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【电动汽车百人会】加拿大滑铁卢大学李献国:燃料电池作为汽车动力有哪些特点

2019-01-13 13:45:47 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,加拿大滑铁卢大学李献国教授发表了主题演讲,演讲内容如下:

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各位嘉宾,尊敬的欧阳院士,尊敬的衣院士,大家早上好!很高兴有机会第一次参加中国电动汽车百人会的会议,谢谢欧阳院士的邀请,谢谢衣院士的提携,我们在这个领域做了一些工作,本来想向大家汇报一下,后来发现大家技术专业讲了很多,想轻松一下,我刚才想加几张图片,不过没有时间没有加进去,所以我们轻松环节就没有了。

燃料电池作为一种技术,刚刚王海江院士介绍了它的来龙去脉,历时很多,我中间可能会加入一点。我们主要是讲汽车动力,汽车动力其实有好多种,汽车动力以外我们燃料电池汽车在这里边有什么特点、有什么技术上的问题,燃料电池作为汽车动力是怎么一回事,最后向大家汇报一下我们20多年在燃料电池方面做的一些工作。

汽车动力其实大家知道,内燃机现在是主力,电动车、动力电池汽车,中国很有意思叫新能源汽车,一会儿我会讲,其实并不讲,另外是燃料电池,还有一些别的汽车动力大家在介绍,最后大家探讨一下一些别的做法。

第一辆电动车是1834年开始做成的,看着比较简单,可是燃烧发动机至少要50多年以后,半个世纪以后才被发明,也就是说电动车打遍辩天下无敌手有半个多世纪。可是往前走的时候,走到大概1900年,其实到1930年,在美国大街上跑的电动车比内燃机的车还要多,可能慢慢被取代了。当时电池主要是镍铁电池,那个电池当时就有三大技术问题,续驶里程不够、充电时间太长、温度对它影响太大,冬天开车的时候没有动力,也就是我们现在新能源汽车所碰到的问题。如果再往前走,电动汽车第二次高潮是70年代,由于中东以色列和阿拉伯国家的战争,美国西方站在以色列一边,所以世界石油输出国包括中东国家说我不卖油了,结果西方世界没有石油储备,汽车走不动了。怎么办呢?我们能不能开发一种技术不需要油的,技术很成功,就是铅酸电池,大家知道铅酸电池的性能不够。后来战争结束,油又便宜了,电动车又不做了。

这次是由于环境问题,说是环境问题,其实还是经济问题,因为2008年奥巴马第一任政府刚上台的时候,美国汽车工业出现危机。美国通用破产了,福特只有一个月的现金流,马上要破产了,美国汽车工业没有了,政府不可能不救汽车工业,因为汽车工业太庞大了,对国计民生影响很大,所以政府要投钱。政府不能随便投,得有理由,美国投钱,美国能源部,当时能源部是诺贝尔奖获得者,他自己做锂电池的,他把钱都投到做锂电池了。当时说的很明确,如果基督要教皇封你为一个圣人,你必须有五大优点,他说锂电池具有三大优点,我就达到了,比那个还容易,所以把钱都投进去了。美国是超级大国,他一做,日本、欧洲、中国全世界都跟着做电动汽车,所以电动汽车火的不得了,中国要弯道超车,现在全世界新能源汽车销售与保有量中国是占了世界的绝大部分。

经过我们电池技术发展,变成锂电池,它存在的问题一样,续驶里程不够、充电时间太长、环境温度影响太大。其实还有一个,我们锂电池能量密度提高了,能量密度一高了,就是安全问题。因为电池把能量转换装置和反应物都装在一起,汽车开不开,它的电化学反应一直在进行,安全问题大家都有看到。不管是国内国外,北京的使馆区三里屯那边都发生过,车停在路边,突然一下烧光了,安全问题有很多原因,其中有一个原因就是热管理的问题。

内燃机车也经历过这么三个过程,1880年代发明的时候很有意思,跟我们中国有关。他发明了四冲程发动机,他干什么?他没有工程背景,他是卖中国茶来养活家庭,有时间就去玩四冲程发动机,当时大家都不看好,当他发明出来申请专利了,所有公司都不买专利,他花八年时间打官司赢回来,花了20年,那时候没有精力了,我们搞技术的很辛苦,靠技术想要挣钱可能更难,当然也有机遇的问题。

造成的结果,大家有各种各样的观点。能源技术你的能量转换不可能100%,一定有能量损失,能量损失到环境去,对环境就是一个损害。如果超过环境承载能力,就造成永久损害,所以能源技术有好必有坏。从一个角度看它的优点,从另外一个角度看,它就是缺点,看你从哪个角度看,能源技术大家永远可以争论。

刚才说到汽车技术,我讲两个例子,其中一个是从日本出来的,那个车,大家都有经验,开车的时候你把车窗打开,手伸出去,有风。我们有风力发电,日本这个发明家很牛,在车顶上装一个风机,发的电来开车不很好嘛。大家吓一跳,可是有钱的人并不一定懂技术,照样有人往里投钱,做了上千台车。在咱们国家改革开放初期有,用水变油,用水来开车。我们不讲中国,讲世界科技发达的国家,美国1992年的时候,这个哥们也是一个科学家,他能把水变成油,很有科学家的味道,开始发电厂都不开始烧煤,也不开始烧天然气,用水来做燃料。这是美国的商业周刊比较严肃的报道他的创造发明,结果花了几千万美金,八年以后,终于意识到这是一个不行的技术。

水变油到此结束吗?没有,到08年到了日本,当时刚好是在西方工业国首脑会议前一个星期,全世界媒体都在日本的时候,日本一个公司搞了一个记者招待会,他有一辆车是用水就能开车,他的董事长很得意,他喝的茶倒在他的车油箱里面,车开走了。水进来,氧出来,那边氧进来,水出去,如果把氧一连起来,循环了,水进来水出去,变成电就能开车了,多么神奇的技术,但是你知道不太可能。汽车发明创造技术很多,不限于国内,也不限于国外,也不限于科技发达,也不限于科技不发达,在于你能不能讲,能讲到有钱人给你钱,你就是好技术。几年以后,那是另外一回事了。第一、第二永动机永远做不成的,如果我们大家有点技术背景的,就不会花那个时间,因为你拿了钱也永远,永远挣不到钱,只能骗点钱。

燃料电池汽车面临的问题,大家都知道,氢作为燃料的话,它从哪里来?怎么生产?氢在宇宙当中,丰富的元素,化合物最多是水,全世界70%的表面都被海洋覆盖。水大家知道碳氢化合物燃烧生成二氧化碳与水,二氧化碳与水的能量是最低的,你要把水分解变成氢与氧,你要花更多的能量进去才能把它们分解。能源的效率和你的经济性怎么来考虑?这是一个问题。

氢作为一种物质,世界上绝大部分的国家包括咱们国家也是做危险化学品的管理,安全要求很高,不光是加氢站,汽车停车场,要求很高,成本很高。另外一个,它作为一种危险化学品,所以它的税收跟燃料税不一样,造成政府的政策必须要培育它,光是技术发展没有用。另外,刚才也有讲到,在美国克林顿当总统的时候,八年把所有可能用的技术给钱给你做,八年任期结束的时候,再回去一看,发现唯一的技术在汽车上,有可能成为一个内燃机替代的技术,就只有燃料电池,其他的全都不行。当时做的其中一个方向,在汽车上用液态的燃料,变成氢气,生成一氧化碳还有其他的一些醇的物质,对燃料电池有毒化作用,这个问题一直很难解决。后来就想用氢气,其实不一定用氢气,我们用任何东西,只要里面的能量比二氧化碳、水高的,你就可以直接电化学生成电,驱动汽车。大家有兴趣可以查一查,60年的时候美国通用汽车做过,直接汽油燃料电池,把汽油直接电化学生成电,技术做出来了,很成功。很可惜,汽油分子太大了,电化学反应太慢了,性能特别差,是不可能的。为什么用氢气?因为氢气分子最小,电化学活性最高,所以我们现在的燃料电池要做使用,都去找氢气,而不找别的。有很多别的,包括甲醇、乙醇。

燃料电池作为汽车动力,这些问题可能我们大家都知道,不讲了。性能、寿命、成本的问题,这三个是相互关联的,这三个你让我达到两个目标,可以做到,三个同时达到,现在还没有人做到,因为它是相互关联的。我用一个最好的材料,性能又好,成本又低,寿命又长,问题解决了。其实1838年、1939年,威廉.格罗夫连续发表两篇文章,他被认为是燃料电池的发明者,他在那时候就意识到,他说我们用白晶成本太高,一定要用非白晶的催化剂。180年了,全世界多少电化学科学家、材料科学家,到目前为止还没找到。

我们也要做产业化,怎么办呢?我们材料、设计、制造,我们现在讲的要做产品,必须制造出来,可是制造工程目前还没有,比如催化剂要降低,降到0.1,制造工艺过程完全不一样,设计可能差不多,但是制造工艺完全变化了。我们学校在这些工程当中都有做,我们从系统开始,系统做到电端,发现要做流道,流道做完以后,发现主要的是膜电极,膜电极的关键是开发层,电池流动、氧气流动都是不均匀的,因为有流道的问题,流道本身没有好坏。刚才王院士讲到关于气体扩散层的厚度问题,其实没有一个最佳的厚度,只要跟电堆匹配,没有最好,只有更好,如何有坏的问题。

催化剂是一个主要的问题,从材料开始到最后的性能指标,中间这个制造过程,制造出来什么结构,这个结构能保证你的性能,怎么来达到,这就是一个关键的问题。如果你把这些东西都摸透了,不管用什么方法做,做出来的燃料电池性能都差不多。再往前走一步,燃料电池我可以大幅度降低,降低70%多,我的性能跟你那个高铂的还是一样,我用的是大的燃料电池,不是小的。我能做到最大电流3安培,还没到最大值,也许到1.5就已经很高了,现在超过3了不行,现在必须要建新的实验场地做下去。“十三五”的指标我们完全可以达到,没问题,我们根据需求去做寿命实验,做到三万多个循环才开始性能往下降,这都是可能的。我们可以设计膜电极,让它在流体流动不敏感,对湿度不敏感,湿度40%的时候,我最大输出功率密度还在0.8每平方厘米,比人家100%的性能还要好,我就可以做。我们学校做很多的模拟比较,燃料电池用的时候,在汽车上开开停停,就有不同的循环。我们做两千个循环,我们的模拟可以跟它很好的结合。有很多工作都可以做,因为时间关系,我走得比较快。

最后,我希望大家如果感兴趣,这个行业必须携起手来,燃料电池在国内很火,一万年太久,只争朝夕,我们要赶紧行动。谢谢大家!

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