张久俊院士：车用氢能燃料电池的发展现状、挑战和前景 | 附PPT

　　
以“未来汽车动力与能源之辩”为主题的2019上海电化学能源器件工程技术创新论坛于2019年12月15日在上海举办。论坛围绕当前新能源汽车产业发展中的热点话题，从先进动力电池、燃料电池、氢能制备与储运、到甲醇燃料及氢电混合动力系统各抒己见，为我国新能源汽车的发展献计献策，共同推动我国新能源汽车技术进步。

　　会上，上海大学可持续能源研究院张久俊院长发表了主题演讲，以下为演讲实录：

　　接着杨院士讲的，我都不太敢讲了。杨院士说燃料电池，他的观点我是同意的，燃料电池毕竟还是比较新的一个技术，存在着很多的问题，也存在着很多的机遇，所以今天听了杨院士的报告，有一些观点非常对的，个人的评判也不多，主要是给各位领导、院士介绍一下关于燃料电池，从几个方面，一个是目前的现状，挑战，以及前景。

　　分十个方面来介绍一下燃料电池，实际上我的报告，在很多的场合已经报告过，马老师告诉我，说讲一讲燃料电池，说很多的地方都讲过，我自己都讲腻了，估计在座的老师和同学有的没听过，所以大家耐着性子听下去，分成十个分析来讲讲燃料电池。

　　首先，讲一讲新能源电动车的概况。杨院士都已经讲的非常清楚了，我就大致的说一下，目前的汽车然汽车、燃柴油必然带来排放，二氧化碳、一氧化碳，氧化氮，氧化硫等等这些，这些会排放到空气中，然后造成一种不可逆的环境污染，对我们的可持续发展带来威胁。所以燃汽车不管怎么样会带来这些，直接烧氢气也会带来污染，为什么？因为在高温情况下，1000多度的情况下，空气中的氮会变成氧化氮，它的污染要比我们的二氧化氮毒得多，所以说，汽车燃油会带来污染，这个是肯定的。

　　那么我们就要发展新能源汽车。目前世界汽车总体保有量大概是13亿辆，其中中国的汽车保有量大约是2.2亿辆，非常大的数目。前一段时间，2016年的时候，国际能源署表示，要实现巴黎协定中提出的，2度以内的目标，汽车数量需达到6亿辆，这个是主要内容。要达到这个目的，全世界全球范围内都在积极发展电动汽车，并且电动汽车它的主要核心部件就是刚才杨院士讲的，电池，动力电池，这个是它的核心部件。

　　那么我们看看，新能源电动车有几类，一种是全电，汽车里全是电池驱动，还有一种是插电式，杨院士已经讲清楚这个问题，油电混合，还有燃料电池，今天主要是介绍一下燃料电池。

　　那么我们看一下，目前世界各个主要发达国家，都把发展新能源汽车作为国家发展战略，用电动车来取代燃油车，这个可以看到，是一个大势所趋的情况。但是什么时候能够完全的取代掉？这就是很难预测的。

　　前一段时间，一些发达国家，德国、法国、英国等等，尤其是欧洲国家，都在宣布要在2040年的时候，要把所有的传统燃汽柴油车禁售，让卖，汽车公司不准再卖这个汽车。前一段时间读了几个材料，中国也在考虑这个问题，但是不知道什么时候。能不能达到？这个我个人判断，我估计有点悬，可能这是大势所趋但什么时候能取代100多年发展的燃油车的技术，这是非常难的一个问题。

　　那么我们看看国际上燃料电池的支持力度实际上是很大的，各个国家都在做燃料电池，包括燃料电池本身，包括燃料电池汽车，包括它的加氢站。这释放出什么信号？全球主要经济体都将发展燃料电池上升为国家战略，这个是支持力度。

　　那么我们看看什么叫燃料电池？给大家介绍一下。燃料电池有很多种，不光是一种，比如说质子交换膜燃料电池，它的发展目前是最多，从这里可以看到，70%的燃料电池发展都在质子交换膜燃料吃第二个是固体氧化物燃料电池，可以烧低碳化合物，都可以把燃料转变成电，最近几年也在发展比较快的。

　　熔融盐的、磷酸燃料电池，碱性燃料电池，做的最好的是武汉大学，然后是直接甲醇燃料电池，燃料直接来烧甲醇，这样避免了中间过程中把甲醇先变成氢气这样一个环节。

　　燃料电池它的功率密度也是非常高的，能量密度也是很高的。这里是燃料电池的分类，根据工作温度，发电效率，功率，用途，优点，缺点，五大种燃料电池的指标。

　　假如说是烧氢气的燃料电池，那么右上角的这部分，比如说有一个正极，一个负极，中间有一个质子交换膜，负极上，氢气被氧化产生两个质子和两个电子，两个质子通过膜，进入正极，正极通过控制中的哀，收到两个质子、两个电子转化成水，基本上是零排放，就是水，所以说，这个是燃料电池最大的优势，零排放，这个是氢能源燃料电池的最大优势。

　　我们看看燃料电池，比如说氢能源电池，干电池能够达到什么样的标准情况下，什么样的性能情况下，才能够真正的达到产业化？第一个标准是每平方厘米2A下电池电压大于0.65V。另外，我们用的铂催化剂，它的氧还原活性，要大于现在的5倍，我发表的文章里都达到了，甚至是10到20倍，但是一放到燃料电池里操作就不好使。还有膜电极氧气传输速率大于现在膜电极的2倍，达到这几点的话及燃料电池的性能完全体现出来。

　　分享一下燃料电池的五大核心技术。首先第一个核心技术，就是催化剂，刚才杨院士讲的铂催化剂，这里面有那么几种，大约是5、6种催化剂，包括铂催化剂，铂合金，壳，非贵催化剂，单晶催化剂，金属有机催化剂。绿颜色的是证明催化剂可以实际应用，黄色的差一点，红色的更离谱，主要是目前用于科学的探讨，也可以说是做科学研究发表发表一些文章是可以的，但是不能使用，但是在不断的发展。

　　我们看铂，很贵，因为比较稀少，怎么样发展催化剂，来取代铂？或者是减少铂的用量？这是一个核心技术。

　　第二个核心技术是质子交换膜，也是很贵，目前有三种，全氟的磺酸膜，还有增强型全氟磺酸膜，还有高温型复合质子交换膜，目前我们发展操作燃料电池80度，想把温度提高点，操作再150-200度，在这种情况下发展高温质子交换膜，这个也是目前的核心技术，主要是做一些磷酸型酸碱复合高温质子交换膜，并且也比较贵。

　　第三个核心技术是膜电极，就是燃料电池里的心脏，华是一种五层结构，是三合一体质的膜的结构。目前，国内在生产，但是还达不到国外水平，主要是格外几个大的公司在做这个膜电极。

　　第四个核心技术是双极板，我们通过氢气、氧气，把气体放到我们的电池表面上，需要军队的推过去，需要双极板来做这个事情。目前，主要有三种双极板，一种是石墨，一种是金属，一种复合的，现在最多的是复合的，比如日本的，现在最先进的燃料电池汽车，它的就是C，目前我们也在大力发展复酸锰。

　　第五个核心技术是空气泵，整个燃料电池系统不用空气的时候，要把空气压到3个大气压，需要长寿命的空气泵，目前国内还造不出来，靠进口，非常贵。用2个行不行？行，但是性能体现不出来，这个是燃料电池五大核心技术，现在急需攻克或者是提高。

　　一个是催化剂，一个是膜，一个是膜电极，双极板，还有高压空气泵。

　　那么这个是纯粹燃料电池的系统，比如说中间这一块，或者是超级电容器，或者是电池，空气压缩机，空气压到中间的电堆里面，氢气罐把氢气打到中间，然后发电，驱动整个汽车，看起来图很简单，实际上没这么简单，燃料电池系统是很复杂的。

　　第三部分看一看车用氢燃料电池示范以及市场。我们看一下，目前燃料电池发展到了第三代，全世界各个大的汽车公司都在做燃料电池，不光是新能源发展方向，另外也是政府的驱动，政府告诉你，你将来卖车，假如说不卖新能源汽车的话，其他燃油车也不允许卖，所以各个大的汽车公司都在发展燃料电池。国内也在做这个事情，国内目前所有汽车公司，大的汽车公司也都在做燃料电池汽车。

　　这是列出来国内各地氢燃料电池汽车示范应用情况，包括项目，时间，运营车辆，这个是详细的统计，目前是这样的一个状况。

　　再看看燃料电池汽车规模怎么样。从上面的两个图可以看到，预测2017年到2030年整个燃料电池汽车出现爆发式的增长，2030年以前，燃料电池汽车将成为全球汽车市场增幅最快的细分市场，这个话不是我说的， 是网上，几家公司都这么说，大家根据自己的判断来说。

　　另外，预测到2030年将达到230亿美元的市场，那么到了2050年总需求量达到18%，市场规模超过2.5万亿美元，这个是权威机构在统计的数据，所以说市场发展前景还是比较广阔的。

　　第四，看一下，燃料电池商业化做了哪些方面的努力，现状是什么。这里列出来主要的燃料电池，包括日本，北美、欧洲以及中国的燃料电池，典型企业，基础设施以及代表产品，可以看到，燃料电池确确实实这些大的汽车公司都在发展，国内有几家公司也是做的比较好的，国鸿氢能，目前杀出来的一批黑马是潍柴，已经有100辆公共汽车，他们的情况，产业化的发展。

　　燃料电池市场，为什么燃料电池发展了100多年，到目前用到汽车上也有几十年，80年代开始，为什么还没有达到真正的产业化？就是它的价格非常比较贵，比如说从这个图里可以看到，催化剂以及催化层有关的，以及适用方面有关的价格达到47%，在整个电池系统中，其他的是双极板以及膜很贵。其中中间的图，是目前按照汽车来算价格，可以看到，目前达到了每千瓦60美金这样的一个标准，能达到30美金/千瓦，才能和现在的燃油车相媲美，还有一段距离要走。所以燃料电池汽车的推广，关键在于低成本燃料电池的系统，其中燃料电池的零部件占比很大。所以说规模化的生产和攻破核心技术，就有可能降低它的成本，变成了观点目标。

　　看一看美国DOE指标，第一功率密度，燃料电池发动机系统刚才讲，燃料电池整个系统要达到每升850瓦这样的规模，系统要达到这样的功率密度。耐久性要超过8000小时，目前，当然很多公司宣布可以达到10000小时，但是我觉得，5000小时是一个比较合理的范围。那么规模化生产成本要达到30美元/km，这个是市场化的三个指标。

　　我们看一下，这里列出了不同的汽车它们的性能，包括车重，最高时速等等这些，这个就不和大家仔细分享了。

　　这个是丰田最先进的燃料电池Mirai，灌一罐氢气可以跑到700公里左右，一罐差不多装5公斤氢气，实际还没有产业化，真正的造这个汽车就可以赚钱，其中还有一部分是补贴的成分。

　　那么我们看看中国的上海交通大学情况是什么样的，中国目前已经形成了七大氢产业集群，重点企业间的做跨区域的投资，所以中国燃料电池产业链目前就我们统计，基本上形成，但是不完善。那么前一段时间中国内燃机学会成立了燃料电池发动机学会，叫我做主任委员，所以我就做了一些对中国整个燃料电池和氢能市场做了分析。我们发现，与燃料电池有关的企事业单位，中国有400多家，前一段时间再查的话，接近500家，有很大一部分是刚起来的公司，没有真正的做起来。还有一部分，说句不好听的话，忽悠事的。

　　第五，车用质子膜燃料电池车国内外的差距。这里列出了上汽的车，作为表可以看到，很多方面都和国外的技术很接近，主要是在关键部件上要下一把力，还有一定的差距，在很多其他方面还是比较接近的。

　　我们看一下，在关键的材料方面，就能体现出来，一定要在关键材料上发力气我们国家在燃料电池方面是后来者居上，发展到目前的状态已经是相当不错了，还需要进一步的努力，缩小差距，要在关键技术上发力。我们现在的燃料电池和国外没有太大的差距，有的已经超过国外，这个是我们非常高兴的可以看到的。

　　关于氢气储运安全性问题，杨院士已经提到，安全应该是第一。那么我们看看安全性，为什么首先讲安全性？大家一提到氢气，马上和氢弹联系起来，这个是大众、老百姓的观念。所以氢气安全问题是一个非常重要的问题，为什么？氢气是最小的分子，元素周期表里最小的，那么很容易穿透很多的容器，包括所有金属都不能把它密封，会造成泄露现象，氢脆的现象，安全是一个问题。另外，氢气在任何的压力 下，都不能变为液体，这就给我们运输带来很大的困难。

　　这个问题目前基本上得到了解决，发展的这个氢气罐，这个是日本丰田的氢气罐，里面可以压700个大气压，里面大约有5公斤的氢气，装在车里面，可以使汽车跑大概500公里的续航历程，这个非常不错，用子弹打都打不透，燃料电池氢气罐应该是很安全的。

　　燃料电池汽车的安全性，从这个图可以看到，氢气假如说泄露的话，因为很轻地向一个电焊枪一样，不像电邮，一燃烧一大片，并且汽油燃烧速率 很慢，直到把人烧死为止，氢气“蓬”一下子就没了，虽然人也受不住。氢气爆炸是缩小体积的爆炸，是两个分子变成一个分子，往里炸，这样爆炸的能量相当于汽油爆炸能量的1/22。

　　另外，刚才说了，汽油的危险度还是大于氢气的危险度，这个是经过实验的。

　　这个是氢气储运相关的一些产业、公司，从这里可以看到，还是比较多，中国氢气来源还是比较广阔的。

　　还有加氢站，就说把液态的氢气放到加氢站变压，变成大概70个大气压的氢气，给汽车充电，这个充电，只需要大约2到3分钟，非常快，和充汽油差不多，这个也是它的优势。

　　那么我们看，加氢站存在很大的问题，预测目前世界上大约整体加氢站的数量小于350个，日本大概100多个，德国有70多个，中国大概30多个，包括在建，提出的，这个是一个很大的限制。预测全球汽车加氢站到2032年将达到5000座，加氢的总容量可超过每天300万公斤，每天可为35万辆汽车加氢，还有很长的路要走。

　　另外目前的氢气价格比较贵，真正用到燃料电池里的氢气大约是60元/公斤，要降到35元和汽油成本才差别，纳德纯度毕竟大于4C，所以它的价格也是一个问题。

　　目前主要的发展方向是现场制氢气，然后来加氢，氢气的运输各个方面都很困难，用电来电解水产生氢，经过高压纯化，给汽车加氢，当然这个能量效率不是太高了，但是也是一个没有办法的办法，目前也在发展。

　　加氢站的价格也比较贵，目前不考虑土地的使用，也要到1000万到2000万的成本，才能造起来，所以鉴于它的限制，发展燃料电池要发展定向加氢的车，比如说大的物流车，大重卡，发展这个，可能是目前的首选。我们看看目前的加氢企业，这里统计了一下，大概是这么多，不详细和大家分享了，都是在做的。

　　再讲另外一个问题，燃料电池冷启动，在南方没有这个问题，在北方是一个很大的问题。冷启动主要是什么问题？燃料电池发电以后，它产生的产物是水，水在膜里面，或者是膜电极里不及时排除的话，一结冰就把催化层破坏，这个是冷启动问题。

　　那么各个汽车公司他们已经做出来，-30度，-20度地温下可以启动。但是启动后对燃料电池的影响到目前还没有数据。

　　主要后果是对催化层的破坏，也有几种启动策略，比如说停车以后把水吹出去，还有外热源和内热源加热的助启动，还有冷却循环系统助启动。

　　第八个问题燃料电池的运行衰减，有两种衰减，一种是催化剂的衰减，炭支持铂，在燃料电池的电池下，应该会氧化，但是氧化很慢，也是长期操作也是被氧化，铂被氧化，首先看这个铂，被剥离，二谈，被氧化，一块一块的，这样互相氧化，这个是造成它的衰减的原因另外一个是过氧化氢，这个对膜进行攻击，膜就会变薄，就会造成衰减。

　　简单介绍一下上海大学的工作，几个方面做的这个工作，主要是在金属板电堆辅助和控制系统，低温，还有催化剂，包括电解水催化剂还有燃料电池催化剂建立了一个队伍，燃料电池全方位的模拟与仿真能力，这个也是必须的。

　　总结一下今天跟大家分享的，主要是随着发展新能源是一个很大的产业，市场潜力巨大，中国人口也很多，所以新能源汽车的发展，包括燃料电池，我相信是必走之路。但是要谨慎对待新能源技术瓶颈，以及政府的支持力度。这两个非常重要，因为每一个新技术，都是需要政府来支持的，政府先支持。

　　那么质子膜燃料电池，目前被认为是电动车终极主力电源，为什么强调主力电源？我相信未来的电池，不是纯燃料电池，有一部分的氢燃料电池，才会有能量的平衡，才是很好的结合。

　　但是，可以把它作为一种终极的主力电源，80%是燃料电池，20%是其他电池，？但是作为全部，是有争议的，现在燃料电池两大方面，一个是降低成本，一个是加强普及加氢站，这个是产业化两个大的努力方向。

　　燃料电池比起燃油车还要贵，真正的产业化，还有很长的路要走，主要的问题是刚才说的，一个是加氢站问题，还有价格太贵，所以要降低燃料电池的成本，主要是集中在催化剂，双极板，高压空气泵等方面。

　　对于产业而言，我们要发展，一个是低铂催化剂，一个是非铂催化剂，这个是燃料电池两个大的方向。

　　来源： 商用汽车总站