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衣宝廉:应提高车用燃料电池的可靠性与耐久性2020-09-22 06:24

8月31日,第十五届中国汽车产业发展(泰达)国际论坛在天津举行,本届论坛环绕全面深化改革对外开放,发展壮大新的动能为主题。在院士论坛上,中国工程院院士衣宝廉就科技前沿与产业趋势话题进行讲话。衣宝廉院士回应:建议尽早完备燃料电池发动机的产业链,提升电堆的工作电流密度,提升燃料电池的体积和重量比功率,为乘用车奠下基础。另外了解研发电堆波动机理,研发抗腐蚀、大幅度提高发动机的可靠性与耐久性,期望我们在2023-2025年把燃料电池车的成本降至跟锂离子电池车较为将近的水平。以下是讲话国史:敬重的杨院士、李院士、低书记以及各位嘉宾,下午好!我谈的题目是提升车用燃料电池的可靠性和耐久性。我分两部分展开演说,第一部分非常简单讲解一下国内外燃料电池车的现状,下一部分是怎么提升燃料电池的可靠性和耐久性。燃料电池发电的原理是电化学,因此效率较为低,燃料电池的工作方式是内燃机的,跟锂电池比它的能量不是储存在电池里,所以尽管燃料电池的膜也有斩的时候,但是斩了电压上升,我们把氢气开动,会产生自燃和发生爆炸,所以燃料电池是较为安全性的,能量和转化成发电是分离的。把燃料电池装有到车上,现在一般都是混合动力的、电电混合的、直驱的方式,不是充电式。跟燃油车比起,用氢瓶替换了油箱,燃料电池发动机替换了内燃机,获得的益处就是废气没污染物了,就是废气水,代价现在就是运营费用低、发动机成本高,两个喜。燃料电池车的性能现在从续驶入里程、氢化的时间,从驾驶人员的感觉以及舒适性、适应性都超过了燃油车的水平,因此如果不不存在两低,燃料电池几乎可以替换燃油车,但是它有两个仅次于的拦路虎,一个是发动机的成本较为低,一台燃料电池车的售价是燃油车的一倍,比如说大巴车,柴油车买一百多万,燃料电池车卖给二百万,小轿车也是这种状况。再有运营费用较为喜,运营费用现在是用市电电解水,制氢。 燃油车一百公里大约消耗七八升油,也就是40多块钱,一公斤氢七八十,运营费用较为低,费用低于的锂电池车,跑完一百公里平均值15度电左右,一度电一块钱,才15块钱,所以燃料电池车要想要大规模应用于,还要把两低歼灭掉,一公斤氢买40块钱左右,燃料电池车成本与锂离子车相似,我想要燃料电池车是可以普及的,这个时间我预计还要三年到五年左右。现在燃料电池发动机从体积来看,早已可以跟内燃机比起,去年在海口召开,本田说道早已超过了六缸内燃机的水平,乘用车都多达了5000小时,大巴车超过了20000多小时,寿命还是可以的,但不是每一辆都能超过这种水平。从耗资来看还是较为喜的,这里有一个某种程度是价钱,还有资源的容许,就是铂的用量问题,现在一千瓦国际上用铂是0.2克,国内降至了0.3克左右,要那也百万辆的生产必须降至0.1克以下,现在实验室早已超过了这个拒绝,所以铂用量不是一个核心因素了,原本我们看得极重,但是由于比功率的提升和催化剂活性的提升,铂的问题现在显然有期望了。国内从2001年正式成立电动汽车国家专项以来到现在就做到这方面的研究,有数20年的时间了。我们从2005年以后,整车开始跑完了,2007年参与了上海大赛,2008年奥运会有23辆燃料车参予运营,2007年有16辆轿车到美国加州展开了实验,2010年有一辆大巴到新加坡参与了世青赛,196辆燃料电池车参与了上海世博会的样板运营,所以国际上看中国样板的燃料电池车还是较为多的,累积了非常丰富经验。但是在世博会以前的样板着眼点不是经济,不是做到一台车花多少钱,运营一百公里花上多少钱,而是着眼燃料电池车能无法限于,着眼的是技术问题。那个时候的样板叫技术性的样板,现在也叫样板,产业化的初始阶段,但是这个样板是经济性的样板,我实地考察经济上可不不切实际。在奥运会样板以后上汽做了一个创意征程,分南线和北线,它的目的就是实地考察三种电动车,锂电池车、燃料电池车和混合动力车对中国环境的适应性。所有的车都在西藏展开了加压,当时我最担忧的燃料电池车在西藏能无法跑起来,实验结果还是能跑完,速度上不去,因为西藏的氧浓度只有10%,所以三种车在我国的地理环境下不管是沿海还是内地,都自生。所以这个样板还是行顺利的。另一个大行动的是2018年2月11日正式成立了中国的氢产业联盟。我们国家的大国企,像能源集团、三桶油都在能源联盟里,所以它是发展氢能和燃料电池的中流砥柱,国企还是有实力雄厚的资金实力,所以联盟的正式成立现在又公开发表了白皮书。2018年十三五反对燃料电池的经费早已超过了8个多亿,最后批的一批还并未算入,拿得最少的一个是北方团队,就是沈阳化物所,做燃料电池基础研究,4900万,还有上汽的第一大股东的新源动力,拿了一亿两千五百多万,总计近1.8个亿。

衣宝廉:应提高车用燃料电池的可靠性与耐久性

这个是燃料电池车的公告数,现在早已过时了,近期又批了好多。现在装车的电堆大部分还是卡补贴的,以30千瓦跟上,下限是60千瓦。国际上装车的都是100千瓦左右,我们的功率比起来讲还是较低的,尤其是做到乘用车,乘用车燃料电池的功率要是五六十千瓦,就得依赖锂离子电池,所以锂离子电池的不安全性带回了燃料电池车上。所以乘用车用的燃料电池应当在100千瓦数量级。到现在,要按车数算,大约有4000多辆车投入了市场,但是我获得的消息是有2000多辆车在运营。发动机成本占到比,燃料电池填约是50%,现在实际装车燃料电池发动机的成本燃料电池填早已超过了60%到70%,因为空气循环泵和氢瓶成本都大幅上升了,原本在国内装车是1:1,现在电堆的成本早已下降到70%左右。国内到现在有23个省市陆续公布了氢能和燃料电池的发展计划,所以国内很热。我指出基础最差的还是以上海为中心的长三角地区,他们有三大平台,样板的车辆也将近千辆,所以发展基础是最实力雄厚的,其次是珠三角,广东省为核心的,还有就是北方以清华、亿华通承托一起的,和宇通公司,以冬奥会为突破口的张家口地区,所以燃料电池三个样板较为好的地方,长三角、珠三角和张家口地区。现在的车国内公开发表出售的商用车是V80,V80是上汽大通做到的,电堆是沈阳新源的,辽宁省新宾想买60辆,实际报废是40辆,在新宾县运营。乘用车方面,也是上汽装有的荣威950,在黑龙江跑完了,可以在零下20度储存和用于,用的是新的源动力复合板的电堆,性能还不俗,可以公开发表卖到。亿华通并购了神力,需要装配三种功率的电堆,30千瓦的电堆和60千瓦的电堆,它这个电堆的双极板是石墨粉和树脂冲压出来的,所以这个双基板电导较低一点,但是很简单,跟新源的复合板可以比起,实际丰田也是复合板。亿华通在电池系统方稳坐是第一把交椅。宇通车做到得较为多,早已是第四代了,自己辟了氢化车站,亿华通和宇通的客车在张家口,大客车一共是74辆,利用亿华通的技术福田装有了49辆,宇通获取了25辆,这74辆车在张家口跑完的十分好。得出结论的结论,燃料电池车非常适合于严寒地区的运营,因为锂离子电池车在冬天负30度的时候容量波动较为大,如果进空调续驶里程又大幅上升,燃料电池工作温度是靠自己的余热,所以冬天跟夏天没什么区别,夏天排热还艰难,冬天可以用燃料电池的余热,因为它是80度给大客车供暖,空调还不耗电量,所以说道得出来一个结论,在张家口样板运营证明燃料电池车尤其适合于严寒环境下的运营,不但里程不延长,能量利用效率由于空调不必进,还提升了。我上面谈的两种不管是上汽跟新源,还是亿华通和神力这都是国产技术。下边就是国鸿,收缩石墨双基板,把收缩石墨冲压成型,往里面溪边树脂,这种电堆体积比功率在1.5-1.8,较为较低,但是很可信。所以国鸿生产的电堆在国内样板车当中的占有率超过了70%-80%,国内跑完的好几千辆车有70%-80%的电堆出自于国鸿。而且国鸿引入除了30千瓦、50千瓦,还有80千瓦、85千瓦,85千瓦装有大巴车就更佳了。同时他们在云浮利用这种电堆装有了城市的轻轨下线样板运营了,所以说道国内这两条路回头的都不俗。所以我们现在显然,国内电堆早已多达了5000小时,超过了一万多小时,跑车也跑完出来了,但不是每一辆,不光国鸿的电堆还是新源的,还是神力的都跑完过了5000小时和10000小时。我们也茁壮一起一些企业,但是我们的问题就是产业链还不仅有,大部分的关键材料与部件还是倚赖进口。现在装车的电堆都是在每立升两千瓦左右,正在发展的以新的源动力以及国内其他一些公司都做了每立升三千瓦,但是这些电堆装车是装有了,但是还没跑完过5000、10000,要把这个数据跑完出来才能说道超过了国外的水平,在这个过程当中还有很长的路要回头。这是新的源动力装有的金属板电堆,这个电堆它是75千瓦,长时间输出功率,峰值功率是85,早已超过了每立升3.4千瓦,正在装车跑完。所以万部长在长春的科学年会上谈了,国内燃料电池在寿命、可靠性、用于性上基本超过了车辆用于拒绝,中国可行性掌控了涉及的核心技术,基本创建了具备自律知识产权的燃料电池汽车动力系统技术平台,未来要强化协同创意,减缓前进氢能燃料电池产业的全面发展。我总结了几点。第一,我们累积了大量的样板经验,不具备了展开大规模样板,考核经济性的基础。第二,我们应当尽早构建关键材料、电催化剂、质子互相交换膜、双极板等批量生产,为减少电堆成本和提升电堆一致性奠下基础。第三,提升电堆的比功率,减少电堆成本和铂用量。燃料电池车发展了二三十年,成本降下来主要是提高比功率,一开始国内国外每平方厘米是300毫安,后来升至了500-800毫安,第三阶段是800到1个安培,现在是1-1.5安培,将来的发展方向是2-3安培,如果能做2.5-3安培每平方厘米,燃料电池的成本就能超过每千瓦一千块钱,铂用量就大于0.1克,别的都不必改为,所以说道提升电堆的比功率是减少电堆成本的最有效地的办法。第四,我们要进一步提高电堆的可靠性和耐久性,为什么要这样做到呢?因为现在燃料电池堆里用的材料把氢气和氧气送进去要平稳的进,在车用工况下迅速垮了。我们要给燃料电池填生产一个十分温馨的,合适它存活的环境,来保证燃料电池的寿命。下边我就谈这部分。第一就是工况,车进一起一会儿加快、一会儿滑行,一会儿行驶,造成燃料电池填电流电压大幅波动,湿度、压力都是波动的,所以这些波动就造成催化剂生锈,化学受损,头三辆大巴车都将近一个月全部都想到了。那么解决问题的措施,第一件事情就是电电混合,司机把油门踩下去,这个电大约毫秒级到微秒级就变化了,可是燃料电池把电发出来,空气氧气要送进去,这个时间是秒级的,所以燃料电池就跟上,它就不出气,要反极和生锈。一开始做到显燃料电池车,国外怎么做呢?要延后几秒,即要做到实供气,司机踩油门再行把气量减少,还包括开始卖的外国的显的燃料电池车都有实供气,也就是说踩下去都有延后,根据速度不一样,延迟时间不一样。使用了电电混合以后,驾驶员性能超过了燃油车的拒绝,移开以后锂离子电池再行给驱动电机供电,燃料电池减少气体,同时减少功率输入,燃料电池功率输入减少锂离子电池往上升,最后都是燃料电池,锂离子电池电量较少的时候给锂离子电池,所以说道这个电电混合是必需的,被全世界使用。这个就是我们国家以万钢为代表的做车的同志明确提出来的,不是可有可无的事,显燃料电池车就是要返回实供气那个阶段,它的操作者方式跟燃油车不一样。司机的感觉不一样,立刻是加快没法的,这就是说燃料电池它的功率减少是有一定的容许,得把气可供上,所以电电混合以后就解决问题了这个问题。二是电池使燃料电池运用更加稳定、寿命更长。像丰田为了安全性不必锂电池,也简单超强电容的,这就是解决问题了较慢读取的问题。第二个是开路、怠速、低载都会产生低电压。在0.85以上,碳粉的水解速度也减缓,这都会产生铂的萎缩,铂的萎缩以后用铂越来越少,所以寿命就不会延长,要掌控燃料电池的电压在0.85伏以下,就要容许这些高电位,尤其是启动行驶。启动行驶不会导致铂大量的萎缩。启动行驶最有效地的办法是使用静电,把高电位避免。高电位不避免,启动行驶一次每节电池系统波动0.35豪叱。避免以后基本上就稳定了,像丰田的电堆,一个电堆370节,一次启停就要上升十几豪叱。再有一个,低温,水结冰体积不会减少,所以一定要解决问题低温储存和启动问题。电池里边有三种水,一个跟磺酸融合的束缚水,一个是权利活动的权利水,还有是介于之间的半束缚水。半束缚水束缚力就越强劲结冰温度就越较低,所以在低温下要将燃料电池内权利水全部刮起光,这样的话结冰以后才会毁坏膜和电极的结构,启动的时候可以用二次电池辅助冷却电堆,在制订一定提高电流程序等就可以启动一起了。丰田为了更佳的解决问题这个问题,它可以现场测量水含量。现在国内清华大学和化物所都能做这一点了。最后一个就是阳极水管理,燃料电池的水是在氧电极分解的。所以无法叫氢电极表面有水滴,要做阳极的氢循环,氢循环做一起阳极就没水滴了,这件事情可以缩短燃料电池的寿命2000小时以上。在中国还有一个特点就是硫化氢和二氧化硫,二氧化硫对燃料电池是一个总计性的毒物,二氧化硫多了以后性能较为上升,我们卖德国的三辆大巴,在北京进两三个月敢了,后来说道是因为北京市冬天大气中的二氧化硫的影响。所以二氧化硫中毒可以用高电位方法扫瞄清理,但是性能会完全恢复到原先的。我们所做了电化学水解,我们用电化学的办法把二氧化硫水解为三氧化硫,水解就是要做到一个电化学反应器,电量消耗很少,空气当中的二氧化硫是PPM近于。作为燃料电池除了解决问题上述问题,我们还要利用锂电池车的经验解决问题电安全性问题,还要解决问题氢安全性问题。要创建燃料电池身体健康状态的命令。这个车是黄灯还是红灯,红灯得停了,红灯是检修了,绿灯是长时间的,另外在脑溢血事故的时候,怎么把燃料电池的电堆电压从200多叱怎么降至安全电压60伏以下,这些工作我们都在做到,都有了一些结果。所以我建议尽早完备燃料电池发动机的产业链,提升电堆的工作电流密度,提升燃料电池的体积和重量比功率,为乘用车奠下基础。另外了解研发电堆波动机理,研发抗腐蚀新材料、大幅度提高发动机的可靠性与耐久性,期望我们在2023-2025年把燃料电池车的成本降至跟锂离子电池车较为将近的水平。