11月17日，2018中外工程師大會暨中國（深圳）氫能及燃料電池高峰論壇在深圳會展中心舉行，國際知名燃料電池專家、加拿大工程院院士、深圳市氫能與燃料電池協(xié)會榮譽會長、南科動力核心技術(shù)專家王海江院士就國內(nèi)燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展進程、氫能與燃料電池產(chǎn)業(yè)化推廣等熱點問題進行重要演講。

王海江院士表示，盡管整體來看國內(nèi)燃料電池發(fā)展進程暫時落后于國外，但多產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)并推的發(fā)展策略，令國內(nèi)燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度遠超國外，有望在較短時間內(nèi)完成追趕。

而面對當前國內(nèi)燃料電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展所面臨的壽命、價格、基礎(chǔ)設(shè)施和產(chǎn)業(yè)政策與標準缺失瓶頸，王海江院士認可以通過細分的技術(shù)和政策手段獲得實質(zhì)改善，并提出“超級工廠”概念助推國內(nèi)燃料電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

什么是氫能與燃料電池？

簡單的講，燃料電池就是能源轉(zhuǎn)換裝置，和內(nèi)燃機相似，把一種能源轉(zhuǎn)化成另外一種能量。燃料電池是電化學的轉(zhuǎn)換裝置，可將化學能量轉(zhuǎn)化為電能。

這個裝置有很多的特別之處，它高效清潔、功率較高（可達到每升3．1kW的功率密度）、沒有噪音、充氣迅速（三分鐘充氣可以讓汽車行駛500－700km），是十分理想的能量轉(zhuǎn)化裝置。

以電池技術(shù)為參照，燃料電池的技術(shù)更為復(fù)雜，涉及到包括電堆在內(nèi)的一整套系統(tǒng)。比如需要把氫氣通到燃料電池里，把空氣通過空氣壓縮機通到燃料電池里實現(xiàn)發(fā)電，再通過DCDC裝置將所得電力的電壓轉(zhuǎn)換到所需電壓等，這些也是燃料電池技術(shù)的難度所在。

作為能源轉(zhuǎn)化裝置的燃料電池具備和內(nèi)燃機同樣的功能，也就決定了其用途的廣泛性，幾乎所有內(nèi)燃機能發(fā)揮作用的領(lǐng)域，燃料電池都可以參與代替。比如能源交通、發(fā)電、家庭、移動電源、通訊基站和空間技術(shù)、軍事、醫(yī)學領(lǐng)域等。

而在眾多的應(yīng)用領(lǐng)域中，交通運輸層面的應(yīng)用格外重要。早在2000年，福特公司CEO小福特就斷言燃料電池將終結(jié)內(nèi)燃機的百年統(tǒng)治，實際上不止福特，全球大型汽車企業(yè)幾乎都認同了這樣的觀點。

美國的咨詢公司KPMG曾對全球汽車企業(yè)總裁進行過一項調(diào)查，結(jié)果顯示，2018年全球汽車企業(yè)總裁一致認為燃料電池汽車是當今發(fā)展的主流，而電動車則在2018年下降到第五位。

通過對電動車和燃料電池車的經(jīng)濟性對比，我們可以發(fā)現(xiàn)的明顯特征是電動車在短距、小型車領(lǐng)域占有優(yōu)勢，但在長距離、大型汽車領(lǐng)域，燃料電池則會更具優(yōu)勢�；�本上續(xù)航里程超過100km，燃料電池汽車就會處于優(yōu)勢地位。

國內(nèi)外燃料電池汽車發(fā)展進程對比

現(xiàn)階段，全球都在加快燃料電池車型的開發(fā)、推廣步伐，但在產(chǎn)業(yè)發(fā)展進程上，國內(nèi)外存在一定的差異。

整體來看，國外燃料電池汽車的發(fā)展基本已完成“技術(shù)驗證／用戶認可—成本降低—性能提升—市場引入—大規(guī)模制造”五個階段。具有代表性的是2015年日本豐田推出的Mirai，標志著燃料電池汽車成功進入商業(yè)化階段，所以2015年也被視為燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)化元年。

反觀國內(nèi)，燃料電池汽車技術(shù)相對落后于國外，車型也大多處于研究階段，對照上述五大發(fā)展階段，基本上處于技術(shù)驗證階段，與國外存在著較大差距。

但值得注意的是，過去幾年國內(nèi)燃料電池行業(yè)飛速發(fā)展，不同的行業(yè)、公司運用了不同的方法持續(xù)進行技術(shù)突破，盡管行業(yè)整體被歸于技術(shù)驗證階段，但實際上的用戶認可、降低成本、市場引入等環(huán)節(jié)在同步推進，有希望在較短時間內(nèi)趕上國外先進技術(shù)。

氫能和燃料電池產(chǎn)業(yè)化四大瓶頸及應(yīng)對策略

總體來看，當前燃料電池技術(shù)包括峰值效率、系統(tǒng)能量密度、低溫啟動等性能已基本達到商業(yè)化標準。但燃料電池的壽命和價格目前距離當前預(yù)期仍有一定差距，加上基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、產(chǎn)業(yè)政策與標準的缺失，四大因素綜合限制了氫能和燃料電池的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

首當其沖的就是價格。從趨勢上來看，過去數(shù)年燃料電池通過技術(shù)革新促使產(chǎn)品價格不斷下降，2016年到現(xiàn)在，燃料電池價格基本在過去10年的基礎(chǔ)上下降了60％。

假設(shè)2018年燃料電池汽車產(chǎn)銷量超1000輛，燃料電池價格大概將在230美元／kW左右，如果說每年產(chǎn)能達到10萬輛車，燃料電池的價格可以降低50美元／kW。顯然隨著技術(shù)的進步，價格將非常接近我們的最終目標。

根據(jù)美國能源部此前的規(guī)劃，按照每年50萬輛燃料電池汽車計算，2017年燃料電池系統(tǒng)的價格是45美元／kW，預(yù)計2025年燃料電池系統(tǒng)售價將達40美元／kW，而最終的市場化推廣目標是30美元／kW。

這就要求我們從整個燃料電池系統(tǒng)各個關(guān)鍵的部件進行研究和開發(fā)來降低價格。比如，當空壓機價格降低時，整個系統(tǒng)的價格可以下降3美元左右；采用非鉑催化劑可以將燃料電池價格再降低5美元；雙機板價格降低，也將促使整個系統(tǒng)價格降低3美元。

至于壽命問題，我們希望燃料電池保持至少5000小時的運營壽命。2015年到2017年間的數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)階段燃料電池車的運行壽命基本可以達到超4000小時，實驗室已可達10000小時，遠超壽命需求。

要解決壽命問題必須要了解影響燃料電池壽命的原因有哪些，在過去幾十年的研究里面，我們成功地揭示了燃料電池壽命衰減的基本機理。

※質(zhì)子交換膜在燃料電池運行的過程里會變薄，出現(xiàn)針孔、撕裂現(xiàn)象等機械問題，化學、電化學以及熱穩(wěn)定等因素導(dǎo)致的質(zhì)子交換膜衰減都是影響燃料電池壽命的重要因素。

※催化劑活性降低也會影響燃料電池壽命。在燃料電池運行過程中，催化劑可能出現(xiàn)團聚、再沉積，導(dǎo)致催化劑流失，空氣污染在影響催化劑活性的同時也會影響到燃料電池壽命。

※氣體擴散同樣會對燃料電池的壽命造成影響，氣體擴散層的速水材料會慢慢流失，造成表面變化，進而影響燃料電池的壽命。

※雙極板環(huán)節(jié)在在燃料電池運行過程中出現(xiàn)的腐蝕情況，也會影響燃料電池壽命。

針對這些機理，可以制定針對性的應(yīng)對策略，有效促進燃料電池壽命提升并達到車用壽命要求。

質(zhì)子交換膜方面，可以用增強膜增強其機械性能，延長其使用壽命；為質(zhì)子交換膜加進去自由基，就可以保證膜不會降解，加強熱分解也能降低自由基數(shù)量，保證質(zhì)子交換膜擁有足夠的壽命。（燃料電池操作過程中總會產(chǎn)生大量自由基，這些自由基進攻膜材料，令膜材料逐步流失、變薄，影響膜壽命。）

催化劑層面，可以用高比表面體的載體，抗反擊的催化劑，以及氧化的載體，使用化學過濾器，確保氫氣和空氣潔凈不受污染，保證催化劑在整個壽命周期中活性不降低。

雙極板則需要采用防腐涂層，增加壽命。

另外一個影響主要因素是氫燃料以及氫設(shè)施問題。氫燃料和氫設(shè)施方面的問題主要包括制氫、氫的儲運和加氫，這在國內(nèi)是一個非常大的問題，需要我們花更多的精力去解決。

燃料電池用氫，那么氫從哪兒來？現(xiàn)階段制氫的方法很多，目前市場上大量的氫氣來源于天然氣制氫，它的價格基本上可以低于2美元／kg，滿足氫作為燃料的基本價格要求。

但未來的發(fā)展過程中，氫的主要來源需將逐步過度到從太陽能、風能等可再生能源制氫的方式，可以令氫氣的價格更加便宜。整體來看，當前的氫氣價格仍舊較高，需要改進方法，繼續(xù)強調(diào)降低制氫成本。

“超級工廠”解決方案

考慮當前燃料電池技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化方面存在的瓶頸，我們已經(jīng)采取了相應(yīng)對策。即通過基礎(chǔ)研究提高燃料電池的裝置效率，同時開發(fā)關(guān)鍵材料、技術(shù)，盡快實現(xiàn)材料和技術(shù)國產(chǎn)化，降低燃料電池的價格，設(shè)計材料、電堆、系統(tǒng)的一體化解決方案。

為此我們組建了深圳市南科燃料電池有限公司、深圳市通用氫能科技有限公司、深圳市南科動力科技有限公司三家公司，并規(guī)劃組建“超級工廠”，打通從材料到燃料電池系統(tǒng)完全自主的產(chǎn)業(yè)鏈條，最終解決燃料電池價格、性能問題，助力產(chǎn)業(yè)跨入商業(yè)化需求階段。

其中，南科燃料電池主營燃料電池電堆業(yè)務(wù)。目前我們已經(jīng)進行了膜電極生產(chǎn)，并進行了多版設(shè)計研究，生產(chǎn)的電堆產(chǎn)品已經(jīng)實現(xiàn)裝車試用。

通用氫能主要進行燃料電池材料方面研究，包括氣體擴散層關(guān)鍵材料、質(zhì)子交換膜關(guān)鍵材料的研究，部分產(chǎn)品性能已比肩國際大型材料公司。

南科動力主要進行系統(tǒng)集成研究，包括氫燃料電池電池系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)整車集成設(shè)計方案等。目前已完成30kW燃料電池系統(tǒng)工程樣機測試，45kW、60kW燃料電池系統(tǒng)樣機進入測試階段。目前南科動力正在搭建小批量產(chǎn)線，并與整車企業(yè)達成合作，將開展燃料電池大巴、物流車示范運營。