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章俊良:燃料电池产业化已进入了商业化导入期

盖世直播 2021-06-13 09:54:35

汽车蓝皮书论坛,燃料电池

6月12日,2021年第十三届中国汽车蓝皮书论坛的第三天。下午,上海交通大学机械与动力工程学院燃料电池研究所所长、致远学院常务副院长章俊良做了题为“低铂燃料电池的技术挑战和应对策略”的主题演讲。以下是他的演讲实录:

尊敬各位嘉宾,媒体朋友们,大家下午好!

非常高兴有机会在这里做一个报告,和大家有一个交流,非常感谢我们贾可博士和钱老师的邀请,这是我第二次参加这个会议。

我今天的报告题目是“低铂燃料电池的技术挑战和应对策略”。

首先介绍一下我们研究所,上海交通大学燃料电池研究所成立于1998年,也是国内第一家在高校成立的专业燃料电池研究机构,拥有讲席教授1人、教授2人,副教授15余人,我们研究领域包括质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池、锂电池和储能电池等,研究专业范围涵盖电化学、催化剂、关键材料、电池部件、系统开发等方面。我们的研究百分之八九十是集中在质交膜燃料电池上的。

研究所里有涵盖催化剂、膜电极、电堆、系统方面的表征、测试、开发和集成的能力,像催化剂我们有无尘实验室、各种分析仪器。

对于燃料电池来说,今天在座有很多专家,其实是氢能板块里面一个中枢环节,上游制氢到中游储氢加氢,再到下游的用氢,其实是依赖于我们的燃料电池技术和产品的水平。在燃料电池里面,质子交换膜燃料电池是最活跃的,因为它具备的优势非常显著,也就是它可以适用于车用,也适用于大范围的工况变化。

对于燃料电池来说,优势主要是效率高。相比内燃机来说,它是绿色无污染的,也被认为是终极能源解决方案,它的效率在60%以上,负载响应非常快,能量密度非常高。

最近大家注意到了,燃料电池汽车充氢五分钟,可以跑一千公里以上。它的关键材料,尤其是电堆里面,质子膜、碳纸、催化剂、双极板等。

对于电堆到系统,从电堆里面来说,刚才提到了,有膜电极组件、极板、流场、端板,还有其他一些辅助部件。

这个其实是跟我们通常看到的内燃机工作方式非常相近,也是一个开放系统。跟前面大家谈到的锂电池最大的不一样,锂电池是一个封闭系统,而燃料电池是一个开放系统,这也就造成了它的很多关键问题、关键矛盾。燃料电池系统相对复杂,技术壁垒相对更高。

对于燃料电池来说,任何工程系统都是一样的,必须要把所有的里面的元素、材料、部件能够集合起来考虑,做一个工程优化,才能开发出高品质的、高技术的燃料电池电堆系统出来。

比如说你需要关注催化剂来降低它的电化学的膜化,也要对流场设计和欧姆极化都要关注,最终会反映到电堆装配、电堆性能上来,这是对于燃料电池开发角度来说,它是一个全链条、全系统的集成。

汽车蓝皮书论坛,燃料电池

对于国际上来说,目前燃料电池的寿命应该是已经达到了车用的耐久性,这是美国UTC公司发布的燃料电池用于公交车系统的,可以达到三万小时,所以燃料电池的寿命是越来越高,应该是可以满足汽车的使用要求。

但是燃料电池其实目前最大的一个问题是它的成本,从2020年到2021年,成本指的是批量生产的成本。其实跟远期的大规模产业化还是有一点差距,最终是需要达到30美元/千瓦的水平,才能够接近内燃机的水平,但是这里面降成本的路径也是非常清晰,包括关键材料、关键部件,例如催化剂、质子膜、碳纸、双极板的成本,以及极流板、冷却器这些都是需要降成本的。

这里面最大的成本下降期望值是在催化剂和膜电极,因为对于整个电堆来说,催化剂加膜电极在一起可以占到成本的70%以上,这是目前成本难以下降的最大原因。所以催化剂和膜电极成本下降是未来燃料电池最大的瓶颈问题。

为什么会这样?在未来生产很多套的时候,可能现在大家都不太认为催化剂是一个问题,甚至有人跟我说,目前催化剂占整个电堆的成本也不是很高,比如生产一千套的时候,它只是在20%到30%之间,但是如果生产量增加,比如到50万套或者100万套,催化剂单一成本到电堆里面是40%以上,加上膜电极组件,还有质子膜,还有封装,可以达到60%以上的成本,因此降低催化剂以及膜电极成本是燃料电池未来发展的一个关键的技术。

对于催化剂来说,最大的问题就是它里面有到贵金属铂,就是我们通常说的铂金,所以未来一定要采用低铂,或者超低铂催化剂,甚至是未来的非铂催化剂,它才能够达到未来的使用要求和成本的要求,这个里面,同时采用超低铂的时候,你也需要提高它的膜电极性能和寿命。

2000年的时候,是1克/千瓦时的铂金催化剂,一辆车燃料电池发动机功率假设是100千瓦,大概需要110克,到2008年是0.6-0.8克/千瓦,2020年左右降到0.2克/千瓦,未来能不能降到0.1克/千瓦,目前还不确定,也是产业界共同努力的目标。

从技术路径来看,最早在2000年左右,那个时候是纯铂颗粒,直径可以做到3-4纳米,甚至2-3纳米;2008年的时候,国际上已经开始采用铂合金技术,可以使铂的使用量下降一倍。

今天还是在沿用铂金催化剂,最高可以做到0.2克/千瓦,已经到极致了,再往下走是什么路径?这就是今天燃料电池一个发展碰到的最大的技术障碍,因为你成本不下降下来的话,它的成本很难跟内燃机,甚至今天的锂电池来比较。当前的水平是0.2-0.3克/千瓦,长期的目标应该是低于0.1克/千瓦。

这里面做了一个简单的计算。比如我们全球铂年产量大概是180吨,如果这里面20%拿出来做燃料电池催化剂,这可能对铂金市场的冲击不至于太大,因为一旦这个做起来,内燃机汽车三元催化器中的铂就可以移到燃料电池里面用了。

比如以第一代技术,铂碳催化剂,100千瓦燃料电池发动机需要50克铂,也就是说你可以生产72万辆车,如果是第二代技术,也就是今天国际上用的比较多的合金技术,假如20克/100千瓦,可以生产180万辆车。

如果用第三代技术,就是我们一直开发的这个技术,原子单层催化剂,可以做到只用5克/100千瓦,可以生产720万辆车,这个应该可以称之为批量生产了。最终能不能做到1克/100千瓦,如果能够实现,就可以生产3600万辆车。

汽车蓝皮书论坛,燃料电池

大家可能会想到,铂用量减少到底带来什么问题?这个也是从技术角度来解剖它的低成本,低铂来用于汽车,到底有什么问题?对于汽车应用来说,如果铂载量下降,问题就来了,第一个是难以满足高功率输出;另外一个是无法实现长寿命运行,还有一个是不能适应复杂运行工况。

它的原因很多,但是最主要的矛盾,首先是大电流区性能急剧恶化;其次是催化剂衰减加速;第三是零增湿/低湿条件下离子电阻大幅增加。

从我们这个团队的角度来说,我们围绕这三个问题,也进行了长时间的研发,工作也是结合上海交通大学一起来做技术研发。

针对刚才提出的三大问题,我们发明有几点解决方案:一是具有超低传质阻力的新型低铂合金膜电极;二是新型抗腐蚀铂合金催化剂及其批量化制备技术;三是憎水性梯度分布的非均质膜电极叠层制备技术。

我们也建成了国内首条车用燃料电池低铂合金膜电极生产线,2020年累计制造膜电极26万片。

从更底层的技术来说,简单说一下,为什么燃料电池采用超低铂的时候,会带来问题,最主要是两个问题,一个是电催化动力学和传质动力学都不能满足要求。

比如它的铂载量下降至0.05毫克/平方厘米的时候,电极里面传递质子的阻力达到整个催化层传质阻力的77%,而传质阻力的增加直接影响到电压下降。

直观来说,从铂载量从0.4毫克/平方厘米下降到0.05毫克/平方厘米的时候,它的传质阻力增加70%以上,这里面的解决办法就是离子的构建,以及电极里面和极板之间的适配。因此对于强化对流,提高传质阻力,降低极下传质阻力,或者提高排水能力是燃料电池走出低铂化的关键点。

我前面谈到第一代、第二代、第三代的催化剂问题,第一代是纯铂,第二代是合金颗粒,第三代是核壳结构颗粒。第三代把铂的用量可以说已经降到极致了,如果再要提高它的活性,降低它的用量的话,只能是在第三代基础上,使单个铂原子的活性继续提高,那是我刚才提出的最终的目标,就是降到1克/千瓦,如果能够实现,是可以实现燃料电池规模化应用的。

对于第一代、第二代现在已经实现产业化了,第三代现在还在开发,这是我们开发过程中的一些数据,我们第三代催化剂跟第一代比,它的质量和活性从0.13提高到1.45,提高了十倍以上,应该是可以满足燃料汽车使用的要求。

同时我们颗粒的均匀性也做得非常好,因为它要求提高活性的同时,还要提高稳定性,稳定性有一个来源就是催化剂颗粒大小是一致的,只有一致,它的整个衰减就会减弱,因为每个颗粒都长得差不多,衰减就不会出现问题。

除了刚才催化剂的活性,它的表面积怎么提高,一个是采用活性化,第二个是采用原子单层,另外一个很大的问题,也是最近发现出来的,有是在电极里面,质子传导也是一个非常大的问题,简单来说,就是电极里面的质子传导是膜里面电子传导导电率十分之一以下。

汽车蓝皮书论坛,燃料电池

对这个问题,我们也是长时间的开发,把它优化,做到可以支持低铂和超低铂的应用。我们把这个颗粒和质子膜在电极里面的导电问题结合起来,做成一个非对称的电极,在不影响它性能的同时,可以提高它的耐久性。

我们目前单批次可以做500克催化剂,制成膜电极,车用工况下已稳定运行超过8000小时,预测寿命超过1万小时。

这个项目我们完成了车用燃料电池低铂合金膜电极微观传质、电荷传递、材料衰减方面的理论突破。形成了高功率密度、长寿命运行、适应工况运行。

我们去年获得了中国机械工业联合会组织的鉴定,具有自主知识产权,研发了新型低铂膜电极,达到国际先进水平,单位燃料电池电堆功率的铂用量技术指标国际领先。

我们也获得国内外同行的一致高度评价,这是学术界的一些同行评价。

除了膜电极之外,我们研究所还有一个合作公司也在做流场设计,完全是正向开发,把里面的极管、分馏机,还有上游、中游、下游怎么实现水平衡和热平衡,来增强脊下对流,提高气体传质。从电堆角度来说,我们具备电堆的开发能力,目前开发的电堆有两款,一个是75千瓦,一个是150千瓦。

这是我们实验室的材料,单电池到短电堆到长电堆的系统测试能力和开发能力。

对于未来来说,刚才提到了,要实现小于1克/100千瓦,燃料电池就可以实现3600万辆车的生产,那绝对是大批量了,还需要做以下这些事,就是新型催化剂、新型离聚物、强化传质,抗腐蚀金属极板,这是未来需要聚焦的领域。

燃料电池产业化已经是进入了商业化的导入期,我们需要更加努力,从追赶到并跑,最终到领跑。这里面需要膜电极极板、电堆匹配化的设计,一起同步开发,才是未来燃料电池发展的方向。

非常感谢国家自然科学基金委、科技部以及上海市科委、上汽集团长期以来的经费支持,谢谢大家。

本文地址:https://auto.gasgoo.com/news/202106/13I70259150C108.shtml

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