2019年5月11日下午，上海交大燃料電池研究所所長章俊良在出席第十一屆中國汽車藍(lán)皮書論壇第二日會議時，并發(fā)表了題為“車用燃料電池技術(shù)發(fā)展的機(jī)遇與挑戰(zhàn)”的演講，他認(rèn)為燃料電池在歐美日發(fā)達(dá)國家已有成熟的產(chǎn)業(yè)鏈，而在我國還有很多短板，核心技術(shù)和原材料依賴進(jìn)口，對產(chǎn)業(yè)鏈上游重視不夠，而燃料電池大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的主要難點在于成本，并對如何降低燃料電池核心部件的成本發(fā)表了自己的看法。

各位領(lǐng)導(dǎo)，各位專家，大家下午好！我來自上海交通大學(xué)燃料電池研究所，非常感謝“2019第十一屆中國汽車藍(lán)皮書論壇”的邀請，有機(jī)會跟大家做一個匯報和交流。

我演講的題目是“車用燃料電池技術(shù)發(fā)展的機(jī)遇與挑戰(zhàn)”。

燃料電池的原理和結(jié)構(gòu)

燃料電池工作方式其實是跟內(nèi)燃機(jī)一樣的，把燃料（氫氣）輸入到燃料電池里面去，吸入空氣中的氧氣，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成水發(fā)電，一部分余熱放出來。

它的特點是，效率高、綠色、無污染，被認(rèn)為是我們汽車能源的終ji方案，直接可以將氫氣化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，效率可以占60%以上，無排放污染，排出來的是純水。

它的關(guān)鍵材料，包括膜電極、碳紙、催化劑、雙極板等。把燃料電池的原理放到電堆里面看，除了剛才提到的膜電極、催化劑、碳紙，還包括密封材料、端板、輔助結(jié)構(gòu)，形成電堆，電堆就是功能部件了。

這是在系統(tǒng)里面的組成部件，為什么說跟內(nèi)燃機(jī)工作方式是類似的，它除了有電堆之外，還會有空氣單元，就是空壓機(jī)，還有氫氣單元，就是供氫系統(tǒng)，相當(dāng)于汽車?yán)锩娴娜加拖到y(tǒng)，甚至還有氮氣單元，提供燃料電池保護(hù)，還有散熱循環(huán)水單元，我們內(nèi)燃機(jī)里面也有散熱系統(tǒng)，還有控制單元，當(dāng)然這些都是以電堆為中心來組織它的運行機(jī)理。

系統(tǒng)放到車?yán)锩嫒?，還要有電池來協(xié)助，共同來推動汽車的運動，包括DC/DC的控制，終是到電動機(jī)上，驅(qū)動輪轂電機(jī)。

目前，燃料電池已經(jīng)作為汽車動力，已經(jīng)應(yīng)用到乘用車和商用車?yán)锩媪?。簡而言之，燃料電池用氫氣、氧氣，工作方式跟?nèi)燃機(jī)非常相近，只要有燃料供應(yīng)就可以發(fā)電。

燃料電池的趨勢和背景

下面介紹一下燃料電池的發(fā)展趨勢和國內(nèi)外的背景。從背景來講，化學(xué)能源是一次能源，它在枯竭的時候，必須要有可再生能源來替代，燃料電池是比較理想的替代品。

2040年，主要產(chǎn)油國都只能保證本國消耗，2080年，*的石油可能就用光了，到時候用什么動力，是值得我們思考的。

迫于環(huán)境壓力，不管是美國、歐洲、中國，排放法規(guī)都是越來越嚴(yán)苛的，只有新能源技術(shù)才能從根本上解決這些排放問題，這已經(jīng)取得了能源動力界的共識。

到2050年，二氧化碳排放水平要降到2005年的一半水平，我們國家對此也做過承諾，要達(dá)到這個目標(biāo)，燃料電池汽車和純電汽車必將是未來汽車動力的主流。

2017年，工信部辛國斌副部長就提到了禁售燃油車，當(dāng)時因為各個國家紛紛提出來了燃油車慢慢要禁售，甚至印度也說要禁售燃油車，當(dāng)時辛部長也說我們中國也要開始研究制定傳統(tǒng)燃油車停產(chǎn)停售的時間表，節(jié)能減排已經(jīng)成為國內(nèi)外的一個大的趨勢。 

從車廠來看，歐洲的、日本的、美國的主流汽車廠，都已經(jīng)開始紛紛講，要陸續(xù)停產(chǎn)燃油車，據(jù)我所知，至少很多車廠新燃油車的研發(fā)都已經(jīng)停掉了，研發(fā)都集中在電動車和燃料電池汽車上，當(dāng)然燃油車還在生產(chǎn)。

新能源汽車，作為我們國家戰(zhàn)略，其實不僅僅是解決燃油能源和環(huán)境的問題，其實關(guān)乎中國在這一輪的能源動力革命上是不是能占領(lǐng)制高點，對于我們國家的長期經(jīng)濟(jì)會有深遠(yuǎn)的影響。

如果大家了解一下能源動力的歷史，可能會發(fā)現(xiàn)，其實每一代能源革命的成果至少管一百年以上。從代蒸汽輪機(jī)到發(fā)展到內(nèi)燃機(jī)，其實現(xiàn)在能源動力還是內(nèi)燃機(jī)為主的，都是有一百多年的歷史。

現(xiàn)在我們機(jī)會來了，我們錯過了代，也錯過了第二代，現(xiàn)在的電動化時代，中國是不是走到*zui前面去，可能我們在座的都要貢獻(xiàn)自己的力量。

這幾年，大家談了很多鋰離子電池的電動化，燃料電池跟鋰離子電池有什么區(qū)別呢？其實在發(fā)電上，它們都是用電化學(xué)能源來發(fā)電，就是說把化學(xué)能轉(zhuǎn)為電能，或者把電能轉(zhuǎn)為化學(xué)能，來回互換。

對于燃料來講，儲存在儲氫罐里，加注非?？欤黾永锍滩粫黾影l(fā)動機(jī)的體積，動力電池可能是恰恰相反，它能量全部儲存在電池里面，會產(chǎn)生一系列不一樣的地方。

對于新能源汽車，到底是選擇燃料電池汽車還是鋰電池汽車，業(yè)界基本上也有一個共識，就是一定里程范圍內(nèi)，可能鋰電池更有優(yōu)勢，超過一定里程應(yīng)該是燃料電池的天下，為什么？這是因為這兩種方案的成本、材料特征、科學(xué)原理都有各自的瓶頸。

當(dāng)然，具體說跑多少公里就是燃料電池占優(yōu)，要根據(jù)技術(shù)發(fā)展水平，根據(jù)各個國家的政策而定，以前是有一個130公里的分割線，當(dāng)時是通用汽車論證的。

我曾經(jīng)在通用汽車工作很多年，通用汽車認(rèn)為行駛里程在130公里以下，可能是鋰電池的天下，但是130公里到200公里左右可能是共存的，大于200公里就是燃料電池占優(yōu)勢的區(qū)間。

里程達(dá)到130公里的時候，其實兩個方案的設(shè)備體積是差不多的，里程再加長，鋰電池的成本是呈指數(shù)增加，而燃料電池只是增加儲氫罐的數(shù)量和體積，所以價格增長是非常平緩的。

從加氫站和充電樁角度來看，如果要大規(guī)模布置加氫站和充電樁，尤其所謂的快充充電樁，其實長遠(yuǎn)角度來講加氫站會比充電樁還便宜。

如果大規(guī)模布置，還要在10分鐘、20分鐘之內(nèi)充完電，充電樁不是簡單的事，加氫站也要非常大的投入才能做到，但是至少是可比的。

加氫站我們國內(nèi)也有了，*都已經(jīng)有了，當(dāng)然受限于法規(guī)和各種條件，國內(nèi)發(fā)展比較緩慢，但是從 “兩會”《政府工作報告》里可以發(fā)現(xiàn)， “十四五”中可能要大力推廣加氫站的建設(shè)。

就成本而言，其實在過去十年燃料電池的成本已經(jīng)下降了一半多，這是為什么目前大家都已經(jīng)看到，燃料電池汽車可能馬上要起來的樣子。

其實燃料電池的成本再下降38%，就接近了目標(biāo)成本，可以跟內(nèi)燃機(jī)的成本相當(dāng)，當(dāng)然是指批量化的，不是指小規(guī)模的1000輛、1萬輛，而是指50萬輛以上的價格。

相關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測來看，大概2030年左右，燃料電池價格可以達(dá)到內(nèi)燃機(jī)的水平，基本上可以接上燃油車停產(chǎn)的時間表。

下面簡單講一下燃料電池的研發(fā)動態(tài)，不管是日本的車廠（如豐田、本田），還是美國通用、德國車廠，都已經(jīng)生產(chǎn)出自己的燃料電池汽車，它的動力性和各方面的表現(xiàn)，都跟我們?nèi)加蛙囅喈?dāng)，可以看得出來，它實用化的技術(shù)問題基本上解決了。

關(guān)于它的壽命，據(jù)聯(lián)合技術(shù)公司（UTC）2018年公布的商用車燃料電池壽命已經(jīng)達(dá)到18000小時，現(xiàn)在xian進(jìn)的技術(shù)，壽命已經(jīng)超過27000小時了，對于乘用車，大部分公司的燃料電池汽車壽命都在5000小時以上了。

據(jù)我去年知道的數(shù)據(jù)，豐田的燃料電池車跑了3000小時，車?yán)镞叺娜剂想姵匾稽c變化都沒有，非常健康，一點衰減都沒有，所以壽命是燃料電池的長處。

成本是燃料電池大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的主要瓶頸

燃料電池的成本，主要的瓶頸是其中的貴金屬用量，我們大家都知道燃料電池里面用貴金屬鉑，目前大概是0.3克/千瓦到0.2克/千瓦，從原來的1克/千瓦，到現(xiàn)在的0.3克/千瓦，過去15年左右，鉑載量已經(jīng)下降了70%到80%了，如果能下降到0.1克/千瓦，就可以全面普及燃料電池汽車的應(yīng)用。

對于上的燃料電池產(chǎn)業(yè)生態(tài)，不管是日本也好、美國也好，還有歐洲，它們其實都已經(jīng)有非常成熟的產(chǎn)業(yè)鏈，包括從原材料、催化劑到極板、膜電極，還有碳紙、電堆以及系統(tǒng)，非常完善的產(chǎn)業(yè)鏈都已經(jīng)出來了。 

我們中國，產(chǎn)業(yè)鏈后面會好一些，但前面其實是殘缺不全的。國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀，可以看一下我們國內(nèi)現(xiàn)在是什么情況，大家都知道國外主流燃料電池是5000小時，UTC的燃料電池現(xiàn)在是27000小時了，國內(nèi)現(xiàn)在大概是3000小時左右，當(dāng)然還在提高。

5000小時是一個大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的門檻，按5000小時測算，燃料電池可以在車上用10年。還有就是我們的成本，現(xiàn)在我國燃料電池的主要原材料還是依賴于進(jìn)口，成本上不占優(yōu)勢，這也是一個基本的結(jié)論。

還有就是我們現(xiàn)在的投資，過多地集中于技術(shù)集成，對產(chǎn)業(yè)鏈上游關(guān)注不夠，尤其是低水平的重復(fù)投資比較多，我希望引起業(yè)界和媒體界的關(guān)注。

燃料電池終要走向產(chǎn)業(yè)化，上游的東西不解決好，它是沒法大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的，無非就是拿一些國家補(bǔ)貼，所以說這個對我們國內(nèi)來講，尤其值得大家警惕。

我們國家 “十三五”期間就已經(jīng)發(fā)布了燃料電池發(fā)展路線圖，當(dāng)時“三縱三橫”里面包含燃料電池，燃料電池從技術(shù)路線、發(fā)展重點都已經(jīng)有了非常成熟的路線圖，現(xiàn)在一步一步地展開實施。

從我所在上海市的角度來講，也是有遠(yuǎn)期的、中期的、近期的規(guī)劃，包括創(chuàng)建產(chǎn)業(yè)園區(qū)、重大專項、產(chǎn)業(yè)基金都非常活躍，因為上海是燃料電池這塊人才、技術(shù)比較集中的地方。

另外，我們?nèi)剂想姵亟绲娜耸恳聦毩菏空J(rèn)為，要大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化有四個基本條件，是壽命要大于5000小時；第二是成本售價，如果不計補(bǔ)貼，可以跟鋰電池車或者是燃油車接近；第三是基礎(chǔ)設(shè)施，要有廉價的氫氣供給；第四，如果加上補(bǔ)貼，整個產(chǎn)業(yè)鏈需要盈利，這樣才能做得下去。

當(dāng)前國內(nèi)車用燃料電池尚未達(dá)到大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的程度，但是可以產(chǎn)業(yè)化，只是不能做幾百萬輛，那是不現(xiàn)實的。

對于車用燃料電池大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，我有一些自己的想法，不一定成熟，我認(rèn)為需要政府加強(qiáng)對燃料電池技術(shù)的投入、引導(dǎo)和規(guī)范，對研發(fā)應(yīng)該加大經(jīng)費投入，降低燃料電池成本，提高它的壽命。

比如我們的燃料電池壽命現(xiàn)在3000小時，上是5000小時，做一個示范應(yīng)用工程是可以的，要大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化還是有點問題的。

我國在基礎(chǔ)設(shè)施上要加大加氫站的建設(shè)力度，政策要給予各類優(yōu)惠和刺激，引導(dǎo)規(guī)范要對各個環(huán)節(jié)的產(chǎn)業(yè)鏈都需要布局，而不只是集中于后端。尤其是幾個非常關(guān)鍵的問題，對于核心技術(shù)，一個就是低鉑載量、非貴金屬催化劑的研發(fā)，還有跟它匹配的膜電極的研發(fā)，長壽命極板涂層技術(shù)，衰減機(jī)理，還有低功耗空壓機(jī)，它的要求非常高，一分鐘要達(dá)到15萬轉(zhuǎn)。

現(xiàn)在我們國內(nèi)也在成立各種專業(yè)化的公司，構(gòu)建成熟的產(chǎn)業(yè)鏈，夯實產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，這也是我們可以看到的一些進(jìn)步。

如何解決低成本燃料電池的困境

低成本燃料電池的困境，不管是國內(nèi)還是都面臨這樣一個問題，其實就是成本。目前燃料電池的性能包括低溫啟動、壽命都已經(jīng)達(dá)到了產(chǎn)業(yè)化的要求，至少是成熟的水平。而成本，至少還比門檻高1倍，我們現(xiàn)在催化劑的成本是不足以支撐大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的。

那么，是不是就沒有出路呢？這是它的一個路線圖，這是我自己總結(jié)出來的，從2000年到2015年，從1.1克/千瓦到現(xiàn)在的0.2克/千瓦，降低了80%左右。

如果按照這個路線圖下去，可能2020-2025年之間能達(dá)到全面產(chǎn)業(yè)化的水平。這是根據(jù)什么來預(yù)測的呢？根據(jù)路線圖來預(yù)測，2000年到2008年的時候，用的其實是代鉑碳催化劑，2015年第二代鉑合金催化劑基本上已經(jīng)成熟了，現(xiàn)在已經(jīng)做到j(luò)i致了。那么第三代催化劑是什么？如果第三代催化劑沒有，第三代膜電極沒有，燃料電池是走不下去的。

這里面技術(shù)細(xì)節(jié)我稍微講一下，利用超低鉑催化劑作為膜電極材料的時候會出現(xiàn)膜電極里面的傳質(zhì)問題，對此研發(fā)的結(jié)論，我們作為論文發(fā)表了，有興趣的可以找文獻(xiàn)看一看。

當(dāng)鉑載量下降到0.05克/千瓦，陰陽極加起來下降到0.1克/千瓦的時候，電極里面?zhèn)鬟f質(zhì)子的阻力達(dá)到整個傳質(zhì)阻力的77%，這種阻力在以前高鉑情況下是可以忽略不計的，但是如果這77%的阻力不解決，那么鉑載量就下降不了。我們研究這里面的機(jī)理，發(fā)現(xiàn)這既是一個經(jīng)濟(jì)問題，也是一個技術(shù)問題，終它是一個科學(xué)問題。

這個問題到底怎么解決？我們做了大量的研發(fā)工作，現(xiàn)在我簡單講一些它的概念和結(jié)論，鉑裁量下降后，鉑實際上是不夠用的。

我們現(xiàn)在用的都是鉑顆粒來做催化劑，只有表面的鉑原子會參與催化反應(yīng)，如果把鉑原子全部鋪到其他金屬的表面，做成雞蛋殼的樣子，雞蛋殼的厚度是一個原子的厚度，那么所有的鉑就都用上了，這樣的話鉑的用量就足夠了。

這種設(shè)計可以讓鉑載量下降到原來的1/4-1/5，還可以減弱傳質(zhì)阻力。這是我們研究的結(jié)果，具體的結(jié)論不講了。

我們做出來的催化劑和膜電極也得到一些應(yīng)用，目前從我們課題組出去的博士后開了公司，叫唐鋒能源，做膜電極的，目前代、第二代膜電極都已經(jīng)成熟，投入批量生產(chǎn)了，在向主機(jī)廠批量供應(yīng)，第三代是在試制批量過程中。我們的30千瓦電堆也做好了，下一步做60千瓦到100千瓦的電堆?？傮w來講，燃料電池的技術(shù)水平進(jìn)步還是比較快的。

總結(jié)一下，我們國內(nèi)外燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)正在逐步成熟，與發(fā)達(dá)國家相比，我們國家的燃料電池核心材料、部件水平、整體壽命還有一定的差距，低成本燃料電池發(fā)展主要受制于低鉑、超低鉑的催化劑和膜電極，就是第二代、第三代的催化劑、膜電極，基礎(chǔ)問題和科學(xué)問題都需要解決。

第二代膜電極，也就是國外用的主流膜電極，我們國內(nèi)主要的車廠可能只有上汽在用，用的就是我們研發(fā)生產(chǎn)的，其他的車廠還沒有用第二代膜電極的，這是我們國家的短板。

第二代膜電極是走不到終點的，一定要第三代出來。第三代是關(guān)鍵，我們上海交大燃料電池研究所對膜電極的研究走在*的前面，也有可能第三代從我們研究所直接出來了，那個時候確實可以引導(dǎo)燃料電池全面產(chǎn)業(yè)化。

感謝科技部和基金委、上海市科委、上汽集團(tuán)的經(jīng)費支持，還有我們團(tuán)隊的老師、博士后，尤其感謝我們“中國汽車藍(lán)皮書論壇”的主辦方。