撰文 / 塗彥平
編輯 / 張 南
設計 / 師 超
氫能一向被視爲終極能源。根據國際氫能委員會的預測，氫能 2050 年左右在能源中的占比會達到 18%。
而氫能在汽車上的規模化應用——氫燃料電池汽車的普及，還需要很長一段時間。
6 月 15 日，在第十五屆中國汽車藍皮書論壇上，上海交通大學緻遠學院常務副院長、燃料電池研究所所長章俊良帶來題目爲《氫能與燃料電池汽車關鍵技術挑戰與希望》的演講。
他在演講中給出了一些關鍵數據。
綠氫在 2030 年有可能實現平價銷售。因爲電解槽規模增長、可再生能源大規模部署、電解裝備利用率持續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，預計 2028 年綠氫價格達到 2 美元 /kg 左右，2034 年左右綠氫實現平價。章俊良表示，在風光資源豐富的地域，綠氫更容易實現平價，比如光伏發電的電價在有的地方已經可以達到 0.1 元 /kWh。
到 2030 年，燃料電池汽車百公裏綜合成本和電動車基本持平，比燃油車更有優勢。
目前市場上電堆的價格在 1500 元 /kW 左右。章俊良認爲，随着材料技術進步 , 規模化效應提升以及政府政策激勵加強，未來幾年将實現電堆年單價目标 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大規模應用 "。
章俊良表示，如果能實現氫氣成本價 1 美元 /kg，從汽車百公裏燃料消耗角度來說，這将比柴油和汽油都更便宜。因此，他判斷，燃料電池汽車在經濟性上也快具備應用的條件了。
燃料電池汽車下一步發展的趨勢是什麽？一是向大功率發展，二是向低成本發展。
其中，國内燃料電池的功率密度現在能做到 6 千瓦 / 升左右，已經與國際水平相當。
而成本降低的關鍵則是貴金屬用量的降低。在一個電堆裏面催化劑成本占 40% 以上，而鉑金屬的成本不會随用量的增加而降低。
要解決這個問題，将來采用低鉑催化劑是趨勢。當然，低鉑化同時也會帶來一系列的技術挑戰。
貴金屬用量現在可以做到 0.2g/kW。章俊良判斷，"2025 年到 2030 年降至 0.1g/kW 以下，就可以實現燃料電池電堆規模化量産的準備了。"
以下是章俊良演講内容實錄。
非常感謝中國汽車藍皮書論壇的邀請，使我有機會向大家做一次彙報與技術交流。
在彙報交流前，我有機會聆聽了帥老師的精彩報告，非常受益。從我自身來講，從事能源動力工作已經有 30 多年，前 10 年做内燃機相關工作，後面的時間從事氫能與燃料電池相關工作，同時把内燃機相關的知識積累應用到了新的工作領域。
今天我的彙報題目是《氫能與燃料電池汽車關鍵技術挑戰與希望》。彙報内容分爲以下幾個部分。
綠氫 2030 年有可能實現平價銷售
我們知道碳達峰碳中和是國家戰略，前面幾位專家分享了很多信息，推動能源綠色、低碳、安全、高效轉型是實現雙碳目标的必由之路。
基于上海交大黃震院士團隊關于能源的數據統計和預測研究，了解到新能源将會從目前的補充能源逐漸向主體能源轉化。因爲目前可再生能源隻占能源總消費量百分之十幾，2060 年将達到 85%，占比的不斷提升将主要由風力發電和光伏發電裝機容量大幅提升來補充。2060 年新能源發電量将接近 70%。
氫能是新能源中的一種，當采用風力發電和光伏發電時，氫是非常好的儲能介質，化學品儲能，不變質，可以實現長周期大規模儲能。氫能在交通、工業、居民建築物用電、分布式發電站等領域，都會滲透進去。作爲一個能源的基本形态，經國際氫能委員會預測，氫能在 2050 年左右占比會達到 18%。
我們大家非常關心氫能的未來發展藍圖。這些顯示的内容一部分來源于我們調研的公開資料及專業研究報告，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據顯示，綠氫在 2030 年有可能實現平價銷售。主要有幾個因素。
一個是目前所使用的電解槽規模增長，它的成本會下降。目前堿水制氫占比高，将來 PEM（質子交換膜）電解槽制氫占比會不斷上升。現有應用結果調研發現，PEM 電解槽制氫更适用于可再生能源的特點。應對大規模制氫波谷和波峰的動态變化，PEM 電解槽制氫技術在安全性等方面更能體現優勢。
另外，可再生能源大規模部署也會帶來成本的下降。比如光伏發電和風力發電，尤其是光伏發電，在有的地方已經可以達到 0.1 元 /kWh。
還有電解裝備利用率持續提升。我們現在電解裝備不是滿負荷制氫，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，預計 2028 年綠氫價格達到 2 美元 /kg 左右，2034 年左右綠氫實現平價。在風光資源豐富的地域，發電成本非常低，綠氫更容易實現平價。
2030 年燃料電池汽車成本和電動汽車基本持平
從氫能産業上遊的制氫到中遊的儲氫加氫，加氫完了之後到下面的能源動力應用端，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。目前質子交換膜燃料電池發展最活躍，因爲其在能源轉化效率、工作溫度、負載響應速度以及環境适應性等方面綜合優勢最佳。
這裏我們也介紹一個比較樂觀的預測，講的是未來燃料電池汽車跟電動車和燃油車的一個比較，也就是百公裏綜合成本的比較，包括它裏面的加注氫氣 / 燃料成本或充電成本、維修保養成本、折舊成本。結論是，到 2030 年燃料電池汽車百公裏綜合成本和電動車基本持平，比燃油車更有優勢，如果考慮碳稅方面的因素。
以下是燃料電池電堆和系統的成本分解，基于做電堆研發和系統研發的經驗，圖中所顯示的數據比較貼近實際市場情況。2021 年每 kW 電堆價格兩千多元，現在市場上電堆價格在 1500 元 /kW 左右，随着材料技術進步 , 規模化效應提升以及政府政策激勵加強，未來幾年将實現電堆年單價目标 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大規模應用。
對于綠氫成本的變化趨勢預測其實每個國家差不多。以美國爲例，有一個 111 計劃，大概在 10 年内，到 2030 年左右，将實現 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。個人認爲非常有可能實現用電成本的下降達到預期目标。
現在有的地方可以做到光伏發電 9 分錢到 1 毛錢一度電，如一公斤氫氣按大約 50 度電計，那麽 1kg 氫氣就是 5 塊錢，加上儲運就是 10 來塊錢。所以，将來 1 美元 /kg 氫氣非常有可能實現。如果能實現氫氣成本價 1 美元 /kg，從汽車百公裏燃料消耗角度來說，這将比柴油和汽油都更便宜，大概是這麽一個趨勢。
因此，燃料電池汽車在經濟性上也快具備應用的條件了。
大功率、低成本是趨勢
再看燃料電池最近幾年的發展。
首先是汽車保有量，全球到 2021 年爲止是 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。
當然還有一個，大家關心的加氫站。從圖中過去的趨勢來看，發展速度非常快。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。加氫站的推廣發展，對普及氫燃料汽車有非常大的促進作用。
我國的産業政策對氫燃料電池給予了極大推動。去年國家發改委和國家能源局發布《氫能産業發展中長期規劃（2021-2035 年）》。2025 年燃料電池汽車推廣應用有望達到 5 萬輛，産業規模千億元。2030 年有望實現百萬輛級，達到萬億級别的産業規模。過去十年，國家各部委密集發布了很多跟氫燃料電池相關的一些新政策，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，下一步發展的趨勢是什麽？在我們看來可能是向大功率發展，向功率密度進一步提升發展以及向低成本發展。
過去 20 年，就是從功率密度角度講，功率密度由 1kW/L 提升現在 6kW/L 左右，市場上比較先進的燃料電池發動機大概是 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，到現在可以做到 0.2g/kW，我們研發出來就是 0.2g/kW 以下，2025 年到 2030 年降至 0.1g/kW 以下，可以實現燃料電池電堆規模化量産的準備了。
從成本分析來看，剛才提到了催化劑，爲什麽催化劑這麽重要？将 1000 輛車與 50 萬輛車相比，催化劑的成本占比越來越高，在一個電堆裏面催化劑成本占 40% 以上，因爲鉑金屬不會随用量增加而降低，而極闆、塗層都會越來越便宜。
從制造成本和技術角度來講，内燃機比燃料電池更複雜，所以燃料電池規模化制造将越來越便宜，從這個角度看規模化越來越有條件。
鉑用量降低到 0.1g/kW 以下
要解決這個問題，将來采用低鉑催化劑是趨勢。催化劑變了，膜電極和電堆設計都會有變化，極闆和氣體擴散層匹配也要變化，帶來了幾個技術的更新叠代。如果需要進一步降鉑的用量，會帶來一系列的其他更新。
我們現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。現在的水平是每 100 萬輛車 30 到 40 噸鉑。
據報道，去年全中國鉑的消費大概是 100 噸左右，燃料電池大規模使用對鉑的市場将造成巨大的沖擊，這個鉑用量不努力降下來，要大規模使用将變得很困難。我個人認爲，在 2030 年左右首先降到 0.15g/kW 以下，往後再努力降到 0.1g/kW 以下，将使燃料電池實現規模化量産。
低鉑化帶來技術挑戰，需要将催化劑、離聚物以及催化層等加入一些新的設計來完成。
總體來講，如果是采用低鉑燃料電池，對車用來說，低鉑發動機有三大問題。第一是高功率輸出，第二是長壽命運行，第三是複雜運行工況。高功率輸出，主要大電流區域性能會急劇惡化，還有長壽命運行，催化劑衰減加速，還有就是複雜運行工況，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，比如說高活性低成本的催化劑，電極動力學和傳質機理，材料和組件的設計和制造，電池組和系統集成，以及測試分析。在質子膜燃料電池，還有水電解制氫這兩塊都有做研發，主要是從深層機理開始，到核心材料研制，到後端的測試和驗證系統進行全面覆蓋。
燃料電池裏面反應方程式，氧還原變成水，氫氧化變成質子，也就是氫離子。氫氧化非常簡單，反應速度快；相比氫氧化反應，氧還原反應比較慢，對催化劑要求比較高。
一個想法，鉑含量在将來要降到 0.1g/kW 以下是什麽技術，在我看來就是把鉑用量最大限度地降低，降低的概念是什麽呢？把裏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，裏面是其他的金屬。因爲在燃料電池中起催化作用的是表面的原子，裏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，成爲一個效率最高的催化劑，用量也是最低的。我們開發出來的技術就是原子單層的催化劑。這裏顯示的是我們的工作，就是把顆粒做到納米化，一緻性好，全部做成球形，穩定性提高，鉑的質量比活性可以做到 10 倍以上。
我們在這個基礎之上開發了新的低溫下合成合金的催化劑，怎麽提升活性和穩定性。大部分合金催化劑是由高溫制備，如何用電化學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。
低鉑化傳質機理研究
膜電極低鉑化之後，燃料電池裏面電極的額外阻力怎麽來的，設計實驗将阻力進行了區分認識，對于進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意義。
研究顯示，如果在燃料電池發生鉑用量下降的時候，裏面的傳質機理全部改變了，尤其是電極裏面的傳質，當鉑載量降到 0.05g/kW 以下的時候，電極裏的傳質阻力占整個傳質阻力的 70% 以上，導緻燃料電池根本不能用。爲什麽現在要做到 0.2g/kW 以下非常困難，如果這個機理不清楚，要突破低鉑化技術，走向低鉑化燃料電池非常困難。我們在這個機理上做了很多研究。
簡單講一下，電極裏面氧氣傳質通過分子動力學來模拟是什麽過程，最主要的是碳顆粒和鉑表面的一個傳輸過程。在燃料電池裏面，電極裏面所說的三相界面，既需要有氧氣，又需要有電子，又需要有質子，電化學反應發生在催化劑表面、氧氣和離子聚合物交界的地方，這個時候質子導體是覆蓋在催化劑表面，如果質子導體不打開，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構，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，比如說钴原子的摻雜，是國際上應用的一款主流催化劑，钴溶解出來導緻了一系列的問題，這些事情如果機理上不清楚，優化它非常困難。
我們也對電堆的設計、電堆的裝配做了很多研究，包括裏面的流場的分布、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。
質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。現在研究最活躍的是酸性質子交換膜電解槽，傳統堿性電解槽已經實現了工業化，成本比較低。但爲了能夠适應可再生能源發電的間歇性、波動性和随機性，我認爲未來綠電制氫主流還是基于酸性質子交換膜電解槽更有機會。
基于更多場景适用考慮，現在堿性電解槽也在往堿性膜電解槽方向發展。堿性膜結合了堿水和質子膜的特點優勢，它的問題就是目前因堿性膜不夠成熟，還沒有商業化應用案例，技術發展還需要時間。
質子交換膜電解槽的問題在哪裏？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、雙極闆，其次是多孔擴散層（PTL）。
膜電極成本最大的是催化劑銥金屬和質子交換膜。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，是金屬钌的 15 倍左右，它們之間的相對價格會随着市場需求發生改變。
爲降低 PEM 電解槽的成本，銥金屬在質子膜電解制氫電解槽中需要被用到極緻，甚至被替代。初步研究發現 RuMn 合金因其性能和耐久性有望替代銥基材料，爲後續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，質子膜最大的優勢是可以實現大電流制氫，但是大電流工作陽極會産生更大量的氧氣，電極裏面的排氣做得不好會有很大的電壓損失，導緻效率下降。這裏面的電極過程怎麽優化也是非常大的技術障礙，現在研究所課題組也在做很多工作。
我們最終也出了催化劑、膜電極的産品，膜電極後面會講到有些應用，結合國家項目，我們研究出來了電解槽以及燃料電池系統樣機。值得大家關注的是，目前膜電極産品已經裝配了 6000 輛燃料電池汽車，去年根據第三方估計，我們孵化的唐鋒能源科技有限公司所生産的膜電極裝機量全國第一。
關于電堆系統和 PEM 電解槽，我們燃料電池研究所課題組孵化了另一個公司叫文景能源科技有限公司，大家可以關注一下，也是一個核心團隊在做它的技術研發。
我的報告内容介紹完畢，謝謝大家！
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