我国车用燃料电池技术的研发与应用——访中国工程院院士衣宝廉

◎本刊记者/王圣媛

我国车用燃料电池技术的研发与应用
——访中国工程院院士衣宝廉

◎本刊记者/王圣媛

在大力倡导节能环保的今天，新能源汽车的出现既满足了人们日常出行的刚性需求，又有效降低了以石油为燃料的普通汽车尾气排放造成的雾霾等环境污染。《关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》明确提出，现阶段将重点培育和发展新能源汽车产业，开展燃料电池汽车相关前沿技术研发，大力推进高能效、低排放节能汽车发展。可见，燃料电池技术的开发为新能源汽车的发展开辟了新方向。今年“中国科协年会”期间，本刊记者就我国新能源汽车发展的关键环节——燃料电池技术的发展情况采访了中国工程院衣宝廉院士。

燃料电池的工作原理

记者：广大读者对燃料电池还相当陌生，请您谈谈燃料电池的工作原理。

衣宝廉：好！我来介绍一下燃料电池的发电原理。我们平时说的燃料电池，指的就是氢燃料电池，是使用氢这种化学元素制造成储存能量的电池。它利用电化学原理发电，与锂离子电池的发电原理一样：氢在阳极氧化生成氢离子和电子，电子经外电路做功后到达阴极，氢离子通过膜也从阳极到阴极，在阴极氧与氢离子和电子反应生成水。燃料电池的工作方式跟普通蓄电池不一样，它的工作方式就是个发电机，把燃料和氧化剂送进去就可以发出电，其跟内燃机的工作方式是一样的，送进去燃料和氧化剂就可以做功。所以它是一个系统，有供氢系统、供氧系统、排水系统、排热系统。据此，它就兼有电池和内燃机两者的优点，当然也有它们的缺点。比如优点是发电过程是电化学的，效率比较高，由于它是利用氢和氧的化学反应产生电流及水，不但完全无污染，也避免了传统电池充电耗时的问题；在燃料价格上涨、环境污染日益严重和全球气候变暖的背景下，人类对更清洁、更安全、效率更高的能源的需求越来越迫切，需求量越来越大，燃料电池正是目前最具发展前景的新能源。但其缺点是因工作方式与内燃机相同，系统比较复杂。一节单池输出的电压仅0.7伏左右，要几十、几百节单池串接起来，构成电堆，才能使电压达到几十或几百伏，所以各节单池性能一致性是电堆的关键问题。

国际车用燃料电池技术的现状

记者：请您介绍一下国际上车用燃料电池技术的研发情况。

衣宝廉：1839年英国发明了燃料电池，此后其长期被用于电力、航天等领域。车用发电跟民用发电不一样，汽车行驶状态是一会儿开一会儿停。在15年的时间里，研究人员和企业家通力合作，解决了燃料电池的工况适用性问题，结论是燃料电池可以作为汽车发动机。接下来又用了7年左右的时间，解决了燃料电池寿命问题，从原先的几百小时，上升到轿车5000小时，大巴车1万小时以上。通过电堆功率密度的提高和关键材料的技术进步，降低了电池系统成本。2014年12月15日，丰田公司宣布它的未来车商业化，一辆车销售价约为38万元，比锂电池车稍贵一点。国际上称2015年为燃料电池车商业化元年；我国今年将开始大规模的燃料电池大巴车示范运行，有人也称今年是我国燃料电池车产业化元年。

国际上，燃料电池发动机现在已经做到能与内燃机互换，体积功率密度达到每升3000瓦左右，寿命在大巴车上使用已经接近2万小时了，小轿车大于5000小时。通过前边15年和后来7年的工作，铂用量现在已经大幅度下降，国际水平达到每千瓦0.2克左右。丰田公司在2014年宣布未来车的商业化，它的专利可以无偿使用。丰田未来车有两点比较突出：一是它的膜厚度大幅度减薄，现在是十几个微米，用的是增强膜，所以性能大幅度提高了；再一个用了3D流场，降低传质极化，在这方面国内技术还有差距。现在各大公司表面上都是在小轿车上进行竞争，都有样车，但是真正上市的只有丰田一家，本田是刚刚开始。本田公司一个大的行动是与通用公司联合宣布投资4000多万美元建设燃料电池堆生产线。倘若建成，生产能力会大幅度提高。

总的来看，国际上燃料电池车已经进入一个市场导入期，就是S型曲线的起始阶段，影响燃料电池成本的主要是空压机和氢循环泵。氢气瓶也是比较贵的，丰田公司的技术，是用低强度的碳纤维，绕制储氢瓶，所以储氢瓶是比较便宜的。从长远来看，核心问题还是建立一个电堆和电池系统的生产线，另外加氢站要大幅度开始建设，更长远的任务是发展非铂催化剂，将来不用铂。

我国车用燃料电池技术的进展

记者：我国车用燃料电池技术的研发和应用情况如何？

衣宝廉：从催化剂角度看，我们作出了现在世界上最流行的合金催化剂，已经开始使用。还有核壳催化剂，这是上海交大研发的，用钯镍做核，用铂做皮，比丰田公司的性能还好。从膜角度看，国内已经做了自由基淬灭膜，把自由基淬灭，膜寿命就延长了，我们是用过渡金属氧化物来淬灭它。从碳纸角度看，国内生产的碳纸性能已经超过日本，但这些还都没有商业化。在膜电极的制备方面，我们已经使用电喷涂技术，性能比现在用喷枪喷涂有所提高。武汉理工研发的MEA的性能已经接近最好的膜电极的性能。我们国家从关键材料到关键部件的性能不比国际上落后。大连化学物理研究所研发的有序化电极，接近3M公司产品的性能。从金属双极板角度看，我们已经解决了冲压成型和激光焊问题。我们用金属双极板装出来的电堆，体积比功率达到3.0千瓦，重量比功率达到2.2千瓦，比国际水平稍低一点。低在什么地方呢？我认为差距主要是由于丰田公司采用了3D流场，通用公司采用了有序化薄膜电极，我们也正在发展这些技术，用于提高电池的工作电流密度。从关键材料来看，国内的研究水平、小批量试样已经达到了国际先进水平，现在问题是没有生产线，所以我们希望有志于发展燃料电池事业的企业家进行投资，建立这些关键材料和部件的生产线，打通燃料电池的产业链，为大幅度降低燃料电池的成本奠定基础。我国现在与国际的差距主要是没有生产线，所以在大量生产时，关键材料还得到国外去买。另外研究单位要加速有序化电极和3D流场研发，尽快实现产业化。

从电池系统上来看，由于车用工况一会儿加速，一会儿减速，一会儿停车，所以输出电流和输出功率就形成一个波动，这样会对电池造成很大的影响，使电池寿命缩短。我国在2001年开始研制燃料电池车的时候，因为燃料电池技术没有国外那么先进，所以就提出研发混合动力车，当时我国的纯电动车已经比燃料电池车好多了，就是人们俗称的“电电混合”。延长燃料电池寿命的最主要的一个措施就是电电混合，把功率快速变化的压力加到锂离子电池上，大幅度延长燃料电池的寿命。

延长燃料电池寿命的第二个办法是限制高电位。铂的工作电压超过0.85伏就要氧化成氧化铂，因此最好限制工作电压低于0.85伏。车怠速，燃料电池可以给水箱加热，也可以把电池里的空气进行循环，降低氧含量，确保单节电池电压低于0.85伏，延长电池寿命。停车时空气会进入氢腔，形成氢空气界面，产生高电位，导致碳氧化使铂流失。最好的解决办法是把电放掉。采用这种措施以前，每个启动、停车循环，大概每节电池降0.37毫伏左右；采用这个办法以后，电池在启动停车时就不衰减了。

还有一个是电堆阳极水管理。研究发现，阳极水的累积会使电池寿命大幅度下降，在低电流的时候更容易出现这种情况，所以现在要搞阳极水管理，要把阳极氢气循环起来。这样做以后电堆寿命可以延长1000-2000小时。丰田公司在这方面有一个措施就是能够在线测量MEA的水含量，我们已经开始在做这方面的工作。我希望搞燃料电池衰减机理研究的科研单位，与生产电池系统的科研单位深度合作，把在实验室已经认识到的能够减少衰减的办法运用到实际当中，使我们的发动机尽快地达到5000-10000小时，满足车用的要求。另外研究单位要加速研究MEA在线的水测量，为低温启动和延长电池寿命打好科学基础。

燃料电池用空压机技术，我们比较落后，因此可在这方面引进技术，合作建厂，降低空压机成本，否则整个燃料电池车的成本还是降不下来，现在氢瓶加上空压机的费用就是几十万元了。

燃料电池汽车在国内的示范运行

记者：我国自主研发的燃料电池车示范运行情况怎样？取得了哪些成果？

衣宝廉：我国燃料电池车的研发始于“十五”期间，2002年科技部启动了《“十五”电动汽车重大专项》，燃料电池车得到了重点资助。在“九五”中科院和科技部燃料电池攻关项目的基础上，车用燃料电池研发得到快速发展。后来，由于以锂离子电池为动力的纯电动汽车取得飞速进展，实现了批量生产和运行，而燃料电池车由于售价高，可靠性与耐久性尚在攻关解决中，因此国内燃料电池车在“十五”“十一五”期间的研发和示范受到一定影响。经过多年努力，国内车用燃料电池的研发和生产取得了长足的进步，国家在“十三五”期间也进一步加大了对燃料电池车的支持力度。

雨霁霞红 陈宝林/摄

近年来，燃料电池汽车进行了大量的示范运行。2007年“上海”牌燃料电池轿车亮相上海国际汽车工业博览会，2009年在北京奥运会、2010年在上海世博会示范运行。在北京奥运会上有20辆燃料电池小轿车运行，燃料电池功率50千瓦；上海世博会，一共有196辆燃料电池车运行，100辆观光车，90辆轿车。其中有30辆是通用公司生产的，有60辆是我国生产的，运行得都很好，中国制造与通用制造运行的性能并无差别。在公交车示范上，一期是北京801路公交车，二期在上海，三期是五个城市。新源动力做的电堆用于上汽汽车运行，试验已经超过4000小时，荣威950就是用这个发动机装的。还有上汽大通V80，实现零下20摄氏度的启动，寿命可以达到4000-5000小时。上汽荣威马上要投入小批量生产。在大客车方面，宇通已经生产三款燃料电池客车，获得了工信部的销售许可。它一共研发三代，自己还建了一个加氢站，在郑州已经具备了大客车的试验条件。亿华通燃料电池发动机已经用在了飞驰的客车上。广州国鸿公司引进巴拉德公司电堆生产技术，已经装了11米的大客车，大概30辆，进行示范运行。示范运行结果证明了我国的燃料电池车可以满足中国环境下的需求。

合作、竞争，共同发展

记者：在燃料电池的开发与应用上，我们既要立足于自主研发，又要引进国外的先进技术。在与国际的合作与竞争中，我们应注意哪些问题？

衣宝廉：从目前来看，国内燃料电池车使用的发动机有两条路线，一个是以新源动力为代表的自主研发，建议进一步提高电池系统的可靠性与耐久性，并降低电堆的成本和铂用量；另一条是以广州国鸿氢能科技公司为代表的引进加拿大的Ballard技术，希望能消化吸收再创新，如解决引进技术的Ballard电堆在零下低温储存和启动问题。最近荷兰的技术也被引进国内。随着国际技术引进到我国企业的越来越多，政府要出台一些相关政策进行引导。如引进的电堆技术在他们自己国家装没装过车，运行寿命如何？在我们国家装一辆车开一开、看一看跑得怎么样？要眼见为实。无论是国内还是国外，我们是合作来发展，共同来发展，大家相互交流，共同提高，尽快推进氢能和燃料电池产业化。这里既有合作还有竞争。我国的燃料电池汽车现在处于发展中国家领先、国际一流稍靠后的位置，国内外的差距不是太大。在跑车上的，国内燃料电池寿命数据是四五千小时，国外的是大于5000小时，我们落后的地方是空压机，现在有一条路线就是用汽车增压器改装。另外我们要尽快出台一些标准，如燃料电池大客车的标准，加速示范运行。

燃料电池车的安全问题

记者：现在大家十分关注燃料电池汽车的安全问题。您认为，燃料电池汽车安全问题的关键是什么？应如何解决？

衣宝廉：燃油车安全问题就是结构安全，到了电动车安全就是结构安全和电安全，到燃料电池车就是三个安全：结构安全、电安全和氢安全。燃料电池车门槛比较高，最大的安全问题是碰撞问题。结构安全现在好像比较好一点，在开放空间氢着火也比汽油要好的多，但是在密闭空间就不是那么回事了，所以车库就要比较复杂。有一个电安全问题要充分注意，比如撞车时，自动将氢氧气截断了，电堆200多伏电压还在，一旦导线碰到底盘，就是电的安全问题，要想办法解决。或者给电堆放电，这是最快的方法，电堆坏就坏了，但这样人就安全了。另外氢的管道，特别是有接头的部分绝对不允许通过乘客室，这方面要出强制标准，以提高氢燃料电池车大量进入市场以后的安全性。

总之，人命关天，安全问题比天大。作为一名负责任的科技工作者，在氢燃料电池车的研发和应用上，无论是驾车人的安全，还是乘坐者的安全，都必须是我们优先考虑的问题，都必须放在重中之重的位置上、决不能掉以轻心，这是我们的职责所在。

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