車網(wǎng)中國現(xiàn)場報(bào)道：
2020年8月13日-15日，“2020中國汽車論壇”在上海隆重召開。該論壇是由中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)（CAAM）主辦，世界汽車組織（OICA）、世界經(jīng)濟(jì)論壇（WEF）唯一支持的行業(yè)頂級論壇。本屆論壇以“新變局 新挑戰(zhàn) 新思路——引領(lǐng)中國汽車新征程”為主題，緊扣時(shí)代脈搏, 求索突破之道，緊密圍繞“十四五”規(guī)劃，把控宏觀產(chǎn)業(yè)形勢，解析全球汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)。其中，在8月14日下午舉辦的“氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展及燃料電池技術(shù)創(chuàng)新論壇”分論壇上，上海交通大學(xué)機(jī)械與工程學(xué)院燃料電池研究所所長章俊良發(fā)表了主題演講，以下為演講實(shí)錄：
章俊良：各位領(lǐng)導(dǎo)、各位專家、各位嘉賓，大家下午好！首先我要非常感謝主委會(huì)的邀請以及章老師的邀請，還有同濟(jì)大學(xué)老師的邀請，來參加這個(gè)會(huì)。我今天報(bào)告的題目是關(guān)于《質(zhì)子交換膜、催化劑研發(fā)及應(yīng)用》，我來自上海交通大學(xué)燃料系研究所。

我的報(bào)告分為以下三個(gè)部分。首先是燃料電池產(chǎn)業(yè)前景及簡單的原理簡介。捷氫的盧總把燃料電池的前景介紹非常的深度，我就稍微補(bǔ)充一下。燃電池肯定跟氫能相關(guān)，其實(shí)氫能應(yīng)該是未來能源解決的終極方案。在2050年之前，根據(jù)國際氫能協(xié)會(huì)、理事會(huì)的估計(jì)，氫能會(huì)占到整個(gè)能源比重的18%會(huì)減少碳能量排放，交通領(lǐng)域從工業(yè)能源、從發(fā)電能源都慢慢轉(zhuǎn)向氫能使用。

關(guān)于氫能，其實(shí)里面有個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，就是氫能的應(yīng)用。當(dāng)然在上游的制氫、儲(chǔ)氫、加氫都是現(xiàn)在正在進(jìn)行的產(chǎn)業(yè)。到下游所有的能源動(dòng)力行業(yè)，包括汽車、潛艇、飛機(jī)、發(fā)電，還有各種民用的叉車或者是能源動(dòng)力領(lǐng)域，都需要用到氫能。在這里，怎么樣把氫能變成我們所需要的電能和動(dòng)能？所以說燃料電池是屬于一個(gè)中樞環(huán)節(jié)。

國際上燃電池汽車產(chǎn)業(yè)已經(jīng)步入了產(chǎn)業(yè)化的階段，這里就不詳述，無論是德國的企業(yè)，還是美國的企業(yè)，或者是韓國的企業(yè)，都有自己的燃料電池汽車在銷售。它的性能已經(jīng)達(dá)到了現(xiàn)代汽車的水平，國內(nèi)也有很多品牌在開始試用或者是其他的新勢力造車，都在做氫能源汽車的試生產(chǎn)。

跟氫能相關(guān)的，一定要把加氫站建起來，沒有加氫站汽車是走不遠(yuǎn)。2019年底國內(nèi)已經(jīng)建成了47座加氫站，在建設(shè)38座，預(yù)計(jì)2020年底建成100座，2025年建成300座，2030年建成1500座，也是支撐氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。

當(dāng)然燃料汽車的規(guī)模發(fā)展得益于中央政府和各級地方政府的支持，2020年預(yù)計(jì)的五千輛，2025年預(yù)計(jì)5萬輛，2030年預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)100萬輛，所以發(fā)展非常快。

剛才盧總講了很多，燃料電池在汽車?yán)锩媸鞘裁唇巧坎还苁寝I車還是客車，它是作為替代柴油汽油機(jī)的動(dòng)力技術(shù)，它會(huì)有鋰電池的混動(dòng)，有了非常淺的小混動(dòng)，我們這方面的專家，我主要是在電車?yán)锩孀鲆恍┕ぷ鳌Ｈ剂想姵鼐褪窃谥纹噭?dòng)力的裝置，它其實(shí)包括兩個(gè)方面，包括幾大系統(tǒng)。一個(gè)是氫氣、空氣供給系統(tǒng)、DCDC轉(zhuǎn)換，還有電堆，這些東西的核心就是電堆。電堆里面又包括很多的元件，還有其他的密封材料，電堆也會(huì)跟所有的部件聯(lián)合起來發(fā)電，因?yàn)槿剂想姵厥且粋€(gè)發(fā)電機(jī)，它的工作方式跟內(nèi)燃機(jī)非常相似。

在電堆里面，它會(huì)有膜電極，也有密封材料、端板、輔助部件，所有的電池是通過串聯(lián)的方式結(jié)合起來的，簡單講它用氫氣、空氣、氧氣，在兩個(gè)電極上發(fā)生反應(yīng)，中間是質(zhì)交的膜，所以我們叫質(zhì)交膜燃料電池，它的效率非常高，能量密度比鋰電池，看跑的路途有多遠(yuǎn)，可以達(dá)到5倍以上，它的三分鐘可以跑五百公里以上。

在國際上，其實(shí)氫能源電池的產(chǎn)業(yè)鏈相對比較成熟，從原材料，比如催化劑、質(zhì)極膜、密封材料、到所有的輔助部件，已經(jīng)成為比較成熟的產(chǎn)業(yè)鏈。在我們國內(nèi)的話，相對來說后端可能會(huì)更成熟一些，應(yīng)該是從電堆開始到系統(tǒng)、到車做得更多，但是膜電極產(chǎn)業(yè)和質(zhì)子膜、催化劑、密封材料、雙極板現(xiàn)在已經(jīng)有不錯(cuò)的產(chǎn)業(yè)，實(shí)際上雙極板的產(chǎn)品是很大的問題，在前端的產(chǎn)業(yè)鏈需要加大培育力度。

它發(fā)展的階段，國際上燃料電池壽命已經(jīng)達(dá)到了商用車或者乘用車的要求。在商用車已經(jīng)達(dá)到了25000小時(shí)。國內(nèi)的話，也是功率密度每年都在提升，已經(jīng)達(dá)到了3000W以上每升，里面還需要設(shè)計(jì)、材料、部件進(jìn)一步優(yōu)化，現(xiàn)在是簡單的產(chǎn)業(yè)介紹。

燃料電池產(chǎn)業(yè)要大力度發(fā)展，它的成本還需要大幅度下降，至少達(dá)到今天的鋰電池水平。要達(dá)到那個(gè)水平，一方面是規(guī)模化效益得到提升，另外一塊就是部件和材料的核心技術(shù)要支撐規(guī)模化，如果說材料技術(shù)、部件技術(shù)沒有達(dá)到的話，規(guī)模化只能達(dá)到一定的程度，所以說對于燃料電池，尤其是降低成本這塊，它面臨什么樣的瓶頸和挑戰(zhàn)？我今天和大家分享一下。第一個(gè)，它要低鉑化，燃料電池最核心的是電堆，電堆里面最核心的是膜電極，膜電極最核心的是催化劑，你要降低整個(gè)燃料電池的成本，首先催化劑的成本要下降，催化劑成本要下降，就是要越來越少，在量產(chǎn)的時(shí)候才能體現(xiàn)出來。

在燃料電池，無論是功率密度、低溫啟動(dòng)，還是峰值的能量效率都已經(jīng)達(dá)到了使用要求，唯有成本和耐久性是矛盾的，如果降低成本會(huì)帶來耐久性的不足，如果說提高耐久性，成本就要上升，所以說未來的燃料電池的幾個(gè)瓶頸是高性能、長壽命和低成本，一定要從原材料性能、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能生產(chǎn)全方面提升。當(dāng)你的生產(chǎn)量越來越多，它的成本會(huì)越來越集中到基本的材料，就是貴金屬材料和催化劑材料。

一個(gè)電堆里面生產(chǎn)的電能量是50萬套，催化劑的成本會(huì)占到40%以上，你要是再加上質(zhì)子膜，整個(gè)MEA的成本超過60%以上，會(huì)達(dá)到70%。另外是雙極板能達(dá)到30%，所以說電堆里面催化劑成為最大的單一成本的占比。因此，下一代的燃料電池低鉑或者超低鉑化，或者采用非鉑乃至非貴金屬催化劑是我們的目標(biāo)，還有提升單電池的性能。

在未來若干年，燃料電池成本怎么下降？當(dāng)然是各個(gè)方面。比如極板的功率密度，還有各個(gè)方面的優(yōu)化生產(chǎn)，這里面1是最大的一塊，就是把功率密度提高，這樣你需要用的材料越來越少，還有就是把鉑單量下降，這是它未來非常大的挑戰(zhàn)。

可喜的是，在過去20年燃料電池如果談催化劑，它其實(shí)鉑單量已經(jīng)下降了80%以上，每輛車下降到2019年0.3克以下，今天的水平應(yīng)該是0.25左右每千瓦，未來是不是下到0.1克以下。如果低于0.1克每千瓦，可以大批量生產(chǎn)。

另外我們看看燃料電池的性能曲線。這里面有電池的極化，歐姆極化和里面的電阻，尤其是自主導(dǎo)電的電阻，還有里面的傳質(zhì)極化，現(xiàn)在歐姆極化越來越小了，尤其隨著質(zhì)子膜越來越薄，達(dá)到五個(gè)微米到八個(gè)微米，這樣它的極化是原來的下降了好幾倍，越來越可以忽略不計(jì)，但是電子化學(xué)的極化涉及到催化劑本質(zhì)的催化活性當(dāng)你用超低鉑催化劑的時(shí)候，電池里面帶著一些問題，這兩塊基本上是1：1。

對于電化和極化，我們要找到催化劑提高催化活性。每當(dāng)質(zhì)量的表面積越來越大，如果專家燃電池的工作壓力，氣壓和溫度會(huì)一定程度上提高催化的活性，降低極化。

另外一塊是當(dāng)燃料電池超低鉑化之后，技術(shù)的瓶頸主要是來自傳質(zhì)。在通常的高鉑載量的話，基本上是忽略不計(jì)，當(dāng)鉑載量低于0.1的時(shí)候，電池里面的傳質(zhì)達(dá)到70%。什么概念？當(dāng)你采用低鉑化的時(shí)候，電池里面的傳質(zhì)極化會(huì)超過30%，是沒法用的，這是最大的問題。

怎么樣來克服這些問題？第一個(gè)問題就是怎么樣提高催化活性，同時(shí)又提高表面積。交大燃料電池研究所，長期以來在催化劑做了非常多的研究，從第一代的催化劑，到第二代實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，非常核心的一塊是磨煉你的智慧，從整個(gè)加量到成形，到封裝都是非常核心的技術(shù)。

在測試這塊，也是非常關(guān)鍵的一塊。在我們研究所從材料到膜電極到短電極的測試都可以完成。在催化劑這塊，我們在第三代開發(fā)已經(jīng)達(dá)到了非常高的水平，也就是說能夠達(dá)到十倍的活性，當(dāng)然是在小電池上面測試。

這個(gè)主要是展示單層的核心技術(shù)，可以達(dá)到乘用車燃料電池的要求。歐姆極化主要是怎么樣提高質(zhì)子導(dǎo)電率。電極里面主要是跟膜里的導(dǎo)電率不一樣，尤其當(dāng)我們的載量下降的時(shí)候，越來越集中到某一個(gè)局域的地方，微區(qū)域的質(zhì)子導(dǎo)電，跟厚膜的導(dǎo)電完全不一樣。當(dāng)你的膜越來越薄，到4、5個(gè)納米，導(dǎo)電率會(huì)下降一個(gè)數(shù)量級以上，這是我們的研究結(jié)果，現(xiàn)在也正在優(yōu)化。具體的內(nèi)容不多說了，還有催化劑衰減行為怎么控制，在電級里面催化劑的衰減，主要是作為對非射性的設(shè)計(jì)來提高通量。

在匹配方面，匹配低鉑膜電極，我們是建議用二維把它變成三維的梯度化設(shè)計(jì)，可以提高傳質(zhì)的流量，這樣的話，在電堆里面，可以控制它的組織方式，提高整個(gè)電池的性能。還有電堆裝配壓力對性能的影響，不同的組織模式、不同的膜電極都會(huì)有不同的影響。

總之來講就是三個(gè)方面，一個(gè)是解決了高功率密度的矛盾，還有是低鉑化和長壽命之間的矛盾，還有范圍運(yùn)行的矛盾。根據(jù)以前的研究成果也孵化了唐鋒能源科技有限公司，這個(gè)公司目前是研發(fā)人員接近40個(gè)人，年產(chǎn)膜電極40萬片，這是我們的膜電極產(chǎn)品，鉑載量低于0.25克每千瓦，低溫啟動(dòng)零下30度，這個(gè)是一些指標(biāo)，目前的話，2020年可以滿足1000輛車的要求，到2023年隨著二期生產(chǎn)線的投產(chǎn)，應(yīng)該是9月份可以初步投產(chǎn)，2023年可以達(dá)到將近500萬片的產(chǎn)能。

我給大家總結(jié)一下，在國內(nèi)外燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈正在逐步成熟，已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化導(dǎo)入期；與發(fā)達(dá)國家相比，我國燃料電池的核心原料及部件水平、以及整車耐用性及壽命仍有一定的差距。低成本燃料電池發(fā)展主要受制于超低鉑催化劑及膜電極發(fā)展；膜電極、極板及電堆的匹配設(shè)計(jì)和工程化實(shí)現(xiàn)，協(xié)同系統(tǒng)控制策略及其他部件的同步開發(fā)是未來燃料電池的發(fā)展方向。謝謝大家！