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協會(CAAM)主辦，世界汽車組織(OICA)、世界經濟論壇(WEF)唯一支持的行業頂級論壇。本屆論壇以「新變局 新挑戰 新思路——引領中國汽車新徵程」為主題，緊扣時代脈搏, 求索突破之道，緊密圍繞「十四五」規劃，把控宏觀產業形勢，解析全球汽車產業發展動態。其中，在8月14日下午舉辦的「氫能產業發展及燃料電池技術創新論壇」分論壇上，上海交通大學機械與工程學院燃料電池研究所所長章俊良發表了主題演講，以下為演講實錄：
上海交通大學機械與工程學院燃料電池研究所所長章俊良
章俊良：各位領導、各位專家、各位嘉賓，大家下午好!首先我要非常感謝主委會的邀請以及章老師的邀請，還有同濟大學老師的邀請，來參加這個會。我今天報告的題目是關於《質子交換膜、催化劑研發及應用》，我來自上海交通大學燃料系研究所。
我的報告分為以下三個部分。首先是燃料電池產業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，我就稍微補充一下。燃電池肯定跟氫能相關，其實氫能應該是未來能源解決的終極方案。在2050年之前，根據國際氫能協會、理事會的估計，氫能會佔到整個能源比重的18%會減少碳能量排放，交通領域從工業能源、從發電能源都慢慢轉向氫能使用。
關於氫能，其實裡面有個非常重要的環節，就是氫能的應用。當然在上遊的制氫、儲氫、加氫都是現在正在進行的產業。到下遊所有的能源動力行業，包括汽車、潛艇、飛機、發電，還有各種民用的叉車或者是能源動力領域，都需要用到氫能。在這裡，怎麼樣把氫能變成我們所需要的電能和動能?所以說燃料電池是屬於一個中樞環節。
國際上燃電池汽車產業已經步入了產業化的階段，這裡就不詳述，無論是德國的企業，還是美國的企業，或者是韓國的企業，都有自己的燃料電池汽車在銷售。它的性能已經達到了現代汽車的水平，國內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。
跟氫能相關的，一定要把加氫站建起來，沒有加氫站汽車是走不遠。2019年底國內已經建成了47座加氫站，在建設38座，預計2020年底建成100座，2025年建成300座，2030年建成1500座，也是支撐氫能產業發展的基礎。
當然燃料汽車的規模發展得益於中央政府和各級地方政府的支持，2020年預計的五千輛，2025年預計5萬輛，2030年預計實現100萬輛，所以發展非常快。
剛才盧總講了很多，燃料電池在汽車裡面是什麼角色?不管是轎車還是客車，它是作為替代柴油汽油機的動力技術，它會有鋰電池的混動，有了非常淺的小混動，我們這方面的專家，我主要是在電車裡面做一些工作。燃料電池就是在支撐汽車動力的裝置，它其實包括兩個方面，包括幾大系統。一個是氫氣、空氣供給系統、DCDC轉換，還有電堆，這些東西的核心就是電堆。電堆裡面又包括很多的元件，還有其他的密封材料，電堆也會跟所有的部件聯合起來發電，因為燃料電池是一個發電機，它的工作方式跟內燃機非常相似。
在電堆裡面，它會有膜電極，也有密封材料、端板、輔助部件，所有的電池是通過串聯的方式結合起來的，簡單講它用氫氣、空氣、氧氣，在兩個電極上發生反應，中間是質交的膜，所以我們叫質交膜燃料電池，它的效率非常高，能量密度比鋰電池，看跑的路途有多遠，可以達到5倍以上，它的三分鐘可以跑五百公裡以上。
在國際上，其實氫能源電池的產業鏈相對比較成熟，從原材料，比如催化劑、質極膜、密封材料、到所有的輔助部件，已經成為比較成熟的產業鏈。在我們國內的話，相對來說後端可能會更成熟一些，應該是從電堆開始到系統、到車做得更多，但是膜電極產業和質子膜、催化劑、密封材料、雙極板現在已經有不錯的產業，實際上雙極板的產品是很大的問題，在前端的產業鏈需要加大培育力度。
它發展的階段，國際上燃料電池壽命已經達到了商用車或者乘用車的要求。在商用車已經達到了25000小時。國內的話，也是功率密度每年都在提升，已經達到了3000W以上每升，裡面還需要設計、材料、部件進一步優化，現在是簡單的產業介紹。
燃料電池產業要大力度發展，它的成本還需要大幅度下降，至少達到今天的鋰電池水平。要達到那個水平，一方面是規模化效益得到提升，另外一塊就是部件和材料的核心技術要支撐規模化，如果說材料技術、部件技術沒有達到的話，規模化只能達到一定的程度，所以說對於燃料電池，尤其是降低成本這塊，它面臨什麼樣的瓶頸和挑戰?我今天和大家分享一下。第一個，它要低鉑化，燃料電池最核心的是電堆，電堆裡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，在量產的時候才能體現出來。
在燃料電池，無論是功率密度、低溫啟動，還是峰值的能量效率都已經達到了使用要求，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瓶頸是高性能、長壽命和低成本，一定要從原材料性能、結構設計、性能生產全方面提升。當你的生產量越來越多，它的成本會越來越集中到基本的材料，就是貴金屬材料和催化劑材料。
一個電堆裡面生產的電能量是50萬套，催化劑的成本會佔到40%以上，你要是再加上質子膜，整個MEA的成本超過60%以上，會達到70%。另外是雙極板能達到30%，所以說電堆裡面催化劑成為最大的單一成本的佔比。因此，下一代的燃料電池低鉑或者超低鉑化，或者採用非鉑乃至非貴金屬催化劑是我們的目標，還有提升單電池的性能。
在未來若干年，燃料電池成本怎麼下降?當然是各個方面。比如極板的功率密度，還有各個方面的優化生產，這裡面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。
可喜的是，在過去20年燃料電池如果談催化劑，它其實鉑單量已經下降了80%以上，每輛車下降到2019年0.3克以下，今天的水平應該是0.25左右每千瓦，未來是不是下到0.1克以下。如果低於0.1克每千瓦，可以大批量生產。
另外我們看看燃料電池的性能曲線。這裡面有電池的極化，歐姆極化和裡面的電阻，尤其是自主導電的電阻，還有裡面的傳質極化，現在歐姆極化越來越小了，尤其隨著質子膜越來越薄，達到五個微米到八個微米，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，但是電子化學的極化涉及到催化劑本質的催化活性當你用超低鉑催化劑的時候，電池裡面帶著一些問題，這兩塊基本上是1：1。
對於電化和極化，我們要找到催化劑提高催化活性。每當質量的表面積越來越大，如果專家燃電池的工作壓力，氣壓和溫度會一定程度上提高催化的活性，降低極化。
另外一塊是當燃料電池超低鉑化之後，技術的瓶頸主要是來自傳質。在通常的高鉑載量的話，基本上是忽略不計，當鉑載量低於0.1的時候，電池裡面的傳質達到70%。什麼概念?當你採用低鉑化的時候，電池裡面的傳質極化會超過30%，是沒法用的，這是最大的問題。
怎麼樣來克服這些問題?第一個問題就是怎麼樣提高催化活性，同時又提高表面積。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，到第二代實現量產，非常核心的一塊是磨鍊你的智慧，從整個加量到成形，到封裝都是非常核心的技術。
在測試這塊，也是非常關鍵的一塊。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，我們在第三代開發已經達到了非常高的水平，也就是說能夠達到十倍的活性，當然是在小電池上面測試。
這個主要是展示單層的核心技術，可以達到乘用車燃料電池的要求。歐姆極化主要是怎麼樣提高質子導電率。電極裡面主要是跟膜裡的導電率不一樣，尤其當我們的載量下降的時候，越來越集中到某一個局域的地方，微區域的質子導電，跟厚膜的導電完全不一樣。當你的膜越來越薄，到4、5個納米，導電率會下降一個數量級以上，這是我們的研究結果，現在也正在優化。具體的內容不多說了，還有催化劑衰減行為怎麼控制，在電級裡面催化劑的衰減，主要是作為對非射性的設計來提高通量。
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計，可以提高傳質的流量，這樣的話，在電堆裡面，可以控制它的組織方式，提高整個電池的性能。還有電堆裝配壓力對性能的影響，不同的組織模式、不同的膜電極都會有不同的影響。
總之來講就是三個方面，一個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，還有範圍運行的矛盾。根據以前的研究成果也孵化了唐鋒能源科技有限公司，這個公司目前是研發人員接近40個人，年產膜電極40萬片，這是我們的膜電極產品，鉑載量低於0.25克每千瓦，低溫啟動零下30度，這個是一些指標，目前的話，2020年可以滿足1000輛車的要求，到2023年隨著二期生產線的投產，應該是9月份可以初步投產，2023年可以達到將近500萬片的產能。
我簡單的放個視頻。
(視頻)
我給大家總結一下，在國內外燃料電池汽車產業鏈正在逐步成熟，已進入產業化導入期;與發達國家相比，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。低成本燃料電池發展主要受制於超低鉑催化劑及膜電極發展;膜電極、極板及電堆的匹配設計和工程化實現，協同系統控制策略及其他部件的同步開發是未來燃料電池的發展方向。謝謝大家!
(註：本文根據現場速記整理，未經演講嘉賓審閱)