鉅大LARGE | 點擊量：822次 | 2019年05月17日
發(fā)展燃料電池車的核心問題是降低成本
汽車產(chǎn)業(yè)變革時代已至，各種力量奮勇搏殺，希望在新時代搶占一席之地。2019第十一屆中國汽車藍皮書論壇將主題定為“勇氣”，意在直面全球汽車產(chǎn)業(yè)的核心問題，同時也點明了參與者戰(zhàn)斗下去的必要態(tài)度，5月10-11日，網(wǎng)易汽車直擊藍皮書論壇，探尋希望，見證“勇氣”。
章俊良：發(fā)展燃料電池車的核心問題是降低成本
會上，上海交大燃料電池研究所所長章俊良做了“車用燃料電池技術(shù)發(fā)展的機遇與挑戰(zhàn)”的主題演講。
核心觀點：
1、新能源汽車作為國家戰(zhàn)略，不僅僅是解決燃油能源和環(huán)境的問題，更關(guān)乎中國在這一輪的能源動力革命上是不是能占領(lǐng)制高點。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
2、一定里程范圍內(nèi)鋰電池車可能更有優(yōu)勢，但是超過一定里程的話，應(yīng)該是燃料電池車的天下。
3、大概2030年左右，燃料電池的成本可以達到內(nèi)燃機的水平，基本上可以接上燃油車停產(chǎn)的時間表。
4、燃料電池車想要實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化需要四個基本條件：一是壽命大于5000小時；二是成本售價跟鋰電池車或者是燃油車接近；三是基礎(chǔ)設(shè)施，要有廉價的氫氣供給；四是如果加上補貼，整個產(chǎn)業(yè)鏈需要盈利。
章俊良：發(fā)展燃料電池車的核心問題是降低成本
在清潔能源的大趨勢下，新能源汽車作為一項重要的國家戰(zhàn)略，不僅僅是解決燃油能源和環(huán)境的問題，更關(guān)乎中國在這一輪的能源動力革命上是不是能占領(lǐng)制高點，為此，越來越多的車企開始向新能源汽車領(lǐng)域轉(zhuǎn)型。
然而，伴隨著新能源純電動汽車補貼政策的退坡，燃料電池車逐漸成為車企新寵，在近兩年內(nèi)形成了一股不可忽視的浪潮。
“對于新能源汽車到底是選擇燃料電池車還是鋰電池車，業(yè)界基本上達成了一個共識，那就是一定里程范圍內(nèi)鋰電池車可能更有優(yōu)勢，但是超過一定里程的話，應(yīng)該是燃料電池車的天下，為什么？這是因為這兩種方案的材料特征、科學(xué)原理都是有各自的瓶頸。”
章俊良：發(fā)展燃料電池車的核心問題是降低成本
據(jù)章俊良介紹，從產(chǎn)品本身來說，當(dāng)時速達到130公里的時候，燃料電池車和鋰電池車的設(shè)備體積是差不多的，再往后走，從成本來講，鋰電池車的成本指數(shù)是在增加，而燃料電池因為只增加氫罐的數(shù)量和體積，所以價格增長是非常平緩的。
就成本而言，伴隨著過去十年的發(fā)展，燃料電池的成本已經(jīng)下降一半多，這也是為什么目前大家都已經(jīng)看到，越來越多的燃料電池汽車開始出現(xiàn)。
“燃料電池的成本，主要的瓶頸是其中的貴金屬用量，我們大家都知道燃料電池里面用貴金屬鉑，目前大概是0.3克/千瓦到0.2克/千瓦，從原來的1克/千瓦，到現(xiàn)在的0.3克/千瓦，過去15年左右鉑載量已經(jīng)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電池車的應(yīng)用。從各個機構(gòu)預(yù)測的情況來看，大概2030年左右，燃料電池的成本可以達到內(nèi)燃機的水平，基本上可以接上燃油車停產(chǎn)的時間表?！?/p>
當(dāng)然，從目前國內(nèi)發(fā)展的現(xiàn)狀來看，還有一些問題亟待解決。
章俊良：發(fā)展燃料電池車的核心問題是降低成本
“我們現(xiàn)在投資過多的集中于技術(shù)集成，對產(chǎn)業(yè)鏈的上游不夠關(guān)注，尤其是低水平的重復(fù)投資比較多，希望引起我們業(yè)界和媒體界的關(guān)注?！?/p>
按照目前的發(fā)展趨勢來看，燃料電池車最終要走向產(chǎn)業(yè)化，如果上游的東西解決不好，是沒辦法大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的，無非就是拿一些國家補貼，所以說對于國家來講，尤其值得大家警惕。
“權(quán)威人士認為，要大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化需要四個基本條件，第一是壽命大于5000小時；第二是成本售價，如果不計補貼，可以跟鋰電池車或者是燃油車接近；第三是基礎(chǔ)設(shè)施，要有廉價的氫氣供給；第四，如果加上補貼，整個產(chǎn)業(yè)鏈需要盈利，這樣才能做得下去?！?/p>
在章俊良看來，車用燃料電池想要實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，就必須要政府加強燃料電池技術(shù)的投入、引導(dǎo)和規(guī)范，對研發(fā)、應(yīng)該加大經(jīng)費投入，降低燃料電池成本，提高它的壽命?！叭绻凑绽硐牖臓顟B(tài)來看，可能會在2020-2025年之間能達到全面產(chǎn)業(yè)化的水平?！?/p>
以下為演講實錄：
各位領(lǐng)導(dǎo)，各位專家，大家下午好！我來自上海交通大學(xué)燃料電池研究所，非常感謝“2019第11屆中國汽車藍皮書論壇”的邀請，有機會跟大家做一個匯報和交流。
我匯報的題目是“車用燃料電池技術(shù)發(fā)展的機遇與挑戰(zhàn)”。這里面會有以下幾個部分，首先是燃料電池簡介。
燃料電池其實是跟內(nèi)燃機一樣的方式來工作，把氫氣輸入到燃料電池里面去，吸入空氣中的氧氣，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成水發(fā)電，一部分余熱放出來。
它的特點是，效率高、綠色、無污染，被認為是我們汽車能源的終極方案，直接可以將氫氣化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，效率可以占60%以上，無排放污染，排出來的是純水。
它的關(guān)鍵材料，包括膜電極、碳紙、催化劑、雙極板等。把燃料電池的原理放到電堆里面看，除了剛才提到的膜電極、催化劑、碳紙，還包括密封材料、端板、輔助結(jié)構(gòu)，形成電堆，電堆就是功能部件了。
章俊良：發(fā)展燃料電池車的核心問題是降低成本
這是在系統(tǒng)里面的組成部件，為什么說跟內(nèi)燃機工作方式是類似的，它除了有電堆之外，還會有空氣單元，就是空壓機，還有氫氣單元，就是我們的供氫系統(tǒng)，相當(dāng)于汽車里面的燃油系統(tǒng)，甚至還有氮氣單元，還有散熱循環(huán)水單元，我們?nèi)加蛙嚴锩?，?nèi)燃機里面也有散熱的保護，還有監(jiān)控控制單元，當(dāng)然這些都是以電堆為中心來組織它的運行機理。
系統(tǒng)放到車里面去，還要有電池來協(xié)助，共同來推動汽車的運動，包括DC/DC的控制，最終是到電動機上，驅(qū)動輪轂電機。
目前，燃料電池已經(jīng)作為汽車動力運用于我們的乘用車和商用車里面了。燃料電池用氫氣、氧氣，工作方式跟內(nèi)燃機非常相近，只要有燃料供應(yīng)就可以發(fā)電的。
下面是燃料電池的國際趨勢和國內(nèi)外的背景。從背景來講，化學(xué)能源是一次能源枯竭的時候，可再生能源的替代，使用燃料電池是比較理想的替代。
2040年，主要產(chǎn)油國都只能保證本國消耗，2080年，全世界的石油可能就用光了，到時候用什么動力是值得我們思考的。
還有一個就是排放污染的問題，迫于環(huán)境壓力，不管是美國、歐洲、中國，在越來越嚴苛的排放法規(guī)，現(xiàn)在歐洲法規(guī)已經(jīng)出來了，只有新能源技術(shù)才能從根本上解決這些排放問題，這也是取得了能源動力界的共識。
到2050年，全球二氧化碳排放水平要跟2005年一半水平差不多，我們國家也做過承諾，這里面燃料電池汽車，包括純電汽車將是未來汽車動力的主流。
2017年，工信部辛國斌副部長就提到了禁售燃油車，當(dāng)時因為各個國家紛紛提出來了燃油車慢慢要禁售，甚至印度也說要禁售燃油車，當(dāng)時辛部長也說我們中國也要開始研究制定傳統(tǒng)燃油車停產(chǎn)停售的時間表，已經(jīng)成為國內(nèi)外的一個大的趨勢。
章俊良：發(fā)展燃料電池車的核心問題是降低成本
從車廠來看，其實每個主流汽車廠，包括歐洲的、日本的、美國的一些車廠，都已經(jīng)開始紛紛講要陸續(xù)停產(chǎn)燃油車，據(jù)我所知，至少很多車廠都已經(jīng)停掉了燃油車的研發(fā)，研發(fā)都在電動車和燃料電池汽車上，當(dāng)然燃油車還在生產(chǎn)。
新能源汽車，作為我們國家戰(zhàn)略，其實不僅僅是解決燃油能源和環(huán)境的問題，其實關(guān)乎中國在這一輪的能源動力革命上是不是能占領(lǐng)制高點，對于我們國家的長期經(jīng)濟會有深遠的影響。
如果大家了解一下能源動力的歷史，可能會發(fā)現(xiàn)，其實每一代能源革命的成果至少管一百年以上。從第一代蒸汽輪機到發(fā)展到內(nèi)燃機再到電動化，其實現(xiàn)在還是內(nèi)燃機為主的，都是一百多年的歷史。
現(xiàn)在我們機會來了，我們失去了第一代，也失去了第二代，電動化時代是不是中國走到全世界最前面去，可能我們在座的都要貢獻自己的力量。
這幾年，大家談了很多鋰離子電池電動化，燃料電池跟鋰離子電池有什么區(qū)別呢？其實在發(fā)電上它都是用電化學(xué)能源來發(fā)電，就是說把化學(xué)能轉(zhuǎn)為電能，或者把電能轉(zhuǎn)為化學(xué)能，來回的互換。
對于燃料來講，儲存在儲氫罐里，加注非?？?，增加里程不會增加發(fā)動機的體積，動力電池可能是恰恰相反，它能量全部儲存在電池里面，會產(chǎn)生一系列不一樣的地方。
對于新能源汽車到底是選擇燃料電池汽車還是鋰電池汽車，業(yè)界基本上也有一個共識，就是一定里程范圍內(nèi)可能鋰電池更有優(yōu)勢，超過一定里程應(yīng)該是燃料電池的天下，為什么？這是因為這兩種方案的材料特征、科學(xué)原理都是有各自的瓶頸。
當(dāng)然，具體說跑多少公里就是燃料電池，要根據(jù)技術(shù)發(fā)展水平、根據(jù)各個國家的政策、根據(jù)能源政策，以前是有一個130公里的分割線，當(dāng)時通用汽車論證的。
我曾經(jīng)在通用汽車工作很多年，通用汽車認為行駛里程在130公里以下，可能是動力電池的天下，但是130公里到200公里左右可能是共存的，大于200公里就是燃料電池比較好的區(qū)間。
章俊良：發(fā)展燃料電池車的核心問題是降低成本
達到130公里的時候，其實兩個方案的設(shè)備體積是差不多的，再往后走，從成本來講，鋰電池的成本是指數(shù)在增加，但燃料電池因為只增加氫罐的數(shù)量和體積，所以價格增長是非常平緩的。
從加氫站和充電樁角度來看，如果說你要大規(guī)模的加氫站和充電樁，尤其所謂的快充充電樁，其實長遠角度來講加氫站會比充電樁還便宜。
如果大規(guī)模布置的話，比如我一定要在10分鐘、20分鐘之內(nèi)充完電，充電樁不是簡單的事，加氫站也是要非常大的投入才能做到，但是至少是可比的。
加氫站我們國內(nèi)也有了，全世界都已經(jīng)有了，當(dāng)然我們國內(nèi)發(fā)展比較緩慢，因為受限于法規(guī)，但是我想可以從“兩會”《政府工作報告》里就發(fā)現(xiàn)了，下一個“十四五”可能要大力推廣加氫站的建設(shè)，已經(jīng)作為國家政策在推動。
就成本而言，其實在過去十年燃料電池的成本已經(jīng)下降一半多，這是為什么目前大家都已經(jīng)看到，燃料電池汽車可能馬上要起來的樣子。
其實燃料電池的成本再下降38%，就接近了目標(biāo)成本，可以跟內(nèi)燃機的成本相當(dāng)，當(dāng)然是指批量化的，不是指小規(guī)模的1000輛、1萬輛，而是指50萬輛以上的價格。
從各個機構(gòu)預(yù)測，大概2030年左右價格可以達到內(nèi)燃機的水平，基本上可以接上燃油車停產(chǎn)的時間表。
簡單講一下國際燃料電池的研發(fā)動態(tài)，不管是日本的車廠（如豐田、本田），還是美國通用、德國車廠，都已經(jīng)生產(chǎn)出自己的燃料電池汽車，它的動力性和各方面的表現(xiàn)，都跟我們?nèi)加蛙囅喈?dāng)，可以看得出來，它的技術(shù)問題基本上解決了。
關(guān)于它的壽命，據(jù)聯(lián)合技術(shù)公司（UTC）2018年公布的商用車燃料電池壽命已經(jīng)達到18000小時，現(xiàn)在最先進的技術(shù)，壽命已經(jīng)超過27000小時了，對于乘用車，大部分公司來講都是5000小時以上了。
據(jù)我去年知道的數(shù)據(jù)，豐田的燃料電池車跑了3000小時，車里邊的燃料電池一點變化都沒有，非常健康，一點衰減都沒有，所以壽命是燃料電池的長處。
燃料電池的成本，主要的瓶頸是其中的貴金屬用量，我們大家都知道燃料電池里面用貴金屬鉑，目前大概是0.3克/千瓦到0.2克/千瓦，從原來的1克/千瓦，到現(xiàn)在的0.3克/千瓦，過去15年左右鉑載量已經(jīng)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電池車的應(yīng)用。
對于國際上的燃料電池產(chǎn)業(yè)生態(tài)，不管是日本也好、美國也好，還有歐洲，它們其實都已經(jīng)有非常成熟的產(chǎn)業(yè)鏈，包括從原材料、催化劑到膜電極，還有碳紙、電堆以及系統(tǒng)，非常完善的產(chǎn)業(yè)鏈都已經(jīng)出來了。
我們中國，產(chǎn)業(yè)鏈后面會好一些，但前面其實是殘缺不全的。國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀，可以看一下我們國內(nèi)現(xiàn)在是什么情況，大家都知道國外是5000小時，UTC的燃料電池現(xiàn)在是27000小時了，國內(nèi)現(xiàn)在大概是3000小時左右，當(dāng)然還在提高。
5000小時是一個大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的門檻，按5000小時測算，燃料電池可以在車上用10年。還有就是我們的成本，其實我們現(xiàn)在主要的原材料還是依賴于進口，成本上不占優(yōu)勢，這也是一個基本的結(jié)論。
還有就是我們現(xiàn)在投資過多的集中于技術(shù)集成，對產(chǎn)業(yè)鏈的上游不夠關(guān)注，尤其是低水平的重復(fù)投資比較多，我希望引起我們業(yè)界和媒體界的關(guān)注。
就是說，燃料電池最終要走向產(chǎn)業(yè)化，上游的東西不解決好，它是沒法大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的，無非就是拿一些國家補貼，所以說這個對我們國內(nèi)來講，尤其值得大家警惕。
我們國家“十三五”期間就已經(jīng)發(fā)布了燃料電池發(fā)展路線圖，當(dāng)時“三縱三橫”里面包含燃料電池，燃料電池從技術(shù)路線、發(fā)展重點都已經(jīng)是非常成熟的路線圖了，現(xiàn)在一步一步地展開實施。
從我所在上海市的角度來講，也是有遠期的、中期的、近期的規(guī)劃，包括創(chuàng)建產(chǎn)業(yè)園區(qū)、重大專項、產(chǎn)業(yè)基金都非?；钴S，因為上海是燃料電池這塊人才、技術(shù)比較集中的地方。
另外，衣寶廉院士，也是我們?nèi)剂想姵亟绲臋?quán)威人士，他認為要大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化有四個基本條件，第一是壽命大于5000小時；第二是成本售價，如果不計補貼，可以跟鋰電池車或者是燃油車接近；第三是基礎(chǔ)設(shè)施，要有廉價的氫氣供給；第四，如果加上補貼，整個產(chǎn)業(yè)鏈需要盈利，這樣才能做得下去。
當(dāng)前國內(nèi)車用燃料電池尚未達到大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的程度，但是可以產(chǎn)業(yè)化，只是不能做幾百萬輛，那是不現(xiàn)實的。
我有一些自己的想法，不一定成熟，我認為車用燃料電池大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，需要政府加強燃料電池技術(shù)的投入、引導(dǎo)和規(guī)范，對研發(fā)、應(yīng)該加大經(jīng)費投入，降低燃料電池成本，提高它的壽命。
比如我們的燃料電池壽命現(xiàn)在3000小時，國際上是5000小時，做一個示范應(yīng)用工程是可以的，要大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化還是有點問題的。
基礎(chǔ)設(shè)施上要加大加氫站的建設(shè)力度，政策要給予各類優(yōu)惠和刺激，引導(dǎo)規(guī)范就是，對各個環(huán)節(jié)的產(chǎn)業(yè)鏈都需要布局，而不只是集中于后端。尤其是幾個非常關(guān)鍵的問題，對于核心技術(shù)，一個就是低鉑載量、非貴金屬催化劑的研發(fā)，還有跟它匹配的膜電極的研發(fā)，長壽命極板涂層技術(shù)，還有空壓機，要求非常高，一分鐘要到15萬轉(zhuǎn)。
現(xiàn)在我們國內(nèi)也在成立各種專業(yè)化的公司，購進成熟的產(chǎn)業(yè)鏈，夯實產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，這也是我們可以看到的一些進步。
低成本燃料電池的困境，不管是我們國內(nèi)還是國際都有這么一個問題，什么問題呢？其實就是成本，它的性能包括低溫啟動、壽命都已經(jīng)達到了產(chǎn)業(yè)化的要求，至少是成熟的水平。
而成本，至少還比門檻高1倍，如果是大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的話，成本里面再分析，其實就是催化劑的成本，我們現(xiàn)在催化劑是不足以支撐大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的。
是不是就沒有出路呢？這是它的一個路線圖，這是我自己總結(jié)出來的，從2000年到2015年，當(dāng)時是1.1克/千瓦，現(xiàn)在是0.2克/千瓦，降低了80%左右。
如果按照這個路線圖下去，可能2020-2025年之間能達到全面產(chǎn)業(yè)化的水平。這是根據(jù)什么來預(yù)測的呢？根據(jù)路線圖來預(yù)測，2000年到2008年的時候，用的其實是鉑碳催化劑，2015年鉑已經(jīng)成熟了。第三代催化劑是什么？如果第三代催化劑沒有、第三代膜電極沒有，是走不下去的。
這里面技術(shù)細節(jié)我稍微講一下，利用超低鉑催化劑作為膜電極材料的時候會出現(xiàn)問題，研發(fā)的結(jié)論，我們作為論文發(fā)表了，有興趣的可以找文獻看一看。
當(dāng)鉑載量下降到0.05克/千瓦，最終產(chǎn)業(yè)化水平下降到0.1克/千瓦的時候，膜電極里面氧氣傳遞質(zhì)子的阻力達到77%，以前高鉑狀態(tài)下是可以忽略不計的，但是如果這種性能的下降解決不了，那么鉑載量下降就沒有意義了。這既是一個經(jīng)濟問題，也是一個技術(shù)問題，最終是科學(xué)問題。
對于那個問題到底怎么解決？當(dāng)然我們做了大量的研發(fā)工作，現(xiàn)在我簡單講一些它的概念和結(jié)論，什么概念呢？對于鉑來講，剛才講鉑的用量是不夠的，它的問題是什么？
我們用的都是顆粒，就是整個顆粒來做催化，如果能把它做成原子單層的或者核殼結(jié)構(gòu)的，原來的催化劑只有表面的鉑能用得上，因為是催化反應(yīng)，如果把這個鉑全部鋪到其他金屬的表面，做成雞蛋殼這種樣子，雞蛋殼的厚度是一個原子的厚度，所有的鉑就都用上了，這樣的話那個鉑的用量足夠了，因為鉑載量可以下降到原來的1/4-1/5，還可以減弱傳質(zhì)子阻力，因為最大的問題就是鉑載量表面下降。這是我們做的結(jié)果，具體的結(jié)論不講了。
我們做出來的催化劑包括膜電極也得到一些應(yīng)用，目前從我們課題組出去的博士后也開了公司，叫唐鋒能源，做膜電極的，目前第一代、第二代都已經(jīng)批量了，第三代是在試制批量過程中，但是第一代、第二代已經(jīng)成熟了，我們也在給主機廠批量供應(yīng)，我們做的電堆30千瓦也做好了，下一步做60千瓦到100千瓦的電堆?？傮w來講，燃料電池的技術(shù)水平進步還是比較快的。
總結(jié)一下，我們國內(nèi)外燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)正在逐步成熟，與發(fā)達國家相比，我們國家的燃料電池核心材料、部件水平、整體壽命還有一定的差距，低成本燃料電池發(fā)展主要受制于低鉑、超低鉑的催化劑和膜電極，就是第二代、第三代的催化劑、膜電極，基礎(chǔ)問題和科學(xué)問題都需要解決。
第二代膜電極，也就是國外用的主流膜電極，我們國內(nèi)主要的車廠可能就上汽在用，用的就是我們的，其他的車廠還沒有用第二代的，這是我們國家的短板。
第二代膜電極是走不到終點的，一定要第三代出來。第三代是關(guān)鍵，我們上海交大燃料電池研究所對膜電極的研究走在全世界的前面，也有可能第三代從我們研究所直接出來了，那個時候確實可以引導(dǎo)燃料電池全面產(chǎn)業(yè)化。
感謝科技部和基金委、上海市科委、上汽集團的經(jīng)費支持，還有我們團隊的老師、博士后，尤其感謝我們“中國汽車藍皮書論壇”的主辦方。
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