章俊良：燃料電池產業化已進入了商業化導入期
本站汽車6月13日報道 6月12日，2021年第十三屆中國汽車藍皮書論壇的第三天。下午，上海交通大學機械與動力工程學院燃料電池研究所所長、致遠學院常務副院長章俊良做了題爲“低鉑燃料電池的技術挑戰和應對策略”的主題演講。
以下是他的演講實錄：
尊敬各位嘉賓，媒體朋友們，大家下午好！
非常高興有機會在這裡做一個報告，和大家有一個交流，非常感謝我們賈可博士和錢老師的邀請，這是我第二次參加這個會議。
我今天的報告題目是“低鉑燃料電池的技術挑戰和應對策略”。
首先介紹一下我們研究所，上海交通大學燃料電池研究所成立於1998年，也是國內第一家在高校成立的專業燃料電池研究機構，擁有講席教授1人、教授2人，副教授15餘人，我們研究領域包括質子交換膜燃料電池、固體氧化物燃料電池、鋰電池和儲能電池等，研究專業範圍涵蓋電化學、催化劑、關鍵材料、電池部件、系統開發等方面。我們的研究百分之八九十是集中在質交膜燃料電池上的。
研究所裡有涵蓋催化劑、膜電極、電堆、系統方面的表徵、測試、開發和集成的能力，像催化劑我們有無塵實驗室、各種分析儀器。
對於燃料電池來說，今天在座有很多專家，其實是氫能板塊裡面一箇中樞環節，上游制氫到中游儲氫加氫，再到下游的用氫，其實是依賴於我們的燃料電池技術和產品的水平。在燃料電池裡面，質子交換膜燃料電池是最活躍的，因爲它具備的優勢非常顯著，也就是它可以適用於車用，也適用於大範圍的工況變化。
對於燃料電池來說，優勢主要是效率高。相比內燃機來說，它是綠色無污染的，也被認爲是終極能源解決方案，它的效率在60%以上，負載響應非常快，能量密度非常高。
最近大家注意到了，燃料電池汽車充氫五分鐘，可以跑一千公里以上。它的關鍵材料，尤其是電堆裡面，質子膜、碳紙、催化劑、雙極板等。
對於電堆到系統，從電堆裡面來說，剛纔提到了，有膜電極組件、極板、流場、端板，還有其他一些輔助部件。
這個其實是跟我們通常看到的內燃機工作方式非常相近，也是一個開放系統。跟前面大家談到的鋰電池最大的不一樣，鋰電池是一個封閉系統，而燃料電池是一個開放系統，這也就造成了它的很多關鍵問題、關鍵矛盾。燃料電池系統相對複雜，技術壁壘相對更高。
對於燃料電池來說，任何工程系統都是一樣的，必須要把所有的裡面的元素、材料、部件能夠集合起來考慮，做一個工程優化，才能開發出高品質的、高技術的燃料電池電堆系統出來。
比如說你需要關注催化劑來降低它的電化學的膜化，也要對流場設計和歐姆極化都要關注，最終會反映到電堆裝配、電堆性能上來，這是對於燃料電池開發角度來說，它是一個全鏈條、全系統的集成。
對於國際上來說，目前燃料電池的壽命應該是已經達到了車用的耐久性，這是美國UTC公司發佈的燃料電池用於公交車系統的，可以達到三萬小時，所以燃料電池的壽命是越來越高，應該是可以滿足汽車的使用要求。
但是燃料電池其實目前最大的一個問題是它的成本，從2020年到2021年，成本指的是批量生產的成本。其實跟遠期的大規模產業化還是有一點差距，最終是需要達到30美元/千瓦的水平，才能夠接近內燃機的水平，但是這裡面降成本的路徑也是非常清晰，包括關鍵材料、關鍵部件，例如催化劑、質子膜、碳紙、雙極板的成本，以及極流板、冷卻器這些都是需要降成本的。
這裡面最大的成本下降期望值是在催化劑和膜電極，因爲對於整個電堆來說，催化劑加膜電極在一起可以佔到成本的70%以上，這是目前成本難以下降的最大原因。所以催化劑和膜電極成本下降是未來燃料電池最大的瓶頸問題。
爲什麼會這樣？在未來生產很多套的時候，可能現在大家都不太認爲催化劑是一個問題，甚至有人跟我說，目前催化劑佔整個電堆的成本也不是很高，比如生產一千套的時候，它只是在20%到30%之間，但是如果生產量增加，比如到50萬套或者100萬套，催化劑單一成本到電堆裡面是40%以上，加上膜電極組件，還有質子膜，還有封裝，可以達到60%以上的成本，因此降低催化劑以及膜電極成本是燃料電池未來發展的一個關鍵的技術。
對於催化劑來說，最大的問題就是它裡面有到貴金屬鉑，就是我們通常說的鉑金，所以未來一定要採用低鉑，或者超低鉑催化劑，甚至是未來的非鉑催化劑，它才能夠達到未來的使用要求和成本的要求，這個裡面，同時採用超低鉑的時候，你也需要提高它的膜電極性能和壽命。
2000年的時候，是1克/千瓦時的鉑金催化劑，一輛車燃料電池發動機功率假設是100千瓦，大概需要110克，到2008年是0.6-0.8克/千瓦，2020年左右降到0.2克/千瓦，未來能不能降到0.1克/千瓦，目前還不確定，也是產業界共同努力的目標。
從技術路徑來看，最早在2000年左右，那個時候是純鉑顆粒，直徑可以做到3-4納米，甚至2-3納米；2008年的時候，國際上已經開始採用鉑合金技術，可以使鉑的使用量下降一倍。
今天還是在沿用鉑金催化劑，最高可以做到0.2克/千瓦，已經到極致了，再往下走是什麼路徑？這就是今天燃料電池一個發展碰到的最大的技術障礙，因爲你成本不下降下來的話，它的成本很難跟內燃機，甚至今天的鋰電池來比較。當前的水平是0.2-0.3克/千瓦，長期的目標應該是低於0.1克/千瓦。
這裡面做了一個簡單的計算。比如我們全球鉑年產量大概是180噸，如果這裡面20%拿出來做燃料電池催化劑，這可能對鉑金市場的衝擊不至於太大，因爲一旦這個做起來，內燃機汽車三元催化器中的鉑就可以移到燃料電池裡面用了。
比如以第一代技術，鉑碳催化劑，100千瓦燃料電池發動機需要50克鉑，也就是說你可以生產72萬輛車，如果是第二代技術，也就是今天國際上用的比較多的合金技術，假如20克/100千瓦，可以生產180萬輛車。
如果用第三代技術，就是我們一直開發的這個技術，原子單層催化劑，可以做到只用5克/100千瓦，可以生產720萬輛車，這個應該可以稱之爲批量生產了。最終能不能做到1克/100千瓦，如果能夠實現，就可以生產3600萬輛車。
大家可能會想到，鉑用量減少到底帶來什麼問題？這個也是從技術角度來解剖它的低成本，低鉑來用於汽車，到底有什麼問題？對於汽車應用來說，如果鉑載量下降，問題就來了，第一個是難以滿足高功率輸出；另外一個是無法實現長壽命運行，還有一個是不能適應複雜運行工況。
它的原因很多，但是最主要的矛盾，首先是大電流區性能急劇惡化；其次是催化劑衰減加速；第三是零增溼/低溼條件下離子電阻大幅增加。
從我們這個團隊的角度來說，我們圍繞這三個問題，也進行了長時間的研發，工作也是結合上海交通大學一起來做技術研發。
針對剛纔提出的三大問題，我們發明有幾點解決方案：一是具有超低傳質阻力的新型低鉑合金膜電極；二是新型抗腐蝕鉑合金催化劑及其批量化製備技術；三是憎水性梯度分佈的非均質膜電極疊層製備技術。
我們也建成了國內首條車用燃料電池低鉑合金膜電極生產線，2020年累計製造膜電極26萬片。
從更底層的技術來說，簡單說一下，爲什麼燃料電池採用超低鉑的時候，會帶來問題，最主要是兩個問題，一個是電催化動力學和傳質動力學都不能滿足要求。
比如它的鉑載量下降至0.05毫克/平方釐米的時候，電極裡面傳遞質子的阻力達到整個催化層傳質阻力的77%，而傳質阻力的增加直接影響到電壓下降。
直觀來說，從鉑載量從0.4毫克/平方釐米下降到0.05毫克/平方釐米的時候，它的傳質阻力增加70%以上，這裡面的解決辦法就是離子的構建，以及電極裡面和極板之間的適配。因此對於強化對流，提高傳質阻力，降低極下傳質阻力，或者提高排水能力是燃料電池走出低鉑化的關鍵點。
我前面談到第一代、第二代、第三代的催化劑問題，第一代是純鉑，第二代是合金顆粒，第三代是核殼結構顆粒。第三代把鉑的用量可以說已經降到極致了，如果再要提高它的活性，降低它的用量的話，只能是在第三代基礎上，使單個鉑原子的活性繼續提高，那是我剛纔提出的最終的目標，就是降到1克/千瓦，如果能夠實現，是可以實現燃料電池規模化應用的。
對於第一代、第二代現在已經實現產業化了，第三代現在還在開發，這是我們開發過程中的一些數據，我們第三代催化劑跟第一代比，它的質量和活性從0.13提高到1.45，提高了十倍以上，應該是可以滿足燃料汽車使用的要求。
同時我們顆粒的均勻性也做得非常好，因爲它要求提高活性的同時，還要提高穩定性，穩定性有一個來源就是催化劑顆粒大小是一致的，只有一致，它的整個衰減就會減弱，因爲每個顆粒都長得差不多，衰減就不會出現問題。
除了剛纔催化劑的活性，它的表面積怎麼提高，一個是採用活性化，第二個是採用原子單層，另外一個很大的問題，也是最近發現出來的，有是在電極裡面，質子傳導也是一個非常大的問題，簡單來說，就是電極裡面的質子傳導是膜裡面電子傳導導電率十分之一以下。
對這個問題，我們也是長時間的開發，把它優化，做到可以支持低鉑和超低鉑的應用。我們把這個顆粒和質子膜在電極裡面的導電問題結合起來，做成一個非對稱的電極，在不影響它性能的同時，可以提高它的耐久性。
我們目前單批次可以做500克催化劑，製成膜電極，車用工況下已穩定運行超過8000小時，預測壽命超過1萬小時。
這個項目我們完成了車用燃料電池低鉑合金膜電極微觀傳質、電荷傳遞、材料衰減方面的理論突破。形成了高功率密度、長壽命運行、適應工況運行。
我們去年獲得了中國機械工業聯合會組織的鑑定，具有自主知識產權，研發了新型低鉑膜電極，達到國際先進水平，單位燃料電池電堆功率的鉑用量技術指標國際領先。
我們也獲得國內外同行的一致高度評價，這是學術界的一些同行評價。
除了膜電極之外，我們研究所還有一個合作公司也在做流場設計，完全是正向開發，把裡面的極管、分餾機，還有上游、中游、下游怎麼實現水平衡和熱平衡，來增強脊下對流，提高氣體傳質。從電堆角度來說，我們具備電堆的開發能力，目前開發的電堆有兩款，一個是75千瓦，一個是150千瓦。
這是我們實驗室的材料，單電池到短電堆到長電堆的系統測試能力和開發能力。
對於未來來說，剛纔提到了，要實現小於1克/100千瓦，燃料電池就可以實現3600萬輛車的生產，那絕對是大批量了，還需要做以下這些事，就是新型催化劑、新型離聚物、強化傳質，抗腐蝕金屬極板，這是未來需要聚焦的領域。
燃料電池產業化已經是進入了商業化的導入期，我們需要更加努力，從追趕到並跑，最終到領跑。這裡面需要膜電極極板、電堆匹配化的設計，一起同步開發，纔是未來燃料電池發展的方向。