中國科學院衣寶廉：提高車用燃料電池可靠性和耐久性

經國務院批准，世界新能源汽車大會（WNEVC）於2019年7月1-3日在海南博鰲隆重召開。大會著眼於全球汽車產業的轉型升級和生態環境的持續改善，通過聚集全球專家智慧和產業精英，共同交流探討新能源汽車在技術創新、產業創新、政策創新、市場模式創新等領域的成功經驗與發展趨勢，凝聚產業共識，明晰汽車產業轉型升級的方向，探索電動化、智能化、共享化協同發展的有效路徑。在「氫能及燃料電池技術創新」的主題峰會上，中國科學院大連化學物理研究所研究員、中國工程院院士衣寶廉院士發表了演講，內容如下：

各位嘉賓，各位同行，上午好，我今天報告的題目是《提高車用燃料電池的可靠性和耐久性》。分兩部分，第一部分介紹中國燃料電池的現狀，第二部分講可靠性和耐久性。

燃料電池與鋰電池一樣，是按電化學原理髮電的，工作方式是靠內燃機，能量儲存在氫罐當中，比較安全，電池不會爆炸也不會著火，只要電池裡面出問題把氫氣切斷就可以。用燃料電池代替內燃機，跟燃油車相比，油箱由氫瓶替代，好處就是排出的是水。適合重載和遠程車。現在國際上達到了4缸內燃機水平，有的好的達到了6缸，每立升3千瓦，壽命最長達到25000小時。Pt用量還是比較大的問題，國際上達到0.2g/kW，希望達到0.1g/kW。國內比較高，在0.3-0.4g/kW。

我們2008年北京奧運會23輛，2009年19輛到加州，2010年有一輛大巴參加新加坡的世氫會，2010年參加上海世博會示範運行。上汽為了考察電動車對環境的適應性又搞了一個創新征程，燃料電池在西藏也開，就是速度慢一點。中國成立了氫能聯盟，剛剛發布了白皮書，裡面包括了很多央企。2018年國家支出8億多支持和燃料電池有關的研究，最大的兩筆一個是新源動力拿到的，做電堆的，一個是濰柴拿到的，做發動機的。

國內有3000輛左右燃料電池汽車在示範運行，這是我們國家發表的公告數。大部分功率在30kW-60kW之間。現在國內的成本大概是1：1，就是輔助系統、電池系統和電堆大概是1：1，現在電堆也開始下降，我們過去裝車的電堆體積比溶率都是每立升2kW，現在已經提升到3kW，成本也大幅度下降，一台空壓機就是4萬塊左右。國內40多個省市先後發布氫能計劃，典型的還是上海市，上海大通FCV80已經開始公開銷售，每輛30萬。榮威950可以做到-30℃啟動，也可以銷售了。億華通是電池系統做得最好的單位。宇通是大巴車做得比較好的單位，兩家的大巴車在張家口進行試行，證明燃料電池在冬天運行非常合適，因為它的餘熱可以給車取暖。燃料電池在冬天運行是非常成功的，這是張家口的證明。國鴻可以做出30kW到100kW的電堆。大巴車在雲浮也裝了有軌電車。

通過十幾年的工作，不但有了產品也形成了隊伍。這是大連化物所做的3kw/L的電堆，額定功能75kW，峰值功率85kW。我們萬部長前天在長春的科協年會上說，我們的燃料電池在壽命、可靠性、適用性基本達到車輛使用要求，中國初步掌握了相關核心技術，基本建立了具有自主知識產權燃料電池動力系統技術平台，未來要加強協同創新，加快氫燃料電池全面發展。

我們掌握了燃料電池的核心技術，進行了大量的示範運行，累積了經驗，具備大規模示範運行的條件。

下面我講第二方面問題。第一個是工況問題，電流波動、電壓波動、溫度濕度波動、壓力波動造成電堆壽命的縮短，為了解決這一快速載入問題，我們由萬鋼部長提出搞電電混合。第二個是限制高電壓，特別是啟動停車電壓更高。高電壓會導致碳氧化之後會有流失，抑制高電壓是延長燃料電池壽命的主要問題。啟動停車形成氫空界面。我們學生做了實驗，最有效的辦法是放電，放電以後基本消除啟動循環的影響，這是新源動力做的結果，如果說不解決啟動停車的高電壓問題，那麼每個循環大概每節電池要0.37毫伏，採用了我們自己制定的程序，幾乎60次循環沒有衰減。這是燃料電池衰減的很主要問題。控制電壓低於0.8V，電池基本沒有衰減。

還有一個，因為燃料電池的水啟停問題，這也是影響燃料電池大量推廣應用的問題。有三個關鍵技術，在燃料電池有三種水，在冬天燃料電池停車要吹走自由水，再結冰就不會破壞電機結構和膜的結構。第二個是做到-20℃以上可以靠一定的載入程序自啟動，不需要外部能源。在-20℃到-40℃當中，可以通過氫泵，把氫泵到氧電機跟氧反應，也可以把氫混到氧氣反應，從20℃到-40℃還要實現啟動，還是要靠一定能耗，光靠一定程序啟動不起來。在這個過程中配上豐田車載水含量在線監控。第三個方面，電堆陽極水管理，一定要把氫氣循環起來，這樣的話防止積水，燃料電池堆壽命可以提升好幾千小時。在發展中國家空氣當中的硫比較多，特別是北方，冬天取暖的時候，氫氣當中也有一定的二氧化硫，一定要凈化掉，空氣當中硫化氫、空氣當中的二氧化硫，這對電池是一個累積性的毒化作用，中毒以後採用點位脈衝掃描辦法恢復，但是這種恢復恢復不到原先的水平，因為在脈衝點位掃描的時候也要氧化一部分，有一定催化劑要流失。我們引進一台車做實驗，原本說能做3年，結果3個月就垮了，他們後來說電池衰減和北京環境二氧化硫是一致的。二氧化氮、二氧化硫同時存在的時候，二氧化氮可以減掉二氧化硫毒化作用。可以用開路法和電壓脈衝發活化。我們現在用電化學，把二氧化硫氧化成三江併流。

還有電池安全問題，氫安全問題、電安全問題過去一直在提。我們需要建立燃料電池堆在運行時的健康指標，必然燃料電池突然停車。實際燃料電池在這方面比鋰電池簡單得多，因為燃料電池所謂將來出事情都是氫氧互毀，一般我們的操作都是氫氧高於空氣壓力，所以只要在空氣出口加一個氫氣感測器就可以了，就能表明電堆健康狀態。氫氣能度低於千分之五的時候我認為是正常的，如果高於千分之五，就是要檢修了，就要用黃燈顯示。對電堆來說，這一個指標基本可以表徵電堆的安全性方面的指標，所以燃料電池在車上的安全狀態有漏電、漏氫一系列事情，但是對於電堆的狀況，完全可以用空氣當中的氫含量表徵。研究還有一個問題正在研究解決，突然撞車，現在都是一個堆，比如豐田，一個堆都是200多伏直流，如果兩個母線碰到，特別是正極母線就有被電死的可能，怎麼樣在撞車的瞬間把燃料電池電壓降到安全電壓以內，笨的辦法帶一個氮氣瓶，最好的方法還是放電，但是放電容易損害電堆，我們還在做實驗研究，最後從標委會定一個方法，在我們國家燃料電池車上採納，儘管撞車的可能性很小，就算撞車正極母線掉到地上的機率也很小，但是我們也要搞。

最後建議是完善發動機產業鏈，建立關鍵材料的生產線和關鍵部件的空壓機。提高電堆的工作電流密度，提高電堆的體積和重量比功率。深入研發電堆衰減機理，開發抗腐蝕、穩定的新材料，大幅度提升發動機可靠性和耐久性。

謝謝大家。

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