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【电动汽车百人会】南方科技大学机械与能源工程系教授、加拿大工程院院士王海江:从三个方面去实现燃料电池规模化、产业化

2019-01-13 13:41:24 盖世汽车综合

1月11-13日,中国电动汽车百人会论坛(2019)在北京钓鱼台国宾馆召开,南方科技大学机械与能源工程系教授、加拿大工程院院士王海江教授发表了主题演讲,演讲内容如下:

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感谢电动汽车百人会的邀请,今天能有机会在这里跟大家分享燃料电池技术发展里面我的一些领悟。如果说我自己对燃料电池技术发展这方面的理解有所错误的话,希望大家能有所原谅。

我们知道燃料电池并不是一个新的概念,两百多年以前就有了燃料电池这个概念。准确的说,1801年,英国人哈姆戴维首次描述了燃料电池的概念,后来到1838年,另外一个英国科学家克瑞斯又详细描述了燃料电池整个工作原理,不过在这以前,没有真正燃料电池的工作,所以大家很多就把这两个人忘记了。到了1839年,英国的科学家威廉姆他真正作出了一个燃料电池,当时他用硫酸溶液加上膜电极就发明了燃料电池,后来经过三年的努力,他把50个燃料电池串联在一起,有一定的功率产生出来了。他把它叫做气体电池,但是他用这种设备比较简陋,尽管50个电池串联在一起,也没有多大的功率发出来。正因为他功率的限制,所以在后来100多年的历史中间就没有人再进一步去开发这个燃料电池技术。不管怎么样,威廉姆因为他是第一次作出了这个燃料电池,所以我们到目前为止,也称他为燃料电池之父。

我们希望分析一下威廉姆他的电池究竟缺少什么,到现在我们可以有比较好的理解,作为一个电化学的能量转化装置,必须具备两个关键的技术。第一个关键的技术就是固体电解质,另外一个关键技术就是气体扩散电极,到现在我们也知道锂电池这方面,我们也在追求同样的技术,比如固态电解质,锂电池在追求固态电池,就把电解液变成固态。做出来这样一个器件,它就能比较紧密,有更大的功率输出出来。另外一个重要的技术就是气体扩散电极,气体扩散电极把我们过去电化学能量转化装置这样一个表面反应变成一个区域性的反应,这样能够让电极反应的动力学有数量级的提高,所以才能有真正的应用。我在一个一本书里看到这样一段描述,为什么苏联燃料电池技术远远落后于欧美的燃料电池技术呢?那是因为苏联前面一个电化学泰斗不相信气体扩散电极,所以他不让发展气体扩散电极,导致苏联燃料电池技术远远落后于欧美燃料电池技术。但不管这个说法是否正确,总体来说,气体扩散电极把我们从面反应到区域反应,使燃料电池能有比较好的应用。

到了50年代的时候,美国的公司GE他就利用了固体电解质加上气体扩散电极这样一个概念,就发明了质子交换膜燃料电池。他把这样一个燃料电池做到了1.5千瓦,七次成功运用于美国的航天任务,所以到这个阶段就是燃料电池它有了真正的应用。

我们看一下GE的燃料电池它的特点,它的特点就是利用了这种固体的电解质作为它器件的质子交换膜。那时候电池并不是我们现在说的这个电池,但其实是一个内容。它的电极是用什么呢?它的阴极和阳极把PTFE放在一起,放在金属上面,作为它的电极,它用的铂的载量是28mg pt/cm2,今天我们一看燃料电池就发现它有一些问题。问题在哪呢?它用的铂载量实在太高了,所以不可能广泛来使用。但是在当时因为它的一是用于航天这个任务,所以价格我们是不考虑的。但它最主要的问题就是它一方面电电导率很低,所以效率很低,另一方面对水特别敏感,没有水的时候,有裂缝,就不能使用了,所以这是它最主要的问题。另外一个问题这个电解质里面既有碳氢件,又有苯环在里面,它的寿命非常低,电池做了以后,很快性能就会下降。这是GE燃料电池主要的问题。

在后面几十年,其实没有大的发展,只有到了80年代末90年代初的时候,加拿大科学家杰弗瑞.巴勒德他在巴勒德(音)公司就采用了一种不同的电解质,用于它的燃料电池。不同的地方就是他用了商业性的部件用在燃料电池里面,取得非常大的成功。在后面十年左右的发展里面,从这个图里可以看到燃料电池从几百瓦慢慢发展到几十千瓦,成功作出了第一辆燃料电池汽车,就是NECAR1,把燃料电池做了进一步的发展。到目前为止,巴勒德燃料电池基本奠定了现代燃料电池技术的基础,它完全可以用作商业化的产品。在那时候也有一些问题,巴勒德燃料电池仍然存在着性能要继续提升,寿命有一定的挑战,价格上也有很大的挑战。另外一个就是氢的基础设施问题,这个问题一直也是存在到我们今天。

在当时为了解决氢基础设施的问题,美国能源部就专门有一个工作小组来计划这个。结果认为我们现在没有氢的基础设施,但是我们可以想一个办法,这个办法就是叫Onboard Referming,比如用天然气、汽油,或者军方把美国的标准航空油,这样就不需要氢基础设施的问题了,因为我加油站到处都有,这个问题就容易解决了。当时美国能源部这个项目里面Onboard Referming占据了非常重要的地位,大部分钱都投在这边了。但是Onboard Referming它有一个根本的问题,做的时候,你必须去除里面的一氧化碳。要去除这个一氧化碳,大型的效率更高,小型的非常困难。如果你要做到一氧化碳在PPM水平的话,价格就上去了,没办法解决这个问题。后来整个Onboard Referming这个项目持续了几年以后,就证明是彻底失败的一条途径。燃料电池汽车的发展不能依赖于这个,就是纯氢放在汽车上,主流的技术仍然要么是高压的氢气,要么就是液态的氢气,最后成了燃料电池汽车发展的主要路线。其他一些办法都是我们过去做了很多,而且证明在车上应用是不可行的一条路线,证明是失败的。

另外,当时燃料电池里面存在的问题,如果放在车上,我们就有一个散热的问题。同时动力学还是不够,如果提高温度的话,动力学就可以解决,一些杂质污染等等,所有这些问题解决,都指向一个目标,那就是高温燃料电池。有了高温燃料电池以后,杂质也不怕了,活性也提高了,散热也不成问题了,所以对于我们来说,那是非常理想的一种状态。这时候美国能源部成立了高温燃料电池小组,也做了很多年的工作,不同的膜、不同的催化剂等等,做了很久,最终一个问题就是高温燃料电池寿命的问题。到目前为止仍然没有解决,高温燃料电池在燃料电池发展的技术里面也是一个失败的途径。当然是非常理想的,将来如果有可能的话,当然还是希望能够达到,但是在目前这个状态下,它是一个不可行的路线。

燃料电池的技术也经过了很多弯路,但是大家最后认识到还是以巴勒德燃料电池奠定了这个基础,是我们主流的一条发展路线。刚才谈到它有很多价格的问题、性能的问题、寿命的问题,希望也能得到进一步的解决,提升燃料电池具体的要求。在这个过程里面,其中一个就是质子交换膜,质交换膜是当时整个燃料电池里面最贵的一个部件,怎么去解决?有很多的研究,包括芳香类型这样一种膜,巴勒德自己有一个公司是专门做芳香类型的质子交换膜,花了很多钱,最后证明是失败的。过去我们不理解,现在我们终于理解了,为什么是因为燃料电池里面在操作过程中要产生自由基,自由基会进攻膜,膜会降解。所有这些芳香类型的大部分都有苯环在里面,如果有苯环的话,它的寿命就不能保证,所以只有全氟磺酸膜才能经受起这样的考验,它的寿命才能达到我们的要求。最后这个发展,产业化的发展,基本上就是芳香类型的膜都是失败的,只能停留在学术研究这个地步,没有真正的用到产业化里面。

全氟磺酸膜也有一些技术上的改进,一个技术改进就是树脂的改进,影响寿命的一些关键因素,杜邦后来都把这些因素解决了。另外膜的制作工艺,早期的时候都是热柱挤出来这样的膜,它的厚度比较厚。工艺做好了以后,就可以把这个膜做的非常薄。后来就是提高它的机械性能,让这个膜做的更薄,最后加进去一些自由基催眠剂,基本上让膜的寿命能够满足我们现在商业化产品的需要。

催化剂方面也是经历了很多很多曲折的路线,我们知道催化剂,我们认为是燃料电池里面最贵的一个部件,这方面的研究特别多。基本上分为两类,一类就是铂系催化剂,另外一类就是非铂催化剂,非铂催化剂很多论文发表,但是基本上也是停留在学术的基础上,没能真正的用到燃料电池产品里面。铂系催化剂也是经过了一系列的技术改进才达到我们今天的要求,一种改进是Supported,这是美国国家实验室首次提出了这样一个催化剂的概念,用了Supported以后,可以成功把催化剂10微克降到1微克这样的数量级。后来我们认识到催化剂大小的控制,这方面进一步解决。后来另外一个进展就是HSC Support,我们用了高比表面积的Support以后,性能提高了很多,再加上高温处理以后,使得催化剂的稳定性得到了很大的提高,所以就发展到我们今天这样一个催化剂。

膜电极技术,包括气体扩散层的技术,没有太大的改变。最早期的时候,我们拿不定主意,要碳布还是要碳纸,最后经过一系列认证,最终确认碳是我们发展的目标,各个做燃料电池的公司基本上目前都不再考虑碳布。碳纸要做疏水处理,要加微孔层,我们现在的技术是碳纸由几个大公司生产的,大概一百多微米到两百个微米气体扩散层。最新的研究发现,如果把气体扩散层能够降到一百个微米的话,燃料电池的电流可以很容易达到2.5安培到3安培的数量级,所以后面的发展很可能要朝着更薄的气体扩散层发展。

膜电极它的技术飞跃就是CCM飞跃,早期我们在巴勒德都是把催化剂涂在电极上,用一个热压过程来制作这个膜电极。后来格尔发明把电极涂在膜上,把催化剂的量更容易降低,这是一个技术上的飞跃。膜电极的制作上,像巴勒德早期的技术全部是膜电极做好了以后,把封边用硅胶全部封起来,这样一个技术,这个过程里面有好几分钟的时间,所以是不利于规模化生产。现在这个技术基本上都是朝着规模化方向来发展。

另外,双极板,双极板一直是一个比较争议的问题,它有两个路线,一个就是金属双极板,一个是石墨双极板。石墨双极板的发展也是最早期的时候是用烧结石墨,后来这种技术基本上不用了。现在用的最多的就是柔性石墨,冷冲压,把它冲压成我们双极板。因为它材料的限制,不能把它做的特别薄。最新的发展,以日本为代表的碳复合材料,碳复合材料是碳粉加树脂,热成型,这样把石墨双极板基本做到金属双极板厚薄比较接近的程度。比如加拿大巴勒德最新的极板和NFCC的极板基本可以做到一个双极板一毫米的厚度,和金属极板已经非常接近了。

金属极板的发展也是非常曲折的,早期的时候,大家都是镀金、氮化等等,后来证实基本是不太可行。最新的基本上都是基材选用不锈钢,用碳镀层,这样一个金属双极板基本能满足我们的要求。但是在这里面我还要指出一点,金属双极板大家都是按照美国能源部的要求来做的。比如腐蚀电流,十的负六次方,我认为这个对大家是有一个误导作用的。等一会儿详细讲一下为什么美国能源部这个对大家有一个误导的作用。

Stack这方面没有太多发展,只不过早期的时候像巴勒德四个部件放在一起,用一个内部的部件把这四个部件连在一起,非常贵,经过很长时间以后,我们用外部分流的技术,可以把几个stack串联在一起。另外一个改进,过去用很多螺丝把它串起来,现在基本都用扎带的方式扎在一起,这样就比较紧凑。除此之外,它一个重要的,扎带有一定的弹性,在燃料电池操作过程中,比如它的膨胀与收缩,能协调它,端板上不需要再加什么东西了。你用螺杆的时候,端板上一定要加东西来调节它的压力变化,现在就没有了。另外一个很重要的问题,膜电极的性能,单电池的性能越来越好,Low  cell的问题解决了,一致性非常好,这样就可以去掉CVM。在早期的时候,我们操作非常不稳定,必须加一个CVM,一旦监测到有一些单电池性能特别低了,我就赶快把这个电堆停掉,以保持我这个电堆,现在基本上这些都不需要了。

总结来说,燃料电池其实经过了一个比较崎岖的路线,发展到我们现在这样一个技术。总结一下这个技术,产业化用的这个燃料电池,质子交换膜、全氟磺酸膜re-enforce,15个微米左右,再加催眠剂,这是我们膜的技术。催化剂,阳极催化剂一定要加抗反击的催化剂,应急催化剂,高比表面积的碳战胜氟,让它的抗氧化性能够提高。气体扩散层基本就是150微米-200微米这样的气体扩散层,双极板可以是金属双极板,也可以是石墨双极板。电堆,捆绑式,没有CVM这样一个装置。在系统上的重要进展,就是氢气循环泵的使用。氢气循环泵的使用免除了很多LOW re-enforce的概念,对电堆的循环降低了很多,氢气循环泵的使用使燃料电池的寿命增加很多。大部分车用的电池都是大概在100%的加湿,我们是需要一个空气压缩机,把空气的压力提高在1兆帕左右这样一个压力,电流操作密度基本上是1-1.2安培,这是大部分燃料电池现有的技术状态。

根据过去燃料电池技术的发展,我有自己一些看法,这些看法不一定准。如果不准的话,希望大家能够原谅。其中一个就是质子交换膜,整个燃料电池的技术不会再有大的改变,不会有很多新的概念出来。基本上是要在这个基础上,进一步的技术上再进一步提升。质子交换膜很可能下一步,我们现在是15微米,很可能将来要朝更薄,比如10微米这个方向发展。膜薄了以后,它有一个好处,你的电阻就会下降,水管理就会提高,很有可能薄的这个膜,外部的加湿器就不需要了。这是比较关键的技术,另外就是阴极催化剂,我们希望这个载体一定要高温处理,让它的抗氧化性提高,这样可以提高寿命。碳纸的发展方向,我刚才讲了,像一些巴勒德倾向于用比较薄的碳纸,比如100微米的碳纸,可以大大提高气体扩散的性能,以至于把电流密度可以提高到2-3安培中间。这是一个发展的方向。

另外一个方向,我刚才提到了,美国能源部对金属双极板它的指标问题,十的负六次方,不信的话可以做一个计算,在它生命周期里面,基本腐蚀一克左右的铁金属出来。一克的金属对于一个极板来说,没有大的影响,因为它一百多克,掉了一克,看起来它没有大的影响,但是它对膜电极的影响非常大。比如15微米的膜,整个膜的重量也不过就是一克左右。如果一克的铁放在你这个膜里面,你想这个膜能受得了吗?而且我们研究已经知道,铁的量必须控制在几个PPM以下才可以。这种操作,我满足美国能源部的这个指标,金属双极板没有问题,但是在实际操作里面还是有很大的问题存在。

我们自己认为金属双极板目前能量密度的双极板,石墨双极板是长寿命的双极板,但是你只提高能量密度,不提高寿命,仍然不能作为一个产品来使用。我相信在今后几年里面,金属双极板可能会慢慢退出燃料电池产业化的市场。石墨双方极板会占有一定的优势,另外一个很重要的问题,系统的简化。在我们过去的发展里面,我们电堆确实这几年的发展速度非常快。我们从功率密度上都有很大的增加,价格上也有很大的下降。但是燃料电池系统方面的发展却没有跟上,所以现在如果一味的追求燃料电池电堆的功率密度,其实意义不大。为什么呢?因为电堆在你系统体积里面现在基本上是四分之一的空间,如果你不改变系统这个,永远不能提高功率密度。另外按照我们现在这种情况,系统的价格要高于电堆的价格。你不解决系统价格问题,只解决电堆价格问题,那也是一个重要的问题。

系统究竟应该怎么样来发展?我认为在后面的发展里面,系统是要大大的简化。其中一个就是加湿器占重要的价格的一个部件,很可能慢慢要去掉加湿器。另外就是我们的材料上的发展,比如气体扩散就非常快,我们在高电流的时候也不会有扩散的影响。我们很可能在慢慢的往低压这个方向走,在这种情况下,对于有些做部件的公司,如果你这个公司只做加湿器或者只做空压机,你要考虑,将来发展是不是你就出局了,不在这里面了。你要考虑发展一些其他的产品。

另外一个重要的发展就是电流密度将来肯定是在2.5-3安培这样一个操作。这是燃料电池技术发展它的一个趋势,根据这些分析,我们自己是怎么做的?我们在南方科技大学,我们也做一些产业化的开发。在过去三年的时间,我们基本上是成立了三个公司,这三个公司我们是从燃料电池关键材料、燃料电池电堆一直到燃料电池系统,我们都在做。关键材料方面,我们现在已经有气体扩散层的这种生产设备。今年就开始规模化的生产,基本上一年这个产能是10万平米,是没有问题的。另外,我们也在做10微米质子交换膜,同时开发催化剂,一些应用就是在小型风能电堆上面,我们也做一些应用。电堆的这个公司目前是膜电极的批量化生产,我们有30千瓦模块的燃料电池系列产品,30千瓦、60千瓦、90千瓦这样一个电堆的产品。燃料电池系统方面,我们目前是在开发45千瓦-60千瓦这样一个燃料电池系统,这是我们三个燃料电池公司。

我们希望我们这个公司在打造燃料电池汽车前端的产业链,仿照美国特斯拉的做法,从材料一直到一个系统,这样的话,我们的价格就会有比较大的竞争力。另外,前面大家都公认的,材料、电堆、系统这中间必须得匹配,不能说只发展一个,你这个方向就可能偏掉。我们这三个方面都做,我们可以让我们的材料、电堆、系统都更有技术上的合理性,把价格降到最低,以实现燃料电池规模化、产业化。

这是今天我向各位嘉宾汇报的全部内容。谢谢大家!

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