【汽车与环境】国家“千人计划”特聘专家章俊良:燃料电池技术现状及上交大燃料电池研究进展

盖世汽车综合 2017-12-09

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上海交通大学“致远”讲席教授,燃料电池研究所所长,国家“千人计划”特聘专家 章俊良

非常高兴能有机会和各位做交流和汇报。我聚一下焦,在背景这一块可以跟大家谈一下燃料电池产业技术方面的现状以及交通大学燃料电池研究所在研究方面的进展。我是上海交大的机械动力学燃料电池研究所的章俊良。

首先给大家介绍一下国内外车用燃料电池研究的进展,第二个就是研究所做的工作。大部分都是汽车专家,也有很多燃料的专家。燃料电池在车用领域确实有很多的优点,它的能量密度高,效率高,零排放,低温启动。

燃料电池跟锂电池相比较,到底有什么特点或者优点。在车用这一块,在里程数和载重量来看,一般是短途交通以及轻载量的可以用锂电池,它还是有它的优点的。随着里程数的变长,载重量的变大,逐渐过渡到插电式的混合动力。另外从成本这块来讲,也有它的特点。在某一个点一百公里以下,锂电池的价格会比燃料电池要低,超过某一个里程数,燃料电池车的成本会有优势,这基本上是一个公认。燃料电池现在无论哪方面都有很大的提高,总体上来讲,技术进步基本上已经达到了产业化的门槛,工业密度、寿命、成本还没有完全达到,其他已经突破了要求。

我们看看国际上是一个什么样的情况,我简单介绍一下。国际上各大汽车公司燃料电池性能已经达到了传统汽油车水平,并且上市销售。它的车速、里程数、燃料电池密度都已经达到了目前的汽车使用水平和汽车的使用习惯,已经可以上市销售,已经有好几个公司在卖了。我们可以看得出来,这是一些图片(PPT)。功率密度已经达到三千瓦每升,通用的也好、丰田的也好都做了。寿命可能是两大类,一类是大巴车或者公交车,寿命已经超过一万八千小时,乘用车已经超过五千小时,一般内部消息是超过两万五千小时,寿命已经达到目前汽油车柴油车的水平。目前的成本预测,应该是在0.2-0.35之间,按照50万去算,成本应该在一千瓦50美元,目标是降到30美元每千瓦。这里面最大的一个问题还是真正量产的时候涉及到一个铂载量的问题,过去15年,已经下降了70%左右,从原来的1克每千瓦下到0.1克每千瓦,这样最终可以实现全面的产业化水平。在日本、美国、加拿大已经形成了比较成熟的汽车燃料电池产业链。我们国内也在慢慢跟上,以上汽为龙头来拉动整个产业的发展。

接下来谈到各个领域一些典型的企业在活跃。从催化剂来讲,这有英国的还有德国的还有日本的,都是非常著名的催化剂公司。碳纸集中在美国、德国,质子膜也是,膜电机也是,极板也是,这些公司都已经很成熟了,电堆目前是自己供应自己。典型的汽车公司像丰田还有巴拉德,它们的一个特点在于基本上在自己国内完全可以有一个完整的供应链供应所有需要的材料和部件,来生产性能优越的燃料电池。日本已经完成了整个产业链的布局,已经实现了100%的自主成长。

对于国内来讲,产业链布局这一块还在继续进步,还有可提高的空间。像汽车公司,已经进入了工信部新能源车推荐目录,它的性能也有已经有了,像北汽还有郑州宇通,主要集中在卡车或者中型以上的大巴车,电堆都在30-33KW,限于我们的水平,也和国家的政策相关。国内的燃料电池电堆的性能,大化所出来的是3KW每升,2.0KW每千克。光从性能来说,也能达到类似的水平。差距比较大的应该是这两块,一个是国内外燃料电池寿命差距比较大,UTC是大于18000小时,美国、加拿大汽车都是轿车已经超过五千小时,国内来讲,应该是三千小时到四千小时之间。国内燃料电池电堆的成本不占优势,主要的原材料还是依赖于进口,要进口的话要有规模化的生产,价格比较贵。对产业链的上游关注度还不是太够,尤其是低水平的重复投资比较多。我想根据我的了解,很多投资公司至少是做电堆以上的,电堆以下主要是集成。这个对未来我们燃料电池汽车的发展来讲不是太有利。

我国车用燃料电池产业化前景可期,这也是我自己的理解。工信部部长也提到我们国家也在开始研究制定燃油汽车停产停售的时间表。国际上法国、德国、印度、挪威、荷兰、英国都有自己的时间表。应该还没有到法制化的阶段,至少是大家都有这么一个共识,在2025-2040之间可能会停售燃油车,根据燃油汽车发展的技术水平来看。燃油电池车有它的优势,续航里程长,动力性能高,燃料加重时间短,安全性非常高。从我国车用燃料电池前景来看,从国家到地方政府都给予了极大的关注和支持。习近平主席也提到了汽车从大国到强国,新能源汽车发展是必然之路。地方政府已经发布了各自的规划,财政补贴也是。企业主要是上汽这边为代表,还有其他的汽车公司:长安、长城、一汽都在行动。国家层面的《燃料电池汽车发展路线图》不细讲,都非常清晰了。上海市今年9月20日也法发表了上海市从近期到远期的目标,建设燃料电池汽车路线图方面提出了上海市的规划。我们国家的燃料电池院士衣宝廉也提到,寿命一定要超过五千小时,售价要在没有补贴的时候跟锂电池或者燃油车相接近,基础设施要有充分的加氢供给,没有政府补贴的时候,企业和运营单位应该能做到盈利或者不亏本,这样就能达到持续健康的发展要求。

政府这一块,我认为要对燃料电池技术投入和引导规范做一些投入。基础设施也是,国内燃料电池发展很快,投资也很多,但是在加氢站方面跟国外比还是有很多的差距,政策也是给予各种优惠,尽量要避免低水平的重复投资和建设。还要集中精力把各个产业链的每个环节都做好,尤其是在学术界要加强原始创新,解决燃料电池大规模产业化的技术瓶颈,要进一步研究超低铂载量膜电极技术,还有长寿的电极板涂层技术。另外学术界、产业界要联合推动成立一些专业化的公司,要有成熟的产业链和产业基础,打破关键的原材料物件仍然依赖进口的限制。

在成本这一块,主要是燃料电池汽车最大的瓶颈。在其他的方面,性能方面都已经达到了产业化的要求,成本要继续下降。成本其实是催化剂的成本占到电堆成本的45%以上,这是不可接受的。成本在催化剂这个角度来讲,过去15年已经降低70%。从2000年开始到现在,已经做到了0.35克这个水平。再往下走,突破0.2克就是一个产业化的门槛,到0.1克就可以跟燃油车来竞争了。过去两代催化剂实现了两个飞跃,如果突破到0.1克的技术时,到底是什么,还没有定案。总体来讲,如果按这个趋势来讲能达到产业化井喷的时候,应该以后会实现。

电压的损失主要两部分组成,一部分是动力学,另外一块就是转子传热。这个图讲的是对于一般的传统高载量电池来说,当降低到超低的时候,0.1或者0.05的时候,它的损失远超于我们可接受的范围,但是你要是超过200-400mV的时候,已经不能跟汽油车相比了。你要到0.2V的时候已经低于汽油车的效率了,没法用了。催化剂用到0.1或者0.05的时候没法做这里面什么原因呢?有两个方面:一个是本身的动力学,还有一个就是电机里面的转子供应学,如图(PPT),电流的大小跟氧气用量成正比,你的铂载量下降,整个产生水的量肯定是要增加的,导致了局部的问题。在传统的电机里面,它的损失对压力的损失是忽略不计的。当你到0.1以下的时候,到底占多少,目前是一个研究热点。在燃料电池技术这一块,也是我们研究的主要方向,我们发现这一块的损失已经占到了不可忽略的程度。我们产出极限电流方面对转子里面的阻力以及电压损失做了一个研究,当铂载量下降到0.05mg每平方厘米的时候,电机里面的转子阻力损失已经占到整个损失的77%。这也就是为什么我们现在铂载量下降到0.1以下,性能高不上去,因为这一块阻力已经增加了很多。

对催化剂来讲,另外一个问题是什么呢?虽然我们做的铂唯一不一样就是在碳上面的分布不一样,氧还原动力学或者氧还原的电流是一样的。从这张图上看到这三种催化剂是开发出来的。虽然在小电流的时候可以表现为一样的性能,但是到大电流的时候就会有很大的差别。在催化剂这块角度来看,不仅仅会影响小电流的氧还原动力学,同时也影响大电流的传承动力学。我们汽车加速的时候,最大功率就是在这一块区间,这就是催化剂,现在有很多好的催化剂,但是在电机上没办法用。

另外一块对于局部转子来讲,到底对能量有多大的影响呢?尤其是在不同的操作条件下,改变压力改变温度改变湿度以及氧气饱有浓度的时候,在这一块做了详细的研究。主要是发现氧气在透过催化剂表面有一个离子数值,透过这一层的时候,铂载量不能大,这样透过表面不成问题,当表面积可以小的时候,吸附成为一个问题,假定氧气的浓度跟表面吸附的氧含量或者覆盖度成正比的时候,这个现象是看不到的,问题在于还有很多吸附的规律都表现为它的氧气浓度跟吸附的覆盖率不是成正比的。四到五个纳米的时候,里面的传输非常快,表面吸附已经成问题了。这里面对湿度也会有影响,随着湿度的增加,压力也会对它有影响,对我们未来电机的设计开发具有理论上的指导意义。还有温度增加,它的阻力也会减小,温度提高,所有的过程就加速,转子也是一样也会加速。我们知道了这些转子的细节时,才可以来做整个模拟,不然模拟就没有源头,催化动力学也没有搞清楚就没有办法搞模拟,这样就可以对燃料设计做优化。

现在用的都是二维流道,那么它到底对排水有多大影响。其实是两部分,一部分是在中电流密度,0.5-1mA的时候,这时候排水主要靠下面。当电流密度很大,主要是进出口的压差,我们也可以进行一个模拟测算,还有对流道的优化,进出口的压力压差,我们知道氧气在流道过程中是边流动边消耗的。在出口的时候,氧气的分压已经不如进口的时候那么大了。一般是1.5-2.5之间。当你把它平行流道或者长方体流道变成梯形流道的时候,就有比较大的帮助,尤其是在大电流的时候,都会有帮助。

总体来讲,氧气转子阻力增加,铂载量下降,尤其到超低膜的时候,影响到性能,还有温度湿度都会它有影响。另外对单电池的非常详细的模拟计算可以知道操作条件以及电机的结构应该怎么样来改善和优化。当铂载量下降的时候,转子阻力会增加,我们有没有办法让铂载量下降的同时降低我的表面积呢?这里面涉及到Pt除以PdNi的概念。原子单程是什么意思呢?所有Pd都不是一个颗粒,我们做了一个尝试,这样的话,所有的Pd原子都沉积在表面,原则上来讲,是100%可以利用。

我看催化剂用的是三个纳米的催化剂,什么概念呢?三个纳米我们可用的铂表面积上面的原子只是整个颗粒原子的总数的三分之一到四分之一,严格讲是四分之一左右。75%的原子是浪费的,你把它全部铺到表面,同时可以利用金属的特点,可以调节表面的活性。这样做到既提高活性又有稳定性,铂载率又下降。这是我们做出来的EDS。中间是Ni,这是Pt,这样可以进行一个性能的表征。如果这种催化剂可以做到对Pt的活性的提高最高10倍的话,对于我们现在降到0.05应该是没有太大的压力,因为稳定性也是非常好。我们做了一些其他的尝试,发现不同截面确实会有不同的活性,还形成了非常有趣的现象。中间是Pt,发现了中间有这么一层Ni,对提高它的稳定性和活性有非常大的帮助。Pt和Ni确实能做比较好的分布,我们认为是由一合成的时候,还原动力学和里面的溶剂,Pt和Ni之间的转子动力学相结合造成了这样一个结构。这个是颗粒(PPT),最高可以达到四倍。可以继续降低载量,做成电机。这是稳定性的扫描,我们发现做了一万五千圈。

总体来讲,要提高它的活性和表面积。我也介绍一下我们实验室和最近几年一直和上汽合作。我们得到了比较大的提高,尤其是核心催化剂,已经可以实现批量化地生产。我们现在也在做一种批量化的生产。这是我们学校的研究条件,从无尘制备室到旋转圆盘测试系统,已经具备了相关的材料、部件到集成的组装和测试能力。我们也完成了相应的一些项目,包括863的,去年结题的,还有十三五重点研发计划,主要是低铂膜电极研究,还有上海市科委给我们很大的支持,配合上汽在下一代的电堆开发做了一些工作,我们也得到教育部和丰田的支持。这是课题组涉及到这个课题的同事和学生,有的是做流道,有的是做催化剂。很多没有列出来,合作者主要是上汽集团的陈雪松总监,还有资金的来源包括国家的和上海市科委的还有上汽集团的。非常感谢大家的倾听,欢迎批评指正!


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