武汉理工大学潘牧：燃料电池商业化——障碍、标准、未来（审定稿）
时间: 2019-09-11 10:57
来源: 汽车总站
作者: Autumn
以“全面深化改革开放 发展壮大新动能”为主题，旨在凝聚行业集体智慧和力量，为实现汽车强国的发展大计而不懈努力的“2019中国汽车产业发展(泰达)国际论坛”8月30日至9月1日在天津召开，该论坛已连续举办十五届。
武汉理工大学首席教授潘牧在“焦点透视：燃料电池汽车研发与产业化提速”环节发表了题为“燃料电池商业化—障碍、标准、未来”的主题演讲。
内容经潘教授本人审核如下：
谢谢组委会给我一个机会和大家分享燃料电池商业化的问题。刚才重塑的林总、上汽的卢总介绍了燃料电池的产业化发展进程，是非常可喜的势头。现在国内非常多的企业家都关注氢能和燃料电池这个产业，从环保、效率各方面这些优势来说好像确实是非常好的事情，但是在做这个事情的时候，前途肯定是光明的，但是道路又是曲折的，我们必须知道，它曲折的地方在哪里，今天我想讲讲对于燃料电池商业化的一些思考。
燃料电池性能到底有什么障碍?燃料电池有三座大山，是性能、寿命、成本，衣院士讲现在燃料电池跟纯电动相比成本是很高的问题，确实是这样。但这三个问题都是我们面临的困难，不过经过十几二十年的努力，中国还有全世界的科学家共同的工作，其实取得了很大的进展。在成本上面大家可以看看，电堆的功率密度已经达到3.1千瓦每升，这个指标还是比较好的，它对应膜电极性能的指标是每平方厘米1.4瓦，如果只算双极板加上膜电极的体积，它的功率密度可以达到5.6千瓦每升，现在的技术已经做到非常高的水平。当然没做到5.6，潜力是有这么多的，完全做得到的。现在1.4瓦每升完全可以做得到的，另外就是铂的用量，大家觉得催化剂是最贵的，其实这个催化剂从2006年每千瓦2克一直到明年要做到0.12克，现在目前已经可以做到0.2克每千瓦了。如果0.125克表示每个车装了10克铂，也不是很贵，这个是可以接受的。所以这个性能上，由于我们的努力，催化剂的性能、电堆的性能、膜电极的性能几乎可以达到产业化的水平了。
这里介绍一下膜电极，是武汉理工氢电，这个公司2006年成立，专门用来做膜电极，我们的膜电极现在销售100万片，大部分销售到国外，如果装车可以装3000多台车，当然没有全部在国内装，主要是出口国外。中国的零部件的基础也还是很好的，产业化还是很有信心可以做下去。
这里讲一下成本的问题，我这里大概估计了一下，按100千瓦的电堆，质子交换膜/催化剂碳纸三大主材大概是两万多块钱，这是以活心面积计算，还需要考虑结构设计所消耗的材料，材料的利用率，材料的损耗率，以及良品率等，即使翻一倍也就是四万多块钱，加上双极板一两万块钱，加上其他东西十万块钱，一个一百千瓦的电堆就可以搞定，这是在理想的情况下。十万块钱光是电堆不行，BOP再块十万块钱就是二十块钱，相对于发动机来说还是贵了，但作为电动汽车来讲也不是完全不能接受的，成本来讲还有很大的距离，但是有可能完成。
最大的问题是寿命，现在质子交换膜是非常巧妙的结构，用了非常全氟磺酸树脂，可以用来传导质子，这个东西非常贵，所以价格昂贵。2000年左右的时候用的是非常厚的膜，有170微米，树脂这么贵，用这么厚的膜当然很贵，现在我们全部减薄，成本就可以降低，所以现在膜的价格跟117膜的价格完全不可同日而语。但问题是膜薄了以后强度很差，所以大家想办法，我们加了增强层，但是这个增强层还不够强，假设它是30兆帕，厚度15微米、1厘米宽的膜只能承受450克的力，挂一瓶矿泉水就断掉了。另外是催化剂，为了使催化剂用的越少，采用纳米催化剂。这种纳米材料有个天生的弱点，就是热力学不稳定，它天生就要长大。第二点，催化剂在电化学反应中，从低电压到高电压，在每一个电压的循环，催化剂就变了一下，所以这些问题都是带来燃料电池的寿命问题，我们对它的机理了解不深刻，解决的方法并没有完全实现，这些都需要我们进一步探索。
相比较下来，我们的障碍里面，现在成本是第二的，寿命是最大的，因此需要所有参加燃料电池研发的单位、企业都要把精力放在这上面，它的机理是什么?到底怎么原因造成的?需要大量的测试数据，这些数据非常宝贵，拿出来才能分析清楚，才能把燃料电池车做好。
我们只有在前面的工作基础上才能制定出标准保证燃料电池的发展，现在国家有一个燃料电池标准委员会。制定了标准体系框架，包括了燃料电池通用技术标准，驱动和辅助便利系统，还有微型的。
在国际上我们对标的组织就是IEC的TC105，TC105跟其他的几个标准委员会如能源、交通、还有供氢等委员会合作才能把这个体系构建起来。TC105发布的标准比我们还少一些，目前只发布了18项，我们国家已经采标12项。
燃料电池汽车到底怎么做?电动汽车的发展应该跟能源结构的调整是结合在一起的，我们要借助能源结构的调整保证燃料电池汽车的发展。在我们有电网和气网而这两个网用什么来连起来?用燃料电池将气转化为电，电解水再转化成气。比如荷兰打算今后用他们的风电来制氢，通过管网输送到全欧洲。今后氢能的网络是非常大的，如果这两个网络建立起来之后，每个汽车都是我们的节点。汽车在里面只是一部分。
所以这个能源网是非常符合互联网的特点，一个是互联的，电网和气网互联，一个是无限节点，还有双向，既可以消耗又可以生产，如果要在每一个家庭联起，就互相进行生产和销售。有意思的是本田的车就带了变压器，把电输送给家庭，就反向了，这代表了一个方向。
所以国际能源署2015年的时候提出能源互联网的概念，用氢气把热网、电网、气网用氢连接起来，德国提出了集成能源系统，最右边是电网，左边是气网，通过氢全部连接起来。美国就提出来H2@Scale的计划，将电和氢行程网络，今年美国能源部又重点支持这件事情。
我认为燃料电池面临的最大障碍是寿命问题，燃料电池缺乏强制性标准，特别是安全标准，燃料电池将在能源互联网起重要作用，电动汽车也是当中的一部分，谢谢各位!
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以“全面深化改革开放 发展壮大新动能”为主题，旨在凝聚行业集体智慧和力量，为实现汽车强国的发展大计而不懈努力的“2019中国汽车产业发展(泰达)国际论坛”8月30日至9月1日在天津召开，该论坛已连续举办十五届。
武汉理工大学首席教授潘牧在“焦点透视：燃料电池汽车研发与产业化提速”环节发表了题为“燃料电池商业化—障碍、标准、未来”的主题演讲。 内容经潘教授本人审核如下： 谢谢组委会给我一个机会和大家分享燃料电池商业化的问题。刚才重塑的林总、上汽的卢总介绍了燃料电池的产业化发展进程，是非常可喜的势头。现在国内非常多的企业家都关注氢能和燃料电池这个产业，从环保、效率各方面这些优势来说好像确实是非常好的事情，但是在做这个事情的时候，前途肯定是光明的，但是道路又是曲折的，我们必须知道，它曲折的地方在哪里，今天我想讲讲对于燃料电池商业化的一些思考。 燃料电池性能到底有什么障碍?燃料电池有三座大山，是性能、寿命、成本，衣院士讲现在燃料电池跟纯电动相比成本是很高的问题，确实是这样。但这三个问题都是我们面临的困难，不过经过十几二十年的努力，中国还有全世界的科学家共同的工作，其实取得了很大的进展。在成本上面大家可以看看，电堆的功率密度已经达到3.1千瓦每升，这个指标还是比较好的，它对应膜电极性能的指标是每平方厘米1.4瓦，如果只算双极板加上膜电极的体积，它的功率密度可以达到5.6千瓦每升，现在的技术已经做到非常高的水平。当然没做到5.6，潜力是有这么多的，完全做得到的。现在1.4瓦每升完全可以做得到的，另外就是铂的用量，大家觉得催化剂是最贵的，其实这个催化剂从2006年每千瓦2克一直到明年要做到0.12克，现在目前已经可以做到0.2克每千瓦了。如果0.125克表示每个车装了10克铂，也不是很贵，这个是可以接受的。所以这个性能上，由于我们的努力，催化剂的性能、电堆的性能、膜电极的性能几乎可以达到产业化的水平了。 这里介绍一下膜电极，是武汉理工氢电，这个公司2006年成立，专门用来做膜电极，我们的膜电极现在销售100万片，大部分销售到国外，如果装车可以装3000多台车，当然没有全部在国内装，主要是出口国外。中国的零部件的基础也还是很好的，产业化还是很有信心可以做下去。 这里讲一下成本的问题，我这里大概估计了一下，按100千瓦的电堆，质子交换膜/催化剂碳纸三大主材大概是两万多块钱，这是以活心面积计算，还需要考虑结构设计所消耗的材料，材料的利用率，材料的损耗率，以及良品率等，即使翻一倍也就是四万多块钱，加上双极板一两万块钱，加上其他东西十万块钱，一个一百千瓦的电堆就可以搞定，这是在理想的情况下。十万块钱光是电堆不行，BOP再块十万块钱就是二十块钱，相对于发动机来说还是贵了，但作为电动汽车来讲也不是完全不能接受的，成本来讲还有很大的距离，但是有可能完成。 最大的问题是寿命，现在质子交换膜是非常巧妙的结构，用了非常全氟磺酸树脂，可以用来传导质子，这个东西非常贵，所以价格昂贵。2000年左右的时候用的是非常厚的膜，有170微米，树脂这么贵，用这么厚的膜当然很贵，现在我们全部减薄，成本就可以降低，所以现在膜的价格跟117膜的价格完全不可同日而语。但问题是膜薄了以后强度很差，所以大家想办法，我们加了增强层，但是这个增强层还不够强，假设它是30兆帕，厚度15微米、1厘米宽的膜只能承受450克的力，挂一瓶矿泉水就断掉了。另外是催化剂，为了使催化剂用的越少，采用纳米催化剂。这种纳米材料有个天生的弱点，就是热力学不稳定，它天生就要长大。第二点，催化剂在电化学反应中，从低电压到高电压，在每一个电压的循环，催化剂就变了一下，所以这些问题都是带来燃料电池的寿命问题，我们对它的机理了解不深刻，解决的方法并没有完全实现，这些都需要我们进一步探索。 相比较下来，我们的障碍里面，现在成本是第二的，寿命是最大的，因此需要所有参加燃料电池研发的单位、企业都要把精力放在这上面，它的机理是什么?到底怎么原因造成的?需要大量的测试数据，这些数据非常宝贵，拿出来才能分析清楚，才能把燃料电池车做好。 我们只有在前面的工作基础上才能制定出标准保证燃料电池的发展，现在国家有一个燃料电池标准委员会。制定了标准体系框架，包括了燃料电池通用技术标准，驱动和辅助便利系统，还有微型的。 在国际上我们对标的组织就是IEC的TC105，TC105跟其他的几个标准委员会如能源、交通、还有供氢等委员会合作才能把这个体系构建起来。TC105发布的标准比我们还少一些，目前只发布了18项，我们国家已经采标12项。 燃料电池汽车到底怎么做?电动汽车的发展应该跟能源结构的调整是结合在一起的，我们要借助能源结构的调整保证燃料电池汽车的发展。在我们有电网和气网而这两个网用什么来连起来?用燃料电池将气转化为电，电解水再转化成气。比如荷兰打算今后用他们的风电来制氢，通过管网输送到全欧洲。今后氢能的网络是非常大的，如果这两个网络建立起来之后，每个汽车都是我们的节点。汽车在里面只是一部分。 所以这个能源网是非常符合互联网的特点，一个是互联的，电网和气网互联，一个是无限节点，还有双向，既可以消耗又可以生产，如果要在每一个家庭联起，就互相进行生产和销售。有意思的是本田的车就带了变压器，把电输送给家庭，就反向了，这代表了一个方向。 所以国际能源署2015年的时候提出能源互联网的概念，用氢气把热网、电网、气网用氢连接起来，德国提出了集成能源系统，最右边是电网，左边是气网，通过氢全部连接起来。美国就提出来H2@Scale的计划，将电和氢行程网络，今年美国能源部又重点支持这件事情。 我认为燃料电池面临的最大障碍是寿命问题，燃料电池缺乏强制性标准，特别是安全标准，燃料电池将在能源互联网起重要作用，电动汽车也是当中的一部分，谢谢各位! |