近日，在第十五屆中國汽車藍(lán)皮書論壇上，上海交通大學(xué)致遠(yuǎn)學(xué)院常務(wù)副院長、燃料電池研究所所長章俊良帶來題目為《氫能與燃料電池汽車關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)與希望》的演講。
他在演講中給出了一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)。
綠氫在2030年有可能實現(xiàn)平價銷售。因為電解槽規(guī)模增長、可再生能源大規(guī)模部署、電解裝備利用率持續(xù)提升等都能帶來綠氫成本的降低。
如果計入二氧化碳排放成本，預(yù)計2028年綠氫價格達(dá)到2美元/kg左右，2034年左右綠氫實現(xiàn)平價。章俊良表示，在風(fēng)光資源豐富的地域，綠氫更容易實現(xiàn)平價，比如光伏發(fā)電的電價在有的地方已經(jīng)可以達(dá)到0.1元/kWh。
到2030年，燃料電池汽車百公里綜合成本和電動車基本持平，比燃油車更有優(yōu)勢。
目前市場上電堆的價格在1500元/kW左右。章俊良認(rèn)為，隨著材料技術(shù)進(jìn)步,規(guī)?；?yīng)提升以及政府政策激勵加強(qiáng)，未來幾年將實現(xiàn)電堆年單價目標(biāo)1200元/kW、1000元/kW甚至800元/kW的逐步下降。
燃料電池全生命周期擁有的技術(shù)成本越來越低了，但是最大的成本——氫的成本，“到2030年如果降不下來，燃料電池汽車還是不能實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用”。
章俊良表示，如果能實現(xiàn)氫氣成本價1美元/kg，從汽車百公里燃料消耗角度來說，這將比柴油和汽油都更便宜。因此，他判斷，燃料電池汽車在經(jīng)濟(jì)性上也快具備應(yīng)用的條件了。
燃料電池汽車下一步發(fā)展的趨勢是什么？一是向大功率發(fā)展，二是向低成本發(fā)展。
其中，國內(nèi)燃料電池的功率密度現(xiàn)在能做到6千瓦/升左右，已經(jīng)與國際水平相當(dāng)。
而成本降低的關(guān)鍵則是貴金屬用量的降低。在一個電堆里面催化劑成本占40%以上，而鉑金屬的成本不會隨用量的增加而降低。
要解決這個問題，將來采用低鉑催化劑是趨勢。當(dāng)然，低鉑化同時也會帶來一系列的技術(shù)挑戰(zhàn)。
貴金屬用量現(xiàn)在可以做到0.2g/kW。章俊良判斷，“2025年到2030年降至0.1g/kW以下，就可以實現(xiàn)燃料電池電堆規(guī)?；慨a(chǎn)的準(zhǔn)備了。”
以下是章俊良演講內(nèi)容實錄：
今天我的匯報題目是《氫能與燃料電池汽車關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)與希望》。匯報內(nèi)容分為以下幾個部分。
綠氫2030年有可能實現(xiàn)平價銷售
我們知道碳達(dá)峰碳中和是國家戰(zhàn)略，前面幾位專家分享了很多信息，推動能源綠色、低碳、安全、高效轉(zhuǎn)型是實現(xiàn)雙碳目標(biāo)的必由之路。
基于上海交大黃震院士團(tuán)隊關(guān)于能源的數(shù)據(jù)統(tǒng)計和預(yù)測研究，了解到新能源將會從目前的補(bǔ)充能源逐漸向主體能源轉(zhuǎn)化。因為目前可再生能源只占能源總消費量百分之十幾，2060年將達(dá)到85%，占比的不斷提升將主要由風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電裝機(jī)容量大幅提升來補(bǔ)充。2060年新能源發(fā)電量將接近70%。
氫能是新能源中的一種，當(dāng)采用風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電時，氫是非常好的儲能介質(zhì)，化學(xué)品儲能，不變質(zhì)，可以實現(xiàn)長周期大規(guī)模儲能。氫能在交通、工業(yè)、居民建筑物用電、分布式發(fā)電站等領(lǐng)域，都會滲透進(jìn)去。作為一個能源的基本形態(tài)，經(jīng)國際氫能委員會預(yù)測，氫能在2050年左右占比會達(dá)到18%。
我們大家非常關(guān)心氫能的未來發(fā)展藍(lán)圖。這些顯示的內(nèi)容一部分來源于我們調(diào)研的公開資料及專業(yè)研究報告，一部分來自氫能委員會的報告，并被很多媒體引用。比較讓人興奮的測算數(shù)據(jù)顯示，綠氫在2030年有可能實現(xiàn)平價銷售。主要有幾個因素。
一個是目前所使用的電解槽規(guī)模增長，它的成本會下降。目前堿水制氫占比高，將來PEM（質(zhì)子交換膜）電解槽制氫占比會不斷上升?，F(xiàn)有應(yīng)用結(jié)果調(diào)研發(fā)現(xiàn)，PEM電解槽制氫更適用于可再生能源的特點。應(yīng)對大規(guī)模制氫波谷和波峰的動態(tài)變化，PEM電解槽制氫技術(shù)在安全性等方面更能體現(xiàn)優(yōu)勢。
另外，可再生能源大規(guī)模部署也會帶來成本的下降。比如光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電，尤其是光伏發(fā)電，在有的地方已經(jīng)可以達(dá)到0.1元/kWh。
還有電解裝備利用率持續(xù)提升。我們現(xiàn)在電解裝備不是滿負(fù)荷制氫，如利用率越來越高，成本會不斷降低。
計入二氧化碳排放成本，預(yù)計2028年綠氫價格達(dá)到2美元/kg左右，2034年左右綠氫實現(xiàn)平價。在風(fēng)光資源豐富的地域，發(fā)電成本非常低，綠氫更容易實現(xiàn)平價。
2030年燃料電池汽車成本和電動汽車基本持平
從氫能產(chǎn)業(yè)上游的制氫到中游的儲氫加氫，加氫完了之后到下面的能源動力應(yīng)用端，都可能會用到燃料電池。
其實燃料電池是一個非常大的家族，有質(zhì)子交換膜燃料電池、磷酸燃料電池和固體氧化物燃料電池等等。目前質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)展最活躍，因為其在能源轉(zhuǎn)化效率、工作溫度、負(fù)載響應(yīng)速度以及環(huán)境適應(yīng)性等方面綜合優(yōu)勢最佳。
這里我們也介紹一個比較樂觀的預(yù)測，講的是未來燃料電池汽車跟電動車和燃油車的一個比較，也就是百公里綜合成本的比較，包括它里面的加注氫氣/燃料成本或充電成本、維修保養(yǎng)成本、折舊成本。結(jié)論是，到2030年燃料電池汽車百公里綜合成本和電動車基本持平，比燃油車更有優(yōu)勢，如果考慮碳稅方面的因素。
以下是燃料電池電堆和系統(tǒng)的成本分解，基于做電堆研發(fā)和系統(tǒng)研發(fā)的經(jīng)驗，圖中所顯示的數(shù)據(jù)比較貼近實際市場情況。2021年每kW電堆價格兩千多元，現(xiàn)在市場上電堆價格在1500元/kW左右，隨著材料技術(shù)進(jìn)步,規(guī)模化效應(yīng)提升以及政府政策激勵加強(qiáng)，未來幾年將實現(xiàn)電堆年單價目標(biāo)1200元/kW、1000元/kW甚至800元/kW的逐步下降。
由上一頁可知，燃料電池全生命周期擁有的技術(shù)成本越來越低了，但是它有一塊最大的成本是氫的成本，到2030年如果降不下來，燃料電池汽車還是不能實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。
對于綠氫成本的變化趨勢預(yù)測其實每個國家差不多。以美國為例，有一個111計劃，大概在10年內(nèi)，到2030年左右，將實現(xiàn)1kg氫氣的成本在1美元左右。最大的一個訴求是用電成本要下降，所謂用電成本下降，一方面是電費單價下降，另外一方面是電解裝備效率提升，使每公斤氫氣制取所消耗的電量下降。個人認(rèn)為非常有可能實現(xiàn)用電成本的下降達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。
現(xiàn)在有的地方可以做到光伏發(fā)電9分錢到1毛錢一度電，如一公斤氫氣按大約50度電計，那么1kg氫氣就是5塊錢，加上儲運就是10來塊錢。所以，將來1美元/kg氫氣非常有可能實現(xiàn)。如果能實現(xiàn)氫氣成本價1美元/kg，從汽車百公里燃料消耗角度來說，這將比柴油和汽油都更便宜，大概是這么一個趨勢。
因此，燃料電池汽車在經(jīng)濟(jì)性上也快具備應(yīng)用的條件了。
大功率、低成本是趨勢
再看燃料電池最近幾年的發(fā)展。
首先是汽車保有量，全球到2021年為止是5萬輛左右，2021年這一年增加了16000多輛，去年中國增加了大約5000輛車，應(yīng)該是排世界前三，中國的燃料電池汽車有明顯增加的趨勢。目前全球五六萬輛燃料電池車在路上跑，其安全性是非常有保障。
當(dāng)然還有一個，大家關(guān)心的加氫站。從圖中過去的趨勢來看，發(fā)展速度非?？?。全球2021年新增124座加氫站，截止到2021年總共擁有685座，其中中國105座，計劃到2025年增加到幾百座。加氫站的推廣發(fā)展，對普及氫燃料汽車有非常大的促進(jìn)作用。
我國的產(chǎn)業(yè)政策對氫燃料電池給予了極大推動。去年國家發(fā)改委和國家能源局發(fā)布《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021-2035年）》。2025年燃料電池汽車推廣應(yīng)用有望達(dá)到5萬輛，產(chǎn)業(yè)規(guī)模千億元。2030年有望實現(xiàn)百萬輛級，達(dá)到萬億級別的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。過去十年，國家各部委密集發(fā)布了很多跟氫燃料電池相關(guān)的一些新政策，包括能源，包括汽車動力等方方面面的。
對于燃料電池汽車來講，下一步發(fā)展的趨勢是什么？在我們看來可能是向大功率發(fā)展，向功率密度進(jìn)一步提升發(fā)展以及向低成本發(fā)展。
過去20年，就是從功率密度角度講，功率密度由1kW/L提升現(xiàn)在6kW/L左右，市場上比較先進(jìn)的燃料電池發(fā)動機(jī)大概是5kW/L到6kW/L，與國際是平齊的。
另外，從貴金屬用量上看，從2000年左右1.1g/kW，到現(xiàn)在可以做到0.2g/kW，我們研發(fā)出來就是0.2g/kW以下，2025年到2030年降至0.1g/kW以下，可以實現(xiàn)燃料電池電堆規(guī)模化量產(chǎn)的準(zhǔn)備了。
從成本分析來看，剛才提到了催化劑，為什么催化劑這么重要？將1000輛車與50萬輛車相比，催化劑的成本占比越來越高，在一個電堆里面催化劑成本占40%以上，因為鉑金屬不會隨用量增加而降低，而極板、涂層都會越來越便宜。
從制造成本和技術(shù)角度來講，內(nèi)燃機(jī)比燃料電池更復(fù)雜，所以燃料電池規(guī)?；圃鞂⒃絹碓奖阋?，從這個角度看規(guī)模化越來越有條件。
鉑用量降低到0.1g/kW以下
要解決這個問題，將來采用低鉑催化劑是趨勢。催化劑變了，膜電極和電堆設(shè)計都會有變化，極板和氣體擴(kuò)散層匹配也要變化，帶來了幾個技術(shù)的更新迭代。如果需要進(jìn)一步降鉑的用量，會帶來一系列的其他更新。
我們現(xiàn)在市場上買到的商用鉑催化劑，0.3-0.4g/kW，如果需要降到0.1g以下還有很多工作需要做。如果一年有100萬輛車，鉑用量能降到0.15g/kW也就是15g鉑每100kW，100萬輛車大概需要15噸的鉑?，F(xiàn)在的水平是每100萬輛車30到40噸鉑。
據(jù)報道，去年全中國鉑的消費大概是100噸左右，燃料電池大規(guī)模使用對鉑的市場將造成巨大的沖擊，這個鉑用量不努力降下來，要大規(guī)模使用將變得很困難。我個人認(rèn)為，在2030年左右首先降到0.15g/kW以下，往后再努力降到0.1g/kW以下，將使燃料電池實現(xiàn)規(guī)模化量產(chǎn)。
低鉑化帶來技術(shù)挑戰(zhàn)，需要將催化劑、離聚物以及催化層等加入一些新的設(shè)計來完成。
總體來講，如果是采用低鉑燃料電池，對車用來說，低鉑發(fā)動機(jī)有三大問題。第一是高功率輸出，第二是長壽命運行，第三是復(fù)雜運行工況。高功率輸出，主要大電流區(qū)域性能會急劇惡化，還有長壽命運行，催化劑衰減加速，還有就是復(fù)雜運行工況，零增濕或低濕條件下等都會有問題。
我們上海交大燃料電池研究所和課題組長期做燃料電池的研發(fā)，比如說高活性低成本的催化劑，電極動力學(xué)和傳質(zhì)機(jī)理，材料和組件的設(shè)計和制造，電池組和系統(tǒng)集成，以及測試分析。在質(zhì)子膜燃料電池，還有水電解制氫這兩塊都有做研發(fā)，主要是從深層機(jī)理開始，到核心材料研制，到后端的測試和驗證系統(tǒng)進(jìn)行全面覆蓋。
燃料電池里面反應(yīng)方程式，氧還原變成水，氫氧化變成質(zhì)子，也就是氫離子。氫氧化非常簡單，反應(yīng)速度快；相比氫氧化反應(yīng)，氧還原反應(yīng)比較慢，對催化劑要求比較高。
一個想法，鉑含量在將來要降到0.1g/kW以下是什么技術(shù)，在我看來就是把鉑用量最大限度地降低，降低的概念是什么呢？把里面的每個鉑原子用起來，做成類似雞蛋殼型的催化劑，也就是鉑原子全部在表面，里面是其他的金屬。因為在燃料電池中起催化作用的是表面的原子，里面的原子不直接起作用，就是一個顆粒。即使3個納米的顆粒，也有75%的原子不暴露，25%的原子在表面。
如果能把所有的原子都暴露在表面上來，成為一個效率最高的催化劑，用量也是最低的。我們開發(fā)出來的技術(shù)就是原子單層的催化劑。這里顯示的是我們的工作，就是把顆粒做到納米化，一致性好，全部做成球形，穩(wěn)定性提高，鉑的質(zhì)量比活性可以做到10倍以上。
我們在這個基礎(chǔ)之上開發(fā)了新的低溫下合成合金的催化劑，怎么提升活性和穩(wěn)定性。大部分合金催化劑是由高溫制備，如何用電化學(xué)方法低溫下做到更好的效果，過去幾年我們有效地解決了這個問題。
低鉑化傳質(zhì)機(jī)理研究
膜電極低鉑化之后，燃料電池里面電極的額外阻力怎么來的，設(shè)計實驗將阻力進(jìn)行了區(qū)分認(rèn)識，對于進(jìn)一步提升低鉑燃料電池的性能，尤其大電流的性能具有非常大的指導(dǎo)意義。
研究顯示，如果在燃料電池發(fā)生鉑用量下降的時候，里面的傳質(zhì)機(jī)理全部改變了，尤其是電極里面的傳質(zhì)，當(dāng)鉑載量降到0.05g/kW以下的時候，電極里的傳質(zhì)阻力占整個傳質(zhì)阻力的70%以上，導(dǎo)致燃料電池根本不能用。為什么現(xiàn)在要做到0.2g/kW以下非常困難，如果這個機(jī)理不清楚，要突破低鉑化技術(shù)，走向低鉑化燃料電池非常困難。我們在這個機(jī)理上做了很多研究。
簡單講一下，電極里面氧氣傳質(zhì)通過分子動力學(xué)來模擬是什么過程，最主要的是碳顆粒和鉑表面的一個傳輸過程。在燃料電池里面，電極里面所說的三相界面，既需要有氧氣，又需要有電子，又需要有質(zhì)子，電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在催化劑表面、氧氣和離子聚合物交界的地方，這個時候質(zhì)子導(dǎo)體是覆蓋在催化劑表面，如果質(zhì)子導(dǎo)體不打開，三相界面就非常小。
我們通過一個方法就把它變成多孔型的結(jié)構(gòu)，使它整個三相界面極大地增加。
另外，高活性的合金催化劑也帶來很多問題，尤其是貴金屬，加上過渡金屬，比如說鈷原子的摻雜，是國際上應(yīng)用的一款主流催化劑，鈷溶解出來導(dǎo)致了一系列的問題，這些事情如果機(jī)理上不清楚，優(yōu)化它非常困難。
我們也對電堆的設(shè)計、電堆的裝配做了很多研究，包括里面的流場的分布、診斷和測試，我們交大燃料電池研究所實驗室有成套的技術(shù)。
質(zhì)子交換膜電解槽是大趨勢
電解水制氫涉及的裝置有堿性電解槽和酸性電解槽?，F(xiàn)在研究最活躍的是酸性質(zhì)子交換膜電解槽，傳統(tǒng)堿性電解槽已經(jīng)實現(xiàn)了工業(yè)化，成本比較低。但為了能夠適應(yīng)可再生能源發(fā)電的間歇性、波動性和隨機(jī)性，我認(rèn)為未來綠電制氫主流還是基于酸性質(zhì)子交換膜電解槽更有機(jī)會。
基于更多場景適用考慮，現(xiàn)在堿性電解槽也在往堿性膜電解槽方向發(fā)展。堿性膜結(jié)合了堿水和質(zhì)子膜的特點優(yōu)勢，它的問題就是目前因堿性膜不夠成熟，還沒有商業(yè)化應(yīng)用案例，技術(shù)發(fā)展還需要時間。
質(zhì)子交換膜電解槽的問題在哪里？目前一個最大的問題是成本太高了。把成本分解出來，我們可以看出來，針對兆瓦級制氫電解槽，它最大的成本是膜電極、雙極板，其次是多孔擴(kuò)散層（PTL）。
膜電極成本最大的是催化劑銥金屬和質(zhì)子交換膜。銥在地球上的儲存量是鉑的6%到8%，其價格是鉑的3倍以上，是金屬釕的15倍左右，它們之間的相對價格會隨著市場需求發(fā)生改變。
為降低PEM電解槽的成本，銥金屬在質(zhì)子膜電解制氫電解槽中需要被用到極致，甚至被替代。初步研究發(fā)現(xiàn)RuMn合金因其性能和耐久性有望替代銥基材料，為后續(xù)低成本電解水制氫膜電極打開了另外一個大門。
電解制氫還有一個問題，質(zhì)子膜最大的優(yōu)勢是可以實現(xiàn)大電流制氫，但是大電流工作陽極會產(chǎn)生更大量的氧氣，電極里面的排氣做得不好會有很大的電壓損失，導(dǎo)致效率下降。這里面的電極過程怎么優(yōu)化也是非常大的技術(shù)障礙，現(xiàn)在研究所課題組也在做很多工作。
我們最終也出了催化劑、膜電極的產(chǎn)品，膜電極后面會講到有些應(yīng)用，結(jié)合國家項目，我們研究出來了電解槽以及燃料電池系統(tǒng)樣機(jī)。值得大家關(guān)注的是，目前膜電極產(chǎn)品已經(jīng)裝配了6000輛燃料電池汽車，去年根據(jù)第三方估計，我們孵化的唐鋒能源科技有限公司所生產(chǎn)的膜電極裝機(jī)量全國第一。
原標(biāo)題：章俊良：2030年燃料電池汽車成本和電動汽車基本持平
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