我國車用燃料電池技術的研發與應用
——訪中國工程院院士衣寶廉

◎本刊記者/王圣媛

我國車用燃料電池技術的研發與應用
——訪中國工程院院士衣寶廉

◎本刊記者/王圣媛

在大力倡導節能環保的今天，新能源汽車的出現既滿足了人們日常出行的剛性需求，又有效降低了以石油為燃料的普通汽車尾氣排放造成的霧霾等環境污染。《關于加快培育和發展戰略性新興產業的決定》明確提出，現階段將重點培育和發展新能源汽車產業，開展燃料電池汽車相關前沿技術研發，大力推進高能效、低排放節能汽車發展。可見，燃料電池技術的開發為新能源汽車的發展開辟了新方向。今年“中國科協年會”期間，本刊記者就我國新能源汽車發展的關鍵環節——燃料電池技術的發展情況采訪了中國工程院衣寶廉院士。

燃料電池的工作原理

記者：廣大讀者對燃料電池還相當陌生，請您談談燃料電池的工作原理。

衣寶廉：好！我來介紹一下燃料電池的發電原理。我們平時說的燃料電池，指的就是氫燃料電池，是使用氫這種化學元素制造成儲存能量的電池。它利用電化學原理發電，與鋰離子電池的發電原理一樣：氫在陽極氧化生成氫離子和電子，電子經外電路做功后到達陰極，氫離子通過膜也從陽極到陰極，在陰極氧與氫離子和電子反應生成水。燃料電池的工作方式跟普通蓄電池不一樣，它的工作方式就是個發電機，把燃料和氧化劑送進去就可以發出電，其跟內燃機的工作方式是一樣的，送進去燃料和氧化劑就可以做功。所以它是一個系統，有供氫系統、供氧系統、排水系統、排熱系統。據此，它就兼有電池和內燃機兩者的優點，當然也有它們的缺點。比如優點是發電過程是電化學的，效率比較高，由于它是利用氫和氧的化學反應產生電流及水，不但完全無污染，也避免了傳統電池充電耗時的問題；在燃料價格上漲、環境污染日益嚴重和全球氣候變暖的背景下，人類對更清潔、更安全、效率更高的能源的需求越來越迫切，需求量越來越大，燃料電池正是目前最具發展前景的新能源。但其缺點是因工作方式與內燃機相同，系統比較復雜。一節單池輸出的電壓僅0.7伏左右，要幾十、幾百節單池串接起來，構成電堆，才能使電壓達到幾十或幾百伏，所以各節單池性能一致性是電堆的關鍵問題。

國際車用燃料電池技術的現狀

記者：請您介紹一下國際上車用燃料電池技術的研發情況。

衣寶廉：1839年英國發明了燃料電池，此后其長期被用于電力、航天等領域。車用發電跟民用發電不一樣，汽車行駛狀態是一會兒開一會兒停。在15年的時間里，研究人員和企業家通力合作，解決了燃料電池的工況適用性問題，結論是燃料電池可以作為汽車發動機。接下來又用了7年左右的時間，解決了燃料電池壽命問題，從原先的幾百小時，上升到轎車5000小時，大巴車1萬小時以上。通過電堆功率密度的提高和關鍵材料的技術進步，降低了電池系統成本。2014年12月15日，豐田公司宣布它的未來車商業化，一輛車銷售價約為38萬元，比鋰電池車稍貴一點。國際上稱2015年為燃料電池車商業化元年；我國今年將開始大規模的燃料電池大巴車示范運行，有人也稱今年是我國燃料電池車產業化元年。

國際上，燃料電池發動機現在已經做到能與內燃機互換，體積功率密度達到每升3000瓦左右，壽命在大巴車上使用已經接近2萬小時了，小轎車大于5000小時。通過前邊15年和后來7年的工作，鉑用量現在已經大幅度下降，國際水平達到每千瓦0.2克左右。豐田公司在2014年宣布未來車的商業化，它的專利可以無償使用。豐田未來車有兩點比較突出：一是它的膜厚度大幅度減薄，現在是十幾個微米，用的是增強膜，所以性能大幅度提高了；再一個用了3D流場，降低傳質極化，在這方面國內技術還有差距。現在各大公司表面上都是在小轎車上進行競爭，都有樣車，但是真正上市的只有豐田一家，本田是剛剛開始。本田公司一個大的行動是與通用公司聯合宣布投資4000多萬美元建設燃料電池堆生產線。倘若建成，生產能力會大幅度提高。

總的來看，國際上燃料電池車已經進入一個市場導入期，就是S型曲線的起始階段，影響燃料電池成本的主要是空壓機和氫循環泵。氫氣瓶也是比較貴的，豐田公司的技術，是用低強度的碳纖維，繞制儲氫瓶，所以儲氫瓶是比較便宜的。從長遠來看，核心問題還是建立一個電堆和電池系統的生產線，另外加氫站要大幅度開始建設，更長遠的任務是發展非鉑催化劑，將來不用鉑。

我國車用燃料電池技術的進展

記者：我國車用燃料電池技術的研發和應用情況如何？

衣寶廉：從催化劑角度看，我們作出了現在世界上最流行的合金催化劑，已經開始使用。還有核殼催化劑，這是上海交大研發的，用鈀鎳做核，用鉑做皮，比豐田公司的性能還好。從膜角度看，國內已經做了自由基淬滅膜，把自由基淬滅，膜壽命就延長了，我們是用過渡金屬氧化物來淬滅它。從碳紙角度看，國內生產的碳紙性能已經超過日本，但這些還都沒有商業化。在膜電極的制備方面，我們已經使用電噴涂技術，性能比現在用噴槍噴涂有所提高。武漢理工研發的MEA的性能已經接近最好的膜電極的性能。我們國家從關鍵材料到關鍵部件的性能不比國際上落后。大連化學物理研究所研發的有序化電極，接近3M公司產品的性能。從金屬雙極板角度看，我們已經解決了沖壓成型和激光焊問題。我們用金屬雙極板裝出來的電堆，體積比功率達到3.0千瓦，重量比功率達到2.2千瓦，比國際水平稍低一點。低在什么地方呢？我認為差距主要是由于豐田公司采用了3D流場，通用公司采用了有序化薄膜電極，我們也正在發展這些技術，用于提高電池的工作電流密度。從關鍵材料來看，國內的研究水平、小批量試樣已經達到了國際先進水平，現在問題是沒有生產線，所以我們希望有志于發展燃料電池事業的企業家進行投資，建立這些關鍵材料和部件的生產線，打通燃料電池的產業鏈，為大幅度降低燃料電池的成本奠定基礎。我國現在與國際的差距主要是沒有生產線，所以在大量生產時，關鍵材料還得到國外去買。另外研究單位要加速有序化電極和3D流場研發，盡快實現產業化。

從電池系統上來看，由于車用工況一會兒加速，一會兒減速，一會兒停車，所以輸出電流和輸出功率就形成一個波動，這樣會對電池造成很大的影響，使電池壽命縮短。我國在2001年開始研制燃料電池車的時候，因為燃料電池技術沒有國外那么先進，所以就提出研發混合動力車，當時我國的純電動車已經比燃料電池車好多了，就是人們俗稱的“電電混合”。延長燃料電池壽命的最主要的一個措施就是電電混合，把功率快速變化的壓力加到鋰離子電池上，大幅度延長燃料電池的壽命。

延長燃料電池壽命的第二個辦法是限制高電位。鉑的工作電壓超過0.85伏就要氧化成氧化鉑，因此最好限制工作電壓低于0.85伏。車怠速，燃料電池可以給水箱加熱，也可以把電池里的空氣進行循環，降低氧含量，確保單節電池電壓低于0.85伏，延長電池壽命。停車時空氣會進入氫腔，形成氫空氣界面，產生高電位，導致碳氧化使鉑流失。最好的解決辦法是把電放掉。采用這種措施以前，每個啟動、停車循環，大概每節電池降0.37毫伏左右；采用這個辦法以后，電池在啟動停車時就不衰減了。

還有一個是電堆陽極水管理。研究發現，陽極水的累積會使電池壽命大幅度下降，在低電流的時候更容易出現這種情況，所以現在要搞陽極水管理，要把陽極氫氣循環起來。這樣做以后電堆壽命可以延長1000-2000小時。豐田公司在這方面有一個措施就是能夠在線測量MEA的水含量，我們已經開始在做這方面的工作。我希望搞燃料電池衰減機理研究的科研單位，與生產電池系統的科研單位深度合作，把在實驗室已經認識到的能夠減少衰減的辦法運用到實際當中，使我們的發動機盡快地達到5000-10000小時，滿足車用的要求。另外研究單位要加速研究MEA在線的水測量，為低溫啟動和延長電池壽命打好科學基礎。

燃料電池用空壓機技術，我們比較落后，因此可在這方面引進技術，合作建廠，降低空壓機成本，否則整個燃料電池車的成本還是降不下來，現在氫瓶加上空壓機的費用就是幾十萬元了。

燃料電池汽車在國內的示范運行

記者：我國自主研發的燃料電池車示范運行情況怎樣？取得了哪些成果？

衣寶廉：我國燃料電池車的研發始于“十五”期間，2002年科技部啟動了《“十五”電動汽車重大專項》，燃料電池車得到了重點資助。在“九五”中科院和科技部燃料電池攻關項目的基礎上，車用燃料電池研發得到快速發展。后來，由于以鋰離子電池為動力的純電動汽車取得飛速進展，實現了批量生產和運行，而燃料電池車由于售價高，可靠性與耐久性尚在攻關解決中，因此國內燃料電池車在“十五”“十一五”期間的研發和示范受到一定影響。經過多年努力，國內車用燃料電池的研發和生產取得了長足的進步，國家在“十三五”期間也進一步加大了對燃料電池車的支持力度。

雨霽霞紅 陳寶林/攝

近年來，燃料電池汽車進行了大量的示范運行。2007年“上海”牌燃料電池轎車亮相上海國際汽車工業博覽會，2009年在北京奧運會、2010年在上海世博會示范運行。在北京奧運會上有20輛燃料電池小轎車運行，燃料電池功率50千瓦；上海世博會，一共有196輛燃料電池車運行，100輛觀光車，90輛轎車。其中有30輛是通用公司生產的，有60輛是我國生產的，運行得都很好，中國制造與通用制造運行的性能并無差別。在公交車示范上，一期是北京801路公交車，二期在上海，三期是五個城市。新源動力做的電堆用于上汽汽車運行，試驗已經超過4000小時，榮威950就是用這個發動機裝的。還有上汽大通V80，實現零下20攝氏度的啟動，壽命可以達到4000-5000小時。上汽榮威馬上要投入小批量生產。在大客車方面，宇通已經生產三款燃料電池客車，獲得了工信部的銷售許可。它一共研發三代，自己還建了一個加氫站，在鄭州已經具備了大客車的試驗條件。億華通燃料電池發動機已經用在了飛馳的客車上。廣州國鴻公司引進巴拉德公司電堆生產技術，已經裝了11米的大客車，大概30輛，進行示范運行。示范運行結果證明了我國的燃料電池車可以滿足中國環境下的需求。

合作、競爭，共同發展

記者：在燃料電池的開發與應用上，我們既要立足于自主研發，又要引進國外的先進技術。在與國際的合作與競爭中，我們應注意哪些問題？

衣寶廉：從目前來看，國內燃料電池車使用的發動機有兩條路線，一個是以新源動力為代表的自主研發，建議進一步提高電池系統的可靠性與耐久性，并降低電堆的成本和鉑用量；另一條是以廣州國鴻氫能科技公司為代表的引進加拿大的Ballard技術，希望能消化吸收再創新，如解決引進技術的Ballard電堆在零下低溫儲存和啟動問題。最近荷蘭的技術也被引進國內。隨著國際技術引進到我國企業的越來越多，政府要出臺一些相關政策進行引導。如引進的電堆技術在他們自己國家裝沒裝過車，運行壽命如何？在我們國家裝一輛車開一開、看一看跑得怎么樣？要眼見為實。無論是國內還是國外，我們是合作來發展，共同來發展，大家相互交流，共同提高，盡快推進氫能和燃料電池產業化。這里既有合作還有競爭。我國的燃料電池汽車現在處于發展中國家領先、國際一流稍靠后的位置，國內外的差距不是太大。在跑車上的，國內燃料電池壽命數據是四五千小時，國外的是大于5000小時，我們落后的地方是空壓機，現在有一條路線就是用汽車增壓器改裝。另外我們要盡快出臺一些標準，如燃料電池大客車的標準，加速示范運行。

燃料電池車的安全問題

記者：現在大家十分關注燃料電池汽車的安全問題。您認為，燃料電池汽車安全問題的關鍵是什么？應如何解決？

衣寶廉：燃油車安全問題就是結構安全，到了電動車安全就是結構安全和電安全，到燃料電池車就是三個安全：結構安全、電安全和氫安全。燃料電池車門檻比較高，最大的安全問題是碰撞問題。結構安全現在好像比較好一點，在開放空間氫著火也比汽油要好的多，但是在密閉空間就不是那么回事了，所以車庫就要比較復雜。有一個電安全問題要充分注意，比如撞車時，自動將氫氧氣截斷了，電堆200多伏電壓還在，一旦導線碰到底盤，就是電的安全問題，要想辦法解決。或者給電堆放電，這是最快的方法，電堆壞就壞了，但這樣人就安全了。另外氫的管道，特別是有接頭的部分絕對不允許通過乘客室，這方面要出強制標準，以提高氫燃料電池車大量進入市場以后的安全性。

總之，人命關天，安全問題比天大。作為一名負責任的科技工作者，在氫燃料電池車的研發和應用上，無論是駕車人的安全，還是乘坐者的安全，都必須是我們優先考慮的問題，都必須放在重中之重的位置上、決不能掉以輕心，這是我們的職責所在。

10.13561/j.cnki.zggqgl.2017.08.002 編輯：王圣媛