衣寶廉院士詳解氫燃料電池汽車的發展現狀和問題

中國客車網消息：能neng源yuan無wu疑yi是shi當dang今jin全quan世shi界jie共gong同tong關guan注zhu的de一yi大da話hua題ti

，受shou全quan球qiu能neng源yuan消xiao費fei量liang不bu斷duan增zeng長chang和he能neng源yuan消xiao耗hao導dao致zhi的de氣qi候hou問wen題ti，越yue來lai越yue多duo的de有you識shi之zhi士shi認ren為wei
，氫qing燃ran料liao電dian池chi汽qi車che作zuo為wei一yi種zhong真zhen正zheng意yi義yi上shang的de“零排放，無汙染”zaiyungongju，shiweilaixinnengyuanqingjiedongliqichedebiranfangxiang
，qingranliaodianchiqicheyanfayuliangchan，bijiangchengweiquanqiuqichegongyelingyudeyichangxingeming。eryibaolian
，zhengshizhefangmiandezhuanjia。

　　氫燃料電池汽車專家衣寶廉

　　衣寶廉，中國工程院院士
，原國家863《電動汽車重大專項》專家組成員和燃料電池發動機責任專家，中國科學院大連化學物理研究所研究員，新源動力股份有限公司名譽董事長。

　　衣(yi)寶(bao)廉(lian)所(suo)在(zai)的(de)中(zhong)科(ke)院(yuan)大(da)連(lian)化(hua)物(wu)所(suo)是(shi)國(guo)內(nei)最(zui)早(zao)開(kai)展(zhan)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)技(ji)術(shu)的(de)科(ke)研(yan)機(ji)構(gou)，從(cong)事(shi)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)的(de)研(yan)究(jiu)和(he)開(kai)發(fa)已(yi)有(you)逾(yu)四(si)十(shi)年(nian)的(de)曆(li)史(shi)。經(jing)過(guo)四(si)十(shi)年(nian)多(duo)年(nian)特(te)別(bie)是(shi)最(zui)近(jin)幾(ji)年(nian)的(de)快(kuai)速(su)發(fa)展(zhan)

，大(da)連(lian)化(hua)物(wu)所(suo)在(zai)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)領(ling)域(yu)有(you)了(le)很(hen)好(hao)的(de)技(ji)術(shu)積(ji)累(lei)和(he)人(ren)才(cai)儲(chu)備(bei)，是(shi)公(gong)認(ren)的(de)國(guo)內(nei)一(yi)流(liu)的(de)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)研(yan)發(fa)單(dan)位(wei)
，並(bing)在(zai)國(guo)際(ji)同(tong)行(xing)中(zhong)具(ju)有(you)相(xiang)當(dang)的(de)地(di)位(wei)。在(zai)長(chang)期(qi)的(de)研(yan)發(fa)過(guo)程(cheng)中(zhong)，大(da)連(lian)化(hua)物(wu)所(suo)形(xing)成(cheng)了(le)較(jiao)完(wan)整(zheng)的(de)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)和(he)電(dian)解(jie)池(chi)知(zhi)識(shi)產(chan)權(quan)體(ti)係(xi)，在(zai)催(cui)化(hua)劑(ji)、離子交換膜、膜電極、雙極板、電堆、燃料電池係統

、檢測與控製等方麵申報國家發明專利200餘項
，形成了燃料電池自主知識產權體係。

　　jingguosishiduoniandeyanjiu
，yibaolianyuanshiyuelaiyueshenkedirenshidao
，woguocheyongqingranliaodianchichanyehuabixujiejuedeyixiliewentixuyaogengduorenlejie，weici
，taduizhongguokechewangxiangxijieshileqingranliaodianchideyuanlihelishiyange，yijitadeyanfatuanduidechengguo，bingzhichuleranliaodianchishangyehuabixuyaojiejuedejishuwenti。

　　氫燃料電池的原理

　　衣寶廉院士告訴中國客車網，燃料電池之所以叫“電池”兩個字，因為它的發電原理是電化學的
，跟鋰電池
、鋅xin錳meng幹gan電dian池chi是shi完wan全quan一yi樣yang的de。它ta是shi用yong一yi張zhang隔ge膜mo把ba一yi個ge氧yang化hua還hai原yuan反fan應ying分fen為wei兩liang部bu分fen
，一yi部bu分fen發fa生sheng氧yang化hua反fan應ying，一yi部bu分fen發fa生sheng還hai原yuan反fan應ying，就jiu構gou成cheng了le一yi個ge電dian池chi。

　　但是燃料電池的工作方式跟日常使用的幹電池是不一樣的
，燃料電池是一個能量轉化係統，它要供給氫氣、空kong氣qi

，作zuo為wei電dian化hua學xue反fan應ying產chan物wu的de水shui要yao排pai出chu來lai，就jiu跟gen傳chuan統tong內nei燃ran機ji一yi樣yang工gong作zuo是shi要yao有you汽qi油you和he空kong氣qi供gong給gei，要yao排pai出chu來lai二er氧yang化hua碳tan，因yin此ci氫qing燃ran料liao電dian池chi的de工gong作zuo方fang式shi是shi內nei燃ran機ji式shi的de。氫qing燃ran料liao電dian池chi的de一yi節jie工gong作zuo電dian壓ya小xiao於yu1V(一般額定輸出電壓為0.6-0.7V左右)
，航天設備使用電壓一般為28V，乘用車一般為300V左右，大客車600V左右，為了滿足實際應用需求
，燃料電池需要成百、千節單電池串聯起來形成電堆

，其中一致性是非常關鍵的。

　　據衣寶廉院士介紹，從國際上來看，氫燃料電池車到現在分三個發展階段。

　　第一階段為1990年到2005年。1990年美國能源署開始製訂氫能和燃料電池研發和示範項目，世界發達國家(地區)紛紛加緊氫能與燃料電池的研發部署。當時人們對這項技術的攻關難度理解不夠，以為燃料電池車可能在1995年左右實現產業化，以至於巴拉德公司股票漲到190多(duo)美(mei)元(yuan)，實(shi)際(ji)上(shang)做(zuo)出(chu)的(de)三(san)輛(liang)氫(qing)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)車(che)在(zai)試(shi)驗(yan)階(jie)段(duan)穩(wen)定(ding)運(yun)行(xing)很(hen)好(hao)，放(fang)在(zai)芝(zhi)加(jia)哥(ge)上(shang)路(lu)運(yun)行(xing)不(bu)到(dao)一(yi)個(ge)月(yue)全(quan)部(bu)垮(kua)掉(diao)，大(da)家(jia)這(zhe)才(cai)意(yi)識(shi)到(dao)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)不(bu)適(shi)用(yong)於(yu)汽(qi)車(che)的(de)工(gong)況(kuang)。

　　第二個階段是2005年到2012年。用了7年時間終於解決了燃料電池的工況適應性問題，燃料電池比功率達到了2kW/L，在零下30oC也能儲存和啟動，基本上滿足了車用要求。

　　第三階段是2012年到現在，豐田燃料電池比功率達到了3.1 kW/L,並在2014年12月15日宣布，“未來”氫燃料電池車實現商業化，進入了商業推廣階段，其後，本田與現代也推出了燃料電池商業化車。因此

，從商業化角度
，有人把2015年譽為燃料電池汽車的元年。

　　據中國客車網了解
，當前國際氫燃料電池汽車的現狀為：氫燃料電池汽車已經渡過技術開發階段，進入到市場導入階段。燃料電池發動機功率密度大幅提升
，已經達到傳統內燃機的水平;基於70MPa儲氫技術，續駛裏程達到傳統車水平(燃料填充<5min);燃料電池壽命滿足商用要求(5000hrs) ;低溫環境適應性提高，可適應-30℃氣候
，車輛適用範圍達到傳統車水平 。通過技術進步降低成本、批量製造的開發
、以及加氫站的建設成為下一步研發重心;鉑用量的降低

，特別是采用非鉑催化劑是長期而艱巨的任務

　　衣寶廉認為

，現在產業化的關鍵問題是進一步建立生產線、jiangdichengbenhejiaqingzhandejianshe。zheshimuqianquanqiuranliaodianchiqichefazhandegongtongwenti。congranliaodianchifadongjilaikan，taxianzaikeyizuodaogenneiranjihuhuan，jiushitijikeyigenneiranjijinxinghuhuan。congshouminglaikan
，dabacheyijingdadaole1.8萬小時，小車也超過了5千小時，功勞主要是采用了“電-電”混合方式
，即二次電池與燃料電池混合驅動策略
，使燃料電池在相對平穩狀態工作，大幅提高了燃料電池的耐久性。

　　從成本來看
，目前如果按年產50萬輛計，燃料電池每千瓦成本大約是49美元，這個價格是可以接受的。業內有種看法是燃料電池汽車受鉑(Pt)資源的限製，現在氫燃料電池鉑用量國際先進水平能做到0.2g/kW，國內目前水平是0.4g/kW左右，產業化的需求是要降低到小於0.1g/kW。小於0.1g/kW是什麼概念?據衣寶廉院士介紹，就是跟汽車尾氣淨化器用的貴金屬量相當，這是需要依靠技術進步逐步實現的。

　　衣yi寶bao廉lian院yuan士shi透tou露lu
，現xian在zai國guo際ji各ge大da汽qi車che公gong司si競jing爭zheng的de技ji術shu水shui平ping都dou是shi在zai燃ran料liao電dian池chi小xiao轎jiao車che上shang體ti現xian
，而er小xiao轎jiao車che對dui加jia氫qing站zhan的de數shu量liang依yi賴lai度du較jiao高gao，當dang加jia氫qing站zhan不bu能neng夠gou達da到dao像xiang加jia油you站zhan那na麼me普pu及ji時shi，選xuan擇ze大da巴ba車che
、wuliuchehuoguidaojiaotongchefazhanshibijiaoshijidezuofa。yejiushiduijiaqingzhanyilaiduyuedi，yuerongyishouxianshixianranliaodianchichechanyehua，buhuirangyonghuchanshengjiaqingjiaolv。

　　yibaolianshuo
，congquanqiufazhanlaikan，ranliaodianchichexianzaiyijingjinrushangyehuadaoruqi
，dangxiadejiaodianjiushijiangdichengbenhejiaqingzhandejianshe。ranliaodianchifadongjicongxingneng、體積上可以實現與傳統內燃機互換，低溫適應性可以達到-30℃
，行駛裏程可以達到700公裏
，一次加氫小於5分(fen)鍾(zhong)，跟(gen)燃(ran)油(you)車(che)效(xiao)果(guo)完(wan)全(quan)是(shi)一(yi)樣(yang)的(de)。隨(sui)著(zhe)企(qi)業(ye)界(jie)的(de)參(can)與(yu)，產(chan)品(pin)工(gong)藝(yi)的(de)定(ding)型(xing)，批(pi)量(liang)生(sheng)產(chan)線(xian)的(de)建(jian)立(li)，以(yi)及(ji)關(guan)鍵(jian)材(cai)料(liao)與(yu)部(bu)件(jian)國(guo)產(chan)化(hua)，相(xiang)信(xin)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)成(cheng)本(ben)會(hui)得(de)到(dao)大(da)幅(fu)度(du)降(jiang)低(di)。此(ci)外(wai)
，要(yao)加(jia)大(da)力(li)度(du)推(tui)進(jin)加(jia)氫(qing)站(zhan)的(de)建(jian)設(she)，目(mu)前(qian)，國(guo)內(nei)一(yi)些(xie)能(neng)源(yuan)公(gong)司(si)、工gong業ye副fu產chan氫qing公gong司si及ji地di方fang政zheng府fu對dui加jia氫qing站zhan建jian設she表biao現xian了le極ji大da的de興xing趣qu，紛fen紛fen製zhi定ding規gui劃hua投tou入ru開kai發fa
，開kai始shi從cong事shi加jia氫qing站zhan的de建jian設she
，從cong數shu量liang上shang逐zhu漸jian滿man足zu區qu域yu性xing加jia氫qing(如公交運營線
、物流區等)需求。

　　國內燃料電池汽車發展

　　據中國客車網了解，國內目前用於示範的氫燃料電池汽車已達200餘輛，累計運行裏程十餘萬公裏，雖然性能已經與國際水平接近，但成本
、耐久性等方麵亟待改善 。

　　據衣寶廉院士介紹

，我國的氫燃料電池車已經進行了十幾年的研發，從“九五”開始
，現在進入“十三五”，是第20個年頭。

　　2008年北京奧運會23輛車，其中3輛大巴，20輛轎車。2009年有16輛車到美國加州進行了試驗。2010年上海世博會，一共是196輛燃料電池車參加了運營。燃料電池功率是50kW，鋰電池的功率是20kW，此外，還參加了新加坡的世青賽。北京奧運會用的公交車在北京801路上進行了示範運行，燃料電池的功率是80kW。

　　在這之後，上汽進行了2014創新征程萬裏行
，燃料電池車、純電動車和插電式混合動力車三種車型參加了示範，燃料電池汽車在全國14個省市自治區25個城市運行，超越10000公裏，接受了沿海潮濕、高原極寒、南方濕熱
、北方幹燥的考驗。客車方麵宇通推出了第三代燃料電池客車
，氫燃料加注時間僅需10分鍾，測試工況下續航裏程超過600公裏，尤其是成本下降了50%。此外
，福田燃料電池客車也亮相北京奧運會和上海世博會
，近年來技術又得到提升。近期
，上海大通V80氫燃料電池版輕客，采用新源動力電堆驅動，最高車速可達120km/h。

　　國家公布的《中國製造2025》重點技術領域技術路線圖中，關於新能源汽車發展規劃裏麵提到，到2020年要實現燃料電池關鍵材料批量化生產的質量控製和保證能力;在2025之前
，我國氫能汽車方麵的製氫、jiaqingdengpeitaojichusheshijibenwanshan，ranliaodianchiqicheshixianquyuxiaoguimoyunxing。weiletuixingqingnengranliaodianchiqiche，guojiachutailexiangyingdebutiezhengce，tongshiguowuyuanbangongtingtichu：對符合國家技術標準且日加氫能力不少於200公斤的新建燃料電池車加氫站每個站獎勵400萬元。相信沿著這個目標，中國的氫燃料電池汽車，尤其是氫燃料電池客車必定會有一個大的發展機會。

　　五大建議促氫燃料電池汽車產業化

　　針對中國氫燃料電池汽車發展問題，衣寶廉院士結合多年研發和實踐工作
，著重講了他的五個建議，分別是：

　　─
，shixianguanjiancailiaodepiliangshengchan。xiwangyouzhiyuranliaodianchishiyedeqiyejia，touzijianliranliaodianchiguanjiancailiaoyubujiandepiliangshengchanxian

，shixianranliaodianchiguanjiancailiaoyubujiandepiliangshengchan
，jianlijianquanranliaodianchidechanyelian。

　　er，tigaoranliaodianchidianduihexitongkekaoxinghenaijiuxing。xiwangyanjiucheyonggongkuangxiaranliaodianchishuaijianjilidekeyandanweiyushengchandianduihedianchixitongdedanweizhenchenghezuo
，kaifakongzhidianduishuaijiandeshiyongfangfa，dafudutigaodianduiyudianchixitongdekekaoxingyunaijiuxing。

　　三，加快車用燃料電池係統用空壓機與70MPa氫瓶的研發和加氫站建設。加大科研投入，聯合攻關;空壓機也可采用引進技術，合資建廠。

　　四
，加速轎車用燃料電池技術的開發。開發長壽命的薄金屬雙極板，大幅度提高燃料電池堆的重量比功率與體積比功率;開發有序化的納米薄層電極，大幅度降低電池的鉑用量和提高電池的工作電流密度;采用立體化流場，減少傳質極化。

　　五，加強整車的示範運行與安全實驗。擴大燃料電池電汽車示範運行。

　　針對國內氫燃料電池汽車市場化上述五個建議，衣寶廉院士詳細解釋如下：

　　第一是關於實現關鍵材料的批量生產。

　　目前
，我們國產發動機為什麼比國外貴?其中一個因素就是我們的材料都是進口，這些材料，包括催化劑、隔膜
、碳紙等。其實這方麵國內已經取得了一定的研發成果，如國內的催化劑、複合膜、碳紙等從技術水平上已經達到或超過國外商業化產品
，急需產業界投入建立批量生產線，實現國產化。

　　第二是提高電堆與係統的可靠性和耐用性。

　　現在中國的氫燃料電池車整體而言其實不比德國的、美國的、ribendechecha，dankekaoxinghenaiyongxinghaiyoudaiyutigao。suoyiwoxiwangyanjiuchezaigongkuangxiaranliaodianchishuaijianjinengdekeyandanweiyudianduishengchanhedianchixitongdedianchishengchandanweizhenchenghezuo。

　　燃料電池係統的壽命不完全是由電堆決定的，還依賴與係統的配套
，包括燃料供給、氧化劑供給、水shui熱re管guan理li和he電dian控kong等deng等deng
，係xi統tong內nei部bu關guan係xi搞gao不bu好hao，電dian堆dui在zai裏li邊bian生sheng活huo環huan境jing就jiu不bu好hao。就jiu像xiang現xian在zai國guo人ren講jiang養yang生sheng
，首shou先xian是shi身shen體ti基ji因yin，更geng重zhong要yao的de是shi生sheng活huo環huan境jing

、個人保健等等一係列事情，電池的壽命也是一樣的。

　　我(wo)們(men)大(da)連(lian)化(hua)物(wu)所(suo)在(zai)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)衰(shuai)減(jian)機(ji)理(li)及(ji)控(kong)製(zhi)策(ce)略(lve)方(fang)麵(mian)已(yi)經(jing)開(kai)展(zhan)了(le)一(yi)些(xie)卓(zhuo)有(you)成(cheng)效(xiao)的(de)工(gong)作(zuo)。研(yan)究(jiu)表(biao)明(ming)采(cai)用(yong)限(xian)電(dian)位(wei)控(kong)製(zhi)策(ce)略(lve)，可(ke)以(yi)顯(xian)著(zhu)降(jiang)低(di)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)啟(qi)動(dong)停(ting)車(che)
、怠速等過程引起的高電位的衰減。采用“電-電”混合策略，可以平緩燃料電池輸出功率的變化幅度，對延長燃料電池的壽命起到了決定性的作用。此外，氫側循環泵、MEA在線水監測等措施可以有效地改善陽極水管理，可以提高燃料電池耐久性。

　　第三是關於燃料電池係統用的空壓機與70MPa氫瓶的研發及加氫站的建設。

這zhe是shi涉she及ji到dao燃ran料liao電dian池chi示shi範fan運yun行xing的de一yi個ge大da問wen題ti。希xi望wang我wo們men國guo家jia能neng夠gou加jia大da科ke研yan投tou入ru，聯lian合he攻gong關guan。鑒jian於yu我wo國guo在zai燃ran料liao電dian池chi車che載zai空kong壓ya機ji技ji術shu方fang麵mian比bi較jiao薄bo弱ruo，建jian議yi采cai用yong引yin進jin技ji術shu與yu自zi主zhu開kai發fa相xiang結jie合he，盡jin快kuai推tui進jin。高gao壓ya氫qing瓶ping方fang麵mian，建jian議yi盡jin快kuai建jian立li70Mpa IVxingpingdefaguibiaozhun，qingpingchengbenhaiyaojinyibujiangdi。jiaqingzhanfangmian，jinguanguojiayoubutiezhengce，danchengbenhaishibijiaogao，jinqi，keyigenjuranliaodianchishangyongchehuoguidaojiaotongchequyuhuogudingxianluyunxingdetedian，jianliquyuxingjiaqingzhan，manzushifanyunxingxuqiu，suizheranliaodianchiqicheshuliangdezengda，jiaqingzhanyehuizhubuzengduo，zheshishichangfazhandebiranqushi。

　　第四，就是加速轎車燃料電池的開發。

　　商用車看重的是可靠性和耐久性，對質量比功率和體積比功率沒有太高的要求;轎車是各大汽車公司比拚的地方，因為車輛內空間有限，轎車要求重量比功率和體積比功率較高。現在都要達到3kW/L以上。國內我們大連化物所電堆體積比功率已經達到了2.7kW/L，接近國際先進水平。還要在高活性催化劑、低Pt電極
、有序化MEA
、3D流場方麵做些研究工作。

　　第五就是加速燃料電池汽車示範及安全實驗。

　　最近聯合國環境開發署三期“促進中國燃料電池汽車商業化發展”示範項目已經啟動，計劃在北京、上海
、鄭州、佛山、鹽城5個城市進行燃料電池汽車示範。此外，雲浮等地方政府也在積極推動示範運行項目，這是個好事
，但還遠遠不夠，還要加大示範力度。

　　再就是安全性問題是老百姓比較關注的事情。一聽說燃料電池帶高壓氫
，大家都害怕。其實氫氣比較輕，它的擴散係數是汽油的22bei，qingqilouchulaiyihouhenkuaijiuxiangshangkuosanle，buxiangqiyou，louchulaiyihoujiuzhiliuzaichedepangbian。qiyouzhehuoshiweiraocheshaode
，qingqidehuoshizaicheliangshangfangde
，suoyiqingqizaikaifangkongjianlishifeichanganquande。danqingqizaifengbikongjiandeanquanxingyaoyinqizugouzhongshi
，rujiayongqingranliaodianchichezaichekuli
，zhegechekuyaojiaqingchuanganqi，erqieyaojiashangtongfengzhuangzhi，yifangfashengweixian。xianjieduanjianyizaiyouqingranliaodechezuihaolutiantingfang。

　　總zong之zhi
，目mu前qian我wo國guo政zheng府fu非fei常chang重zhong視shi新xin能neng源yuan汽qi車che的de發fa展zhan，燃ran料liao電dian池chi汽qi車che迎ying來lai了le好hao的de發fa展zhan機ji遇yu。科ke研yan院yuan所suo與yu企qi業ye界jie要yao聯lian合he攻gong關guan，繼ji續xu完wan善shan燃ran料liao電dian池chi技ji術shu鏈lian
，發fa展zhan燃ran料liao電dian池chi產chan業ye鏈lian
，加jia快kuai促cu進jin我wo國guo燃ran料liao電dian池chi汽qi車che商shang業ye化hua發fa展zhan。