提高电堆的工作电流密度,提高电堆的体积和重量比功率。深入研发电堆衰减机理,开发抗腐蚀、稳定的新材料,大幅度提升发动机可靠性和耐久性。

衣宝廉院士

经国务院批准,世界新能源汽车大会(WNEVC)于2019年7月1-3日在海南博鳌隆重召开。大会着眼于全球汽车产业的转型升级和生态环境的持续改善,通过聚集全球专家智慧和产业精英,共同交流探讨新能源汽车在技术创新、产业创新、政策创新、市场模式创新等领域的成功经验与发展趋势,凝聚产业共识,明晰汽车产业转型升级的方向,探索电动化、智能化、共享化协同发展的有效路径。在“氢能及燃料电池技术创新”的主题峰会上,中国科学院大连化学物理研究所研究员、中国工程院院士衣宝廉院士发表了演讲,内容如下:

各位嘉宾,各位同行,上午好,我今天报告的题目是《提高车用燃料电池的可靠性和耐久性》。分两部分,第一部分介绍中国燃料电池的现状,第二部分讲可靠性和耐久性。

燃料电池与锂电池一样,是按电化学原理发电的,工作方式是靠内燃机,能量储存在氢罐当中,比较安全,电池不会爆炸也不会着火,只要电池里面出问题把氢气切断就可以。用燃料电池代替内燃机,跟燃油车相比,油箱由氢瓶替代,好处就是排出的是水。适合重载和远程车。现在国际上达到了4缸内燃机水平,有的好的达到了6缸,每立升3千瓦,寿命最长达到25000小时。Pt用量还是比较大的问题,国际上达到0.2g/kW,希望达到0.1g/kW。国内比较高,在0.3-0.4g/kW。

我们2008年北京奥运会23辆,2009年19辆到加州,2010年有一辆大巴参加新加坡的世氢会,2010年参加上海世博会示范运行。上汽为了考察电动车对环境的适应性又搞了一个创新征程,燃料电池在西藏也开,就是速度慢一点。中国成立了氢能联盟,刚刚发布了白皮书,里面包括了很多央企。2018年国家支出8亿多支持和燃料电池有关的研究,最大的两笔一个是新源动力拿到的,做电堆的,一个是潍柴拿到的,做发动机的。

国内有3000辆左右燃料电池汽车在示范运行,这是我们国家发表的公告数。大部分功率在30kW-60kW之间。现在国内的成本大概是1:1,就是辅助系统、电池系统和电堆大概是1:1,现在电堆也开始下降,我们过去装车的电堆体积比溶率都是每立升2kW,现在已经提升到3kW,成本也大幅度下降,一台空压机就是4万块左右。国内40多个省市先后发布氢能计划,典型的还是上海市,上海大通FCV80已经开始公开销售,每辆30万。荣威950可以做到-30℃启动,也可以销售了。亿华通是电池系统做得最好的单位。宇通是大巴车做得比较好的单位,两家的大巴车在张家口进行试行,证明燃料电池在冬天运行非常合适,因为它的余热可以给车取暖。燃料电池在冬天运行是非常成功的,这是张家口的证明。国鸿可以做出30kW到100kW的电堆。大巴车在云浮也装了有轨电车。

通过十几年的工作,不但有了产品也形成了队伍。这是大连化物所做的3kw/L的电堆,额定功能75kW,峰值功率85kW。我们万部长前天在长春的科协年会上说,我们的燃料电池在寿命、可靠性、适用性基本达到车辆使用要求,中国初步掌握了相关核心技术,基本建立了具有自主知识产权燃料电池动力系统技术平台,未来要加强协同创新,加快氢燃料电池全面发展。

我们掌握了燃料电池的核心技术,进行了大量的示范运行,累积了经验,具备大规模示范运行的条件。

下面我讲第二方面问题。第一个是工况问题,电流波动、电压波动、温度湿度波动、压力波动造成电堆寿命的缩短,为了解决这一快速加载问题,我们由万钢部长提出搞电电混合。第二个是限制高电压,特别是启动停车电压更高。高电压会导致碳氧化之后会有流失,抑制高电压是延长燃料电池寿命的主要问题。启动停车形成氢空界面。我们学生做了实验,最有效的办法是放电,放电以后基本消除启动循环的影响,这是新源动力做的结果,如果说不解决启动停车的高电压问题,那么每个循环大概每节电池要0.37毫伏,采用了我们自己制定的程序,几乎60次循环没有衰减。这是燃料电池衰减的很主要问题。控制电压低于0.8V,电池基本没有衰减。

还有一个,因为燃料电池的水启停问题,这也是影响燃料电池大量推广应用的问题。有三个关键技术,在燃料电池有三种水,在冬天燃料电池停车要吹走自由水,再结冰就不会破坏电机结构和膜的结构。第二个是做到-20℃以上可以靠一定的加载程序自启动,不需要外部能源。在-20℃到-40℃当中,可以通过氢泵,把氢泵到氧电机跟氧反应,也可以把氢混到氧气反应,从20℃到-40℃还要实现启动,还是要靠一定能耗,光靠一定程序启动不起来。在这个过程中配上丰田车载水含量在线监控。第三个方面,电堆阳极水管理,一定要把氢气循环起来,这样的话防止积水,燃料电池堆寿命可以提升好几千小时。在发展中国家空气当中的硫比较多,特别是北方,冬天取暖的时候,氢气当中也有一定的二氧化硫,一定要净化掉,空气当中硫化氢、空气当中的二氧化硫,这对电池是一个累积性的毒化作用,中毒以后采用点位脉冲扫描办法恢复,但是这种恢复恢复不到原先的水平,因为在脉冲点位扫描的时候也要氧化一部分,有一定催化剂要流失。我们引进一台车做实验,原本说能做3年,结果3个月就垮了,他们后来说电池衰减和北京环境二氧化硫是一致的。二氧化氮、二氧化硫同时存在的时候,二氧化氮可以减掉二氧化硫毒化作用。可以用开路法和电压脉冲发活化。我们现在用电化学,把二氧化硫氧化成三江并流。

还有电池安全问题,氢安全问题、电安全问题过去一直在提。我们需要建立燃料电池堆在运行时的健康指标,必然燃料电池突然停车。实际燃料电池在这方面比锂电池简单得多,因为燃料电池所谓将来出事情都是氢氧互毁,一般我们的操作都是氢氧高于空气压力,所以只要在空气出口加一个氢气传感器就可以了,就能表明电堆健康状态。氢气能度低于千分之五的时候我认为是正常的,如果高于千分之五,就是要检修了,就要用黄灯显示。对电堆来说,这一个指标基本可以表征电堆的安全性方面的指标,所以燃料电池在车上的安全状态有漏电、漏氢一系列事情,但是对于电堆的状况,完全可以用空气当中的氢含量表征。研究还有一个问题正在研究解决,突然撞车,现在都是一个堆,比如丰田,一个堆都是200多伏直流,如果两个母线碰到,特别是正极母线就有被电死的可能,怎么样在撞车的瞬间把燃料电池电压降到安全电压以内,笨的办法带一个氮气瓶,最好的方法还是放电,但是放电容易损害电堆,我们还在做实验研究,最后从标委会定一个方法,在我们国家燃料电池车上采纳,尽管撞车的可能性很小,就算撞车正极母线掉到地上的机率也很小,但是我们也要搞。

最后建议是完善发动机产业链,建立关键材料的生产线和关键部件的空压机。提高电堆的工作电流密度,提高电堆的体积和重量比功率。深入研发电堆衰减机理,开发抗腐蚀、稳定的新材料,大幅度提升发动机可靠性和耐久性。

谢谢大家。

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