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(huì)議時(shí),，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(duì)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(diǎn)在于成本,，并對(duì)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(qǐng),，有機(jī)會(huì)跟大家做一個(gè)匯報(bào)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(shí)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(diǎn)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(huì)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?dú)鈫卧峁┤剂想姵乇Ｗo(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(yùn)行機(jī)理,。

系統(tǒng)放到車?yán)锩嫒ィ€要有電池來協(xié)助,，共同來推動(dòng)汽車的運(yùn)動(dòng),，包括DC/DC的控制，終是到電動(dòng)機(jī)上,，驅(qū)動(dòng)輪轂電機(jī),。

目前，燃料電池已經(jīng)作為汽車動(dòng)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(shí)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(shí)候用什么動(dòng)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(dòng)力界的共識(shí),。

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(duì)此也做過承諾,，要達(dá)到這個(gè)目標(biāo),，燃料電池汽車和純電汽車必將是未來汽車動(dòng)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(shí)因?yàn)楦鱾€(gè)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(shí)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(shí)間表,，節(jié)能減排已經(jīng)成為國內(nèi)外的一個(gè)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(dòng)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(shí)不僅僅是解決燃油能源和環(huán)境的問題，其實(shí)關(guān)乎中國在這一輪的能源動(dòng)力革命上是不是能占領(lǐng)制高點(diǎn),，對(duì)于我們國家的長期經(jīng)濟(jì)會(huì)有深遠(yuǎn)的影響,。

如果大家了解一下能源動(dòng)力的歷史，可能會(huì)發(fā)現(xiàn),，其實(shí)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(shí)現(xiàn)在能源動(dòng)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(huì)來了，我們錯(cuò)過了代,，也錯(cuò)過了第二代,，現(xiàn)在的電動(dòng)化時(shí)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(dòng)化,，燃料電池跟鋰離子電池有什么區(qū)別呢？其實(shí)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(duì)于燃料來講，儲(chǔ)存在儲(chǔ)氫罐里,，加注非?？欤黾永锍滩粫?huì)增加發(fā)動(dòng)機(jī)的體積,，動(dòng)力電池可能是恰恰相反,，它能量全部儲(chǔ)存在電池里面,，會(huì)產(chǎn)生一系列不一樣的地方。

對(duì)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(gè)共識(shí),，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?yàn)檫@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(gè)國家的政策而定,，以前是有一個(gè)130公里的分割線，當(dāng)時(shí)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(shí)候,，其實(shí)兩個(gè)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(chǔ)氫罐的數(shù)量和體積,，所以價(jià)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(shí)長遠(yuǎn)角度來講加氫站會(huì)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(huì)”《政府工作報(bào)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(shí)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(shí)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(jià)格,。

相關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測來看，大概2030年左右,，燃料電池價(jià)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(shí)間表。

下面簡單講一下燃料電池的研發(fā)動(dòng)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(dòng)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(shí)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(shí)，現(xiàn)在xian進(jìn)的技術(shù),，壽命已經(jīng)超過27000小時(shí)了,，對(duì)于乘用車,，大部分公司的燃料電池汽車壽命都在5000小時(shí)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(shí),，車?yán)镞叺娜剂想姵匾稽c(diǎn)變化都沒有,，非常健康，一點(diǎn)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(duì)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(shí)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(huì)好一些，但前面其實(shí)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(shí),，UTC的燃料電池現(xiàn)在是27000小時(shí)了,，國內(nèi)現(xiàn)在大概是3000小時(shí)左右，當(dāng)然還在提高,。

5000小時(shí)是一個(gè)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的門檻,，按5000小時(shí)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(gè)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(duì)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(gè)對(duì)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(shí)“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(diǎn)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(shí)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(xiàng),、產(chǎn)業(yè)基金都非常活躍,，因?yàn)樯虾Ｊ侨剂想姵剡@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(gè)基本條件，是壽命要大于5000小時(shí),；第二是成本售價(jià),，如果不計(jì)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(jià)的氫氣供給；第四,，如果加上補(bǔ)貼,，整個(gè)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(shí)的。

對(duì)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(duì)燃料電池技術(shù)的投入、引導(dǎo)和規(guī)范,，對(duì)研發(fā)應(yīng)該加大經(jīng)費(fèi)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(shí),，上是5000小時(shí)，做一個(gè)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(diǎn)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(duì)各個(gè)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(gè)非常關(guān)鍵的問題,，對(duì)于核心技術(shù),，一個(gè)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(shí)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(gè)問題,，其實(shí)就是成本,。目前燃料電池的性能包括低溫啟動(dòng)、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(gè)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(gè)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(shí)候,，用的其實(shí)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(shí)候會(huì)出現(xiàn)膜電極里面的傳質(zhì)問題,，對(duì)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(shí)候，電極里面?zhèn)鬟f質(zhì)子的阻力達(dá)到整個(gè)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(jì)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(gè)經(jīng)濟(jì)問題，也是一個(gè)技術(shù)問題,，終它是一個(gè)科學(xué)問題,。

這個(gè)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(shí)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(huì)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(gè)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(jì)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,。總體來講,，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(diǎn)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(duì)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(gè)時(shí)候確實(shí)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(fèi)支持,，還有我們團(tuán)隊(duì)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,。