衣寶廉：燃料電池解決“攔路虎” 三到五年有望迎來普及

郭文佳

中國工程院院士衣寶廉在2019中國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展（泰達(dá)）國際論壇上，發(fā)表了題為“提高車用燃料電池可靠性與耐久性”的演講。他表示，燃料電池車想要實(shí)現(xiàn)大面積的應(yīng)用，其造價(jià)要達(dá)到鋰電池電動(dòng)車的水平，行駛費(fèi)用要達(dá)到燃油車的水平，預(yù)計(jì)仍需要3至5年才能實(shí)現(xiàn)。

國內(nèi)燃料電池車現(xiàn)狀

衣寶廉表示，國內(nèi)從2001年成立電動(dòng)汽車國家專項(xiàng)就開始做燃料電池研究，距今已有20年了。在上海世博會(huì)以前，最重視的問題是燃料電池車能不能適用，技術(shù)能不能得到突破。在奧運(yùn)會(huì)示范以后，上汽做了創(chuàng)新征程，分南線和北線，它的目的是考察鋰電池車、燃料電池車和混合動(dòng)力車這三種電動(dòng)車對(duì)中國環(huán)境的適應(yīng)性。所有的車都在西藏進(jìn)行了預(yù)熱，衣寶廉說：“當(dāng)時(shí)我最擔(dān)心的是燃料電池車能不能在西藏跑起來?！睂?shí)驗(yàn)結(jié)果是完全可以跑起來，但因?yàn)槲鞑氐难鯘舛戎挥?0%，因此速度達(dá)不到預(yù)期。但無論如何，示范還是成功的，這三種車不管在我國的沿海還是內(nèi)地，都可以駕駛。

2018年2月11日，中國氫產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟成立。像能源集團(tuán)、“三桶油”都加入能源聯(lián)盟，基于國企的雄厚資金實(shí)力，氫產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟已成為發(fā)展氫能和燃料電池的中流砥柱。

國內(nèi)到現(xiàn)在有23個(gè)省市相繼發(fā)布了氫能和燃料電池的發(fā)展計(jì)劃。衣寶廉認(rèn)為，燃料電池有三個(gè)示范較好的地區(qū)，依次是發(fā)展基礎(chǔ)最好的以上海為中心的長三角地區(qū)，那邊既有三大平臺(tái)，還有近千輛示范車輛;其次是以廣東省為核心的珠三角地區(qū);另外是以清華、億華通支撐起來的北方地區(qū)，以及以冬奧會(huì)為突破口的張家口地區(qū)。所以燃料電池三個(gè)示范比較好的地方，長三角、珠三角和張家口地區(qū)。

據(jù)衣寶廉介紹，目前我國持續(xù)加大燃料電池的推廣，2018年燃料電池汽車的累計(jì)銷量達(dá)1527輛，同比增長20%。燃料電池發(fā)電的原理是電化學(xué)，因此效率比較高，相對(duì)來講燃料電池是比較安全的，能量和轉(zhuǎn)化發(fā)電是分開的。

目前，國內(nèi)燃料電池在壽命、可靠性、使用性上基本達(dá)到了車輛使用要求，中國已初步掌握了相關(guān)核心技術(shù)，基本建立了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)平臺(tái)。

加強(qiáng)協(xié)同創(chuàng)新

推進(jìn)產(chǎn)業(yè)全面發(fā)展

衣寶廉表示，未來要加強(qiáng)協(xié)同創(chuàng)新，加快推進(jìn)氫能燃料電池產(chǎn)業(yè)的全面發(fā)展。

第一，積累示范經(jīng)驗(yàn)，具備大規(guī)模示范，并能考核經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)。

第二，盡快實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵材料、電催化劑、質(zhì)子交換膜、雙極板等批量生產(chǎn)，為降低電堆成本、提高電堆一致性奠定基礎(chǔ)。

第三，提高電堆的比功率，降低電堆成本和鉑用量。

第四，進(jìn)一步提高電堆的可靠性和耐久性。提供燃料電池制造所需的適宜環(huán)境，確保燃料電池壽命。

另外，衣寶廉針對(duì)我國燃料電池的發(fā)展問題建議，盡快完善燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的產(chǎn)業(yè)鏈，提高電堆的工作電流密度，提高燃料電池的體積和重量比功率，為乘用車奠定基礎(chǔ)。另外，深入研發(fā)電堆衰減機(jī)理，開發(fā)抗腐蝕新材料、大幅度提高發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性與耐久性，并表示希望我國在2023-2025年把燃料電池車的成本降到跟鋰離子電池車比較近的水平。

解決四大問題

提高電堆可靠性和耐久性

首先是工況問題。目前，我國燃料電池堆和系統(tǒng)可靠性與耐久性等與國際先進(jìn)水平仍存在差距，在全工況下的可靠性與耐久性有待提高。因此，需加強(qiáng)燃料電池系統(tǒng)整體的過程機(jī)理及控制策略研究。

那么解決的措施，首先做到電電混合，司機(jī)把油門踩下去，這個(gè)電大概毫秒級(jí)到微秒級(jí)就變化了，可是燃料電池把電發(fā)出來，空氣氧氣要送進(jìn)去，這個(gè)時(shí)間是秒級(jí)的，所以燃料電池就跟不上，它就欠氣，要反極和腐蝕。采用了電電混合以后，駕駛性能達(dá)到燃油車的要求，踩下以后鋰離子電池先給驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電，燃料電池增加氣體，同時(shí)增加功率輸出，燃料電池輸出功率增加，鋰離子電池輸出功率下降，最后都是燃料電池，鋰離子電池電量少的時(shí)候給鋰離子充電，所以電電混合是必須的，現(xiàn)已被全世界采用。第二是電池使燃料電池運(yùn)用更平穩(wěn)、壽命更長。像豐田為了安全放棄鋰電池，也有用超電容的，這解決了快速加載的問題。

其次是開路、怠速、低載所產(chǎn)生的高電壓會(huì)減少電池壽命。電壓在0.85伏以上，碳粉的氧化速度也加快，這都會(huì)產(chǎn)生鉑的流失，鉑的流失以后用鉑越來越少，所以壽命就會(huì)縮短，要控制燃料電池的電壓在0.85伏以下，就要限制這些高電位，特別是啟動(dòng)停車。啟動(dòng)停車會(huì)造成鉑大量的流失。啟動(dòng)停車最有效的辦法是采用放電，把高電位消除。高電位不消除，啟動(dòng)停車一次每節(jié)電池系統(tǒng)衰減0.35豪伏。消除以后基本上就平穩(wěn)了，像豐田的電堆，一個(gè)電堆370節(jié)，一次啟停就要下降十幾豪伏。

再者是低溫問題。水結(jié)冰體積會(huì)增加，所以一定要解決低溫儲(chǔ)存和啟動(dòng)問題。電池里邊有三種水，一個(gè)跟磺酸結(jié)合的束縛水，一個(gè)是自由活動(dòng)的自由水，還有是介于之間的半束縛水。半束縛水束縛力越強(qiáng)結(jié)冰溫度越低，所以在低溫下要將燃料電池內(nèi)自由水全部吹光，這樣的話結(jié)冰以后才不會(huì)破壞膜和電極的結(jié)構(gòu)，啟動(dòng)的時(shí)候可以用二次電池輔助加熱電堆，在制定一定提升電流程序等，就可以啟動(dòng)起來了。

最后是陽極水管理問題。燃料電池的水是在氧電極生成的，所以要要保證陽極處于氫循環(huán)狀態(tài)，這樣陽極水滴就不存在了，做到這點(diǎn)，燃料電池的壽命便可延長至2000小時(shí)。

（本文根據(jù)衣寶廉在2019中國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展（泰達(dá)）國際論壇上演講速記整理，未經(jīng)本人審閱。）