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武汉理工大学首席教授潘牧：燃料电池商业化要翻越三座大山
膜电极2019-09-16 10:58:00 阅读：121
“现在国内非常多的企业家都关注氢能和燃料电池产业，从环保、效率各方面这些优势来说确实是非常好的事情，前途肯定是光明的，但道路又是曲折的。”武汉理工大学首席教授潘牧在2019中国 汽车 产业发展(泰达)国际论坛上表示。
曲折的地方在哪里？潘牧认为，燃料电池商业化道路上有“三座大山”，即性能、寿命、成本。现在燃料电池跟纯电动相比成本很高，不过经过十几二十年来中国和全世界科学家的共同努力，已经取得了很大的进展。
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“电堆的功率密度已经达到3.1kW/L，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5.4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5.6kW/L，现在的技术已经达到非常高的水平。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年的2g/kW一直到2020年要做到0.12g/kW，目前已经可以做到0.2g/kW。如果做到0.12g/kW就表示每辆车装了10克铂，也不是很贵。所以在性能上，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。”潘牧说。
据高工锂电网报道，上海氢晨新能源 科技 有限公司经过近10年的持续研发，已开发出三代具有自主知识产权的燃料电池电堆。其103kW金属板电堆经测试平台测试，体积功率密度为3.3kW/L，达到行业先进水平。
谈到膜电极，潘牧表示，武汉理工氢电公司于2006年成立，专门来做膜电极，现在已销售膜电极100万片，大部分都销售到国外，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还是很好的，产业化还是很有信心可以做下去。
在成本方面，潘牧估算，100千瓦的电堆大概是两万多元，这是算的核心面积。还有一个结构设计所消耗的材料，包括材料的利用率、损耗率、良品率，也就是四万多块钱，加上双极板一两万元，其它东西十万元，一个100千瓦的电堆就可以搞定，这是在理想的情况下。但十万元光买电堆还不行，BOP（电池配套设备）再花十万拦友，总价格就是二十万元，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，成本离预期还有很大的距离，但是有可能完成。
“最大的问题是寿命，现在质子交换膜采用非常巧妙的结构，可以用来传导质子，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，像树脂这么贵，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，但问题是膜薄了以后强度很差，所以又加了增强层，但是这个增强层还不够强，假设它是30兆帕，一个15微米的膜，一个袋子只能承受450克的力，挂一瓶矿泉水就断掉了。”潘牧进一步表示，“另外是催化剂，为了使催化剂的用量减少，这种纳米材料有个天生的弱点，就是热力学不稳定。
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，催化剂就会变一下，所以这些都会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 。”
潘牧指出，上述三个问题比较下来，成本排第二，寿命是最大的问题，因为所有参与研发燃料电池的单位、企业都要把精力放在这上面。它的机理是什么？到底怎么样造成的？需要大量的测试数据，这些数据非常宝贵，只有分析清楚才能把燃料电池 汽车 做好。
氢，连接能源互联网
在燃料电池的标准方面，潘牧表示，只有在前面的工作基础上才能制定出一些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，委员会的主席是衣院士。目前中国的燃料电池 汽车 已经走在在国际的前列，很多问题必须要制定标准。现在整个框架包括了基础的标准，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是IEC（国际电工简模槐委员会）/TC105（燃料电池技术），现任主席是法国人，上一任主席是日本人。TC105与其他几个有能源标准、交通标准，还有供氢要求标准的几个委员会合作，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，我们国家已经有12项，已经采标。”潘牧进一步解释。
燃料电池 汽车 到底怎么做？潘牧给出了自己的答案。
电动 汽车 的发展应该跟能源结构的调整是结合在一起的，要借助能源结构的调整保证燃料电池 汽车 的发展。把电网和气网这两个网用什么来连起来?用燃料电池将氢气转化为电，电解水再转化成氢气。比如荷兰打算今后用风电来制氢，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。
所以这个能源网非常符合互联网的特点，一个是互联的，即电网和气网互联，另一个是无限节点以及双向转换，既可以消耗又可以生产。如果要与每一个家庭互联，就要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，这代表了一个发展方向。
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，通过氢把电网和气网全部连接起来。美国提出了H2@Scale计划，将电和氢形成网络，2019年美国能源部也重点支持这件事情。
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到重要作用，电动 汽车 也是当中的一部分。
（本文根据潘牧在2019中国 汽车 产业发展国际论坛上演讲速记整理，未经本人审阅。）
燃料电池新能源汽车发展的问题有哪些？应该如何解决？
一、燃料电池新能源汽车发展的问题
①相对较短的使用寿命
从新能源汽车燃料电池的发展来看，燃料电池使用寿命短是主要的技术问题。除了生产成本高之外，燃料电池催化剂在相应的一段时间后会被严重消耗，影响燃料电池的使用寿命，缩短使用寿命，增加成本。
②成本相对较高
燃料电池新能源汽车的生产成本高，对产品的量产影响很大。燃料电池的高生产成本在未来不会有太大变化。这主要是因为铂是一种相对昂贵的金属。一个150千瓦的燃料电池需要60克铂作为催化剂。加上其他成本，用车成本会大幅增加余察。
③基础设施建设不完善
目前，燃料电池新能源汽车的基础设施还不完善，这也是阻碍其推广发展的重要因素。日常生活中，燃料电池新能源汽车的推广需要足够的氢站。我国在这一领域的发展刚刚起步，加氢站相对较少，成为燃料电池新能源汽车发展的重要障碍。
二、发展燃料电池新能源汽车的创新举措
①降低生产成本
燃料电池新能源汽车要想发展好，就必须将电池生产成本降到最低。燃料电池的发展虽然存在不足，但随着技术的进步和人们经济水平的进一步提高，在未来的发展中会在解决相应问题上有所突破。要实现燃料电池新能源汽车的创新发展，必须妥善处理和解决电池的生产成本和使用寿命问题。生产成本高的最大原因是铂的应用，影响整体生产成本。因此，在未来的创新发展过程中，有必要减少铂催化剂的使用或寻找能够替代铂的催化剂。无论取得什么突破，都可以有效降低生产成本。
②建立健全的安全标准
当务之急是更加重视安全标准建设，结合当前燃料电池新能源汽车发展的不足，完善安全标准，切实提高新能源汽车的安全性能。明确燃料电池新能源汽车零部件的安装要求和防护等级要求，明确燃料加注标准、储氢容器、低压防护和超压防护竖弯茄。新能源汽车还应注重建立氢浓度检测仪联动安全措施，进一步完善动力电路系统安全要求，构建统一的新能源汽车安全标准，切实提升车辆整体性能，从而推动发展。燃料电池新能源汽车。
在燃料电池新能源汽车的创新发展过程中，要重视基础设施建设。燃料电池新能源汽车的缺点很明显，但它们的优点也很突出。对充电桩和加油站的基础设施一视同仁，希闹梁望提前做好新能源汽车的基础设施规划，为新能源汽车市场多元化发展打下坚实基础，对燃料普及起到积极推动作用。
燃料电池电动汽车在发展过程中存在哪些问题需要解决
这个需要解决的问题很多，一、燃料电池的能量密度问题，燃料电池的能量密度低，同如慧样带橡祥功率的汽车需要的电池体积越大，所以这是一个很关键的问题，电池体积小型化；二、电池的批量生产，这个是工艺问题。三、汽车设计的问题，需要调整现有设计，满足电池使用的基本条件和环境蠢搏。
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