衣宝廉：提高车用燃料电池的可靠性和耐久性

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在中国，氢能已纳入国家能源战略，成为优化能源消费结构和保障国家能源供应安全的重要选择。随着这种被誉为“人类终极能源”产业的爆发，全国各地对氢能产业的规划布局正在提速。据不完全统计，仅2019年，江苏如皋、浙江嘉兴、山西大同等地对氢能的投资预计超过1600亿元。根据中长期规划，到2025年，中国氢能产值将会超过5100亿元，最终发展成万亿市场。但火热背后，氢能产业究竟何时才能商业化，却无明确时间。

近日，在常熟举行的2019全球燃料电池汽车产业论坛上，中国工程院院士、中国科学院大连化学物理研究所研究员衣宝廉提出，氢燃料电池乘用车商业化至少还需十年。

（中国工程院院士、中国科学院大连化学物理研究所研究员衣宝廉）

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。

编辑：陈丹  校对：杨东川  审核：杨东川

来源：盖世汽车，氢云链整理

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