水制氢装置和天然气重整制氢装置。

氢气的安全性，最后一个问题是，人们已经习惯用汽油做燃料，对氢气还不了解。在利用氢气容易检测、扩散速度快、有可能发生氢气泄漏的地方安装氢气传感器，氢气浓度超过千分之五时，联动鼓风机自动工作，确保氢气的安全性。所以，我们主张制造廉价、可靠的氢气传感器，无论室内还是室外，在氢气可能泄漏的地方安装氢气传感器和联动风扇。这样可以确保室内和室外，特别是氢气站和制氢场所的氢气安全。

氢气在往上跑，所以汽油车烧不着了，但氢车还很齐全。另外，挪威的氢气站爆炸，爆炸后也留有氢气站的形状。俄罗斯的汽油氢气站爆炸后，几乎看不到了。所以，利用氢的扩散速度比较快和容易检测的性质来确保氢的安全。目前世界上有3万到4万辆燃料电池车在运转，没有一辆燃料电池车发生燃烧和爆炸。

最后陈述结语吧。实现燃料电池主要材料和部件的产业化和批量生产，以及提高电炉的比功率，可以大大降低燃料电池发动机的价格，进而降低燃料电池车的价格。通过技术革新，简化了电炉的结构和电池系统，采用超低铂有序化电极化大幅降低了铂的使用量，将燃料电池车的价格降低到锂离子电动汽车的水平，实现了轿车的商业化。二、大力发展可再生能源电解水制造绿色氢气，使用天然气或纯氢气管网输送氢气。加在氢气站的氢气可以降到每公斤30元以下，车的运行费用可以与燃油车竞争。三、实现氢气压缩机、高压储氢瓶和加氢机等的国产化和量产化，建设油、氢、电合建设站，即可大大降低氢气站的建设费用，在氢气站达到一定密度后，示范商业化轿车。