趙榮博：氫燃料核心零部件的機遇與挑戰(zhàn)

編者按：9月14日，第五屆未來能源大會舉辦氫能技術與應用發(fā)展專題論壇，聚焦于氫能領域的前沿技術和應用發(fā)展。本次論壇由中國能源研究會氫能專業(yè)委員會秘書長徐文輝主持，與會專家學者從氫能技術的標準、前沿技術研究和應用案例等幾個方面，對氫能產(chǎn)業(yè)以及未來能源的可持續(xù)發(fā)展展開深入探討。

中汽創(chuàng)智科技有限公司氫燃料產(chǎn)品應用高級工程師、江蘇省氫燃料電池汽車標準化委員會副秘書長趙榮博先生作了《氫燃料核心零部件的機遇與挑戰(zhàn)》演講。

以下內(nèi)容根據(jù)論壇演講實錄進行整理。

趙榮博：各位領導：大家好!剛才也聽到了我們行業(yè)內(nèi)的各種大咖從制氫包括后期的新的標準的應用制定方面的分享。我這邊針對我們現(xiàn)在氫燃料電池電堆的核心關鍵零部件的機遇和挑戰(zhàn)做一個分享。

氫燃料電池的應用場景是非常廣泛的，制儲運氫氣是我們的上游環(huán)節(jié)，而我們的下游環(huán)節(jié)就是氫燃料電池的一個廣泛應用，在這個廣泛應用的前景上面，氫燃料電池這一部分，氫燃料電池的最核心其實就是它的膜電極。我們每個電堆里面有幾十片核心關鍵的膜電極，以及雙極板等材料購置而成，目前我們主要是從研發(fā)階段到量產(chǎn)的一個關鍵階段。研發(fā)階段主要涉及到我們材料層級的研發(fā)，里面包括一些催化劑，然后質(zhì)子交換膜，膜電極等材料。但是在結構方面的量產(chǎn)，其實我們現(xiàn)在已經(jīng)有了一些小規(guī)模的應用，尤其是在國內(nèi)的西北地區(qū)，還有上海，也就是剛才領導們提到了氫燃料電池的3+2國家示范城市群。

目前我們氫燃料電池其實已經(jīng)廣泛的應用在了固定式發(fā)電，然后便攜發(fā)電，交通領域肯定是很多的，包括一些特種機械，這些特種機械包括一些氫燃料的航空飛機，然后四旋翼的無人機等方面。

膜電極作為氫燃料電池關鍵核心心臟，其實對電池的性能壽命起到了很關鍵的作用，重量很輕，僅占氫燃料電池重量整體的7%左右，但是卻占到了整體電堆成本的70%。這當中存在一個很大的問題，科學研究與工程應用之間是存在一定的不匹配性的，我們科學研究更多的做了膜電極的基理探索，然后一個精準的合成，以及膜電極的結構設計。但是如何把這些性能體現(xiàn)在燃料電池的高效率、長壽命以及低成本方面，目前我們存在的這些問題，其實就是我們現(xiàn)在的一些瓶頸。

膜電極當中的關鍵材料，催化劑，質(zhì)子交換膜和氣體擴散層，這些技術長期被國外壟斷，比如說日本、歐美國家。國內(nèi)的市場催化劑目前也有很多公司在做，然后國產(chǎn)的催化劑其實就是左上角圖中灰色的這一部分，其實市占率并不太高。中間的質(zhì)子交換膜的山東的這家公司目前是我們國內(nèi)的龍頭，但是其他的膜電極的企業(yè)只有占3%，然后GDL也是一樣，日本東立他們占據(jù)了很多GDL這方面的核心技術以及產(chǎn)品。

那么我們?nèi)绾瓮黄七@些點，然后使我們國內(nèi)的氫燃料電池在性能、壽命以及成本方面逐漸追上甚至趕超國際的這些頭部企業(yè)呢?我們對氫燃料電池汽車做了一個大致的對比，與鋰電池汽車以及目前的燃油車。其實燃油汽車到目前為止行業(yè)的體量已經(jīng)非常大了，發(fā)動機經(jīng)過了幾十年在國內(nèi)的發(fā)展，早已經(jīng)技術非常成熟，市場規(guī)模也是穩(wěn)定的，行業(yè)集中度是非常高的，各大傳統(tǒng)的車企都在做燃油汽車。鋰電池汽車其實現(xiàn)在行業(yè)是高速增長的，國內(nèi)的寧德時代等一些企業(yè)都做了很多的相關工作，而且市占率也是越來越高，包括比亞迪。

商業(yè)模式也是非常清晰，但是目前鋰電行業(yè)的競爭也是格外激烈的。但是氫能行業(yè)這是一個剛才我們局長說的是在氫能行業(yè)是相當于十年之后的鋰電，那么現(xiàn)在氫能行業(yè)的研發(fā)費用是比較高的，市場也是相對小的，它需要區(qū)分具體的運營場景和運營規(guī)模。目前涉及氫燃料的創(chuàng)業(yè)公司其實非常多，全國可能有幾千家，所以這也是一個高風險，但是未來也會有高收益的行業(yè)。

我們國家的金屬重度依賴進口，我們鋰電池當中常用的鉑、鈷、鎳等等主要都是依靠國外進口的。按照純電動汽車和氫燃料電池汽車的每年銷量對比，純電動汽車已經(jīng)達到了689萬，但是我們的銷量還是下面這條綠線，銷量是比較小的。但是我們根據(jù)市場預測，到2028年的時候，氫燃料電池汽車將會達到一個非常好的數(shù)量。

氫燃料電池汽車其實前期更多的廠家都是在做一些前期的導入，用公交車以及常用的灑水車，或者是輕卡車，包括北汽福田、一汽解放這些公司都做了一些導入。但是大家都知道，公交市場目前來說，很多的城市公交的車輛是在萎縮的，因為沒有很多人再繼續(xù)去坐公交車了，更多的都是私家車出行。所以后面我們還是要考慮氫燃料電池汽車的規(guī)范化示范，一定是要從中重卡，以及中長途的客運、冷鏈和環(huán)衛(wèi)、物流，因為這些商用車都是要多拉快跑的。在未來的商業(yè)化發(fā)展當中，肯定是要多場景應用，這個多場景不光是我們現(xiàn)在考慮到的西北地區(qū)的一些煤廠，其實還有我們國內(nèi)很多的鋼廠、金屬企業(yè)、干線物流，這些都是我們未來可以導入的一個商業(yè)化發(fā)展的多場景應用場景。

隨著氫燃料電池國產(chǎn)化的進程以及產(chǎn)業(yè)化的規(guī)模不斷加大，其實氫燃料的產(chǎn)業(yè)整體以及零部件的核心成本是一個明顯的下降趨勢?？梢钥吹狡鋵嵲?022年的時候，我們這個成本就已經(jīng)到了一個每千瓦1300到1500元的趨勢，一直在下降。這張圖主要是介紹一下膜電極行業(yè)在目前我們發(fā)展的一個情況，這個膜電極的發(fā)展趨勢一定是朝著高壽命以及高性能，然后低鉑載量、高電壓、高工作溫度的方向發(fā)展。

大家可以看到左邊的這個圖，就是膜電極當中的鉑載量是一定會不斷下降的，紅色的這條線是伴隨著鉑載量下降，膜電極的性能功率指標是在不斷上升的，這個其實就是膜電極的一個X曲線。根據(jù)這個X曲線，日本的NEDO氫燃料也做了相應的規(guī)劃，可以看到右邊這幅圖上，這些曲線通常來理解就是這個曲線越長越平緩，那么氫燃料電堆膜電極的效率以及它的性能指標是越高的。可以看到這個2023年的這條線是一條黑色的線，它相比在單體的電壓方面還是略低于未來的規(guī)劃，就是2040年的目標的。

我現(xiàn)在是屬于中汽創(chuàng)智做產(chǎn)品應用的高級工程師，中汽創(chuàng)智這家公司是由中國一汽東風、長安以及中國兵裝集團還有南京市的江寧經(jīng)開科技共同注資160億成立的。在這個下轄當中，我們分了三個部分，是智能底盤部分，以及智能網(wǎng)聯(lián)部分，其中新能動力部分主要就是解決氫燃料各種卡脖子問題，以及氫燃料的研發(fā)、生產(chǎn)和后期的示范落地。我們的開發(fā)按照剝洋蔥的形式，一層一層的包裹，我們通過兩步走的方式，從2023年開始，持續(xù)加大研發(fā)膜電極的相關材料以及膜電極的合成工藝。

在這個過程當中，其實說是洋蔥，我們可能更多關注的還是催化劑、膜電極、雙極板以及電堆“四位一體”的研發(fā)設施，這四個作為很關鍵的核心材料，我們既要保護它的高性能，又要保護它的低成本，同時還要保護它的高可靠。只有這樣的上了車之后，可能我們才會達到我們整體性能的最優(yōu)。我們也是列舉了這四個關鍵核心零部件所要做的研發(fā)任務點以及未來的方向。

我們的開發(fā)過程，因為氫燃料電池是一個相對全新的行業(yè)，整體的開發(fā)過程，我們還是沿用傳統(tǒng)的V字型的開發(fā)流程，每一個部件都經(jīng)過嚴格的仿真，從微米級到厘米級到米級的一個全方位的判斷和測試。然后完成一個整體由車輛的需求端給輸入，然后進行關鍵材料的技術改進，催化劑、質(zhì)子交換膜、氣體擴散層這些關鍵材料的技術研發(fā)和突破，然后進行技術優(yōu)化以及產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)。最后使我們做成的高性能的膜電極達到一個批量化制備的技術，然后合成一個完整的高性能、大功率、長壽命的氫燃料電池電堆，應用于車輛示范，然后以及未來的規(guī)?；袌?。這是我們的一個整體路線，然后結合V字型開發(fā)流程，保證我們的產(chǎn)品質(zhì)量是完全靠譜、穩(wěn)定的。

這一頁其實最右邊那幅圖是我們現(xiàn)在的一個從氫端到材料端，從上游到下游的一個規(guī)劃情況。目前我們也是想要搶抓這個示范運營的落地，包括一些灑水車，然后垃圾清運車，抑塵車、洗掃車、網(wǎng)約車以及大功率的重卡的示范運營情況。

因為膜電極是一個非常關鍵的核心零部件，所以我們也進行的研發(fā)中心和生產(chǎn)基地的保障。在這個當中，我們已經(jīng)建成了1350平方的研發(fā)實驗室，專門負責膜電極材料的研發(fā)以及實驗。未來我們可能在2025年將會完成一個3.4萬平方米的研發(fā)基地建設，這個基地將會涵概我們所有氫燃料涉及的關鍵核心零部件，以及氫燃料電極、電堆的測試和相關工作。

右側是我們進行關鍵核心零部件研發(fā)，從2023年到2025年的研發(fā)能力的發(fā)展規(guī)劃，一直到2025年可能會達到2.72伏的電力水平。為了支撐這些，我們現(xiàn)在在南京市兩區(qū)四地建立了研發(fā)中心以及測試基地。目前可以看到，在右上角那幅圖中，江北的化工園其實是我們一個大面積的涉氫實驗場所，這個實驗場所當中我們的用氫量是非常大的，所有的涉及高能耗的實驗都會在這里進行。

目前我們在膜電極、催化劑、質(zhì)子交換膜方面我們布局了55項的發(fā)明專利，而且根據(jù)這些我們已經(jīng)進展的膜電極方面的研究，我們同時拿到了國家科技部“十四五”重大專項，高性能、低成本燃料電池膜電極的產(chǎn)業(yè)化制備項目。同時我們的膜電極在2023年已經(jīng)獲得了江蘇省先進技術制造產(chǎn)品的稱號。

同時，為了滿足膜電極在后期上車之后的一個實際運用的情況，我們還爭取到了南京市工信局的氫燃料未來標桿場景的一個應用項目。同時我們這個膜電極在做的過程當中，已經(jīng)拿到了實驗室的CNAS認可，這個當中涉及到20項關于膜電極的相關測試。

圍繞這個目前我們開發(fā)的膜電極平臺，我們已經(jīng)做了很多的產(chǎn)品，并且實際上車運用了。我們在左下角這些催化劑，氣體擴散層、膜電極、雙極板這些材料的開發(fā)是由我們自主完成的，同時我們自主完成了覆蓋功率80-210千瓦的氫燃料電池電堆。目前我們搭載了兩臺商用車，一臺10.5米的公交車，一臺18噸的灑水車，這兩輛車目前實際完成了1.7萬公里以上的道路測試，在道路測試當中是非常順利的，這個在國內(nèi)的廠家當中是比較少的。

我們自主開發(fā)的80-210千瓦的電堆是經(jīng)過了嚴苛的25項的DV實驗，包括各個零部件的105項ADV實驗，整體的實驗可以完美的覆蓋未來產(chǎn)品上車之后可能會出現(xiàn)的各種問題。我們搭載的80-210千瓦電堆組成了一套110千瓦的系統(tǒng)，未來還有180千瓦的系統(tǒng)，在這個系統(tǒng)當中同樣與電堆也是進行了30項系統(tǒng)DV實驗，229項ADV實驗，以及13項整體調(diào)試。

我們這個系統(tǒng)主要有四大核心，一個是高集成度，我們加了一個自主設計的高集成度的分配板，這個板上面集成了我們很多的輔件。同時我們自主開發(fā)了氫氣循環(huán)模塊，然后這個當中整體系統(tǒng)當中的軟件部分都是由我們自主開發(fā)，實現(xiàn)了一個從0到1的過程。這是我們展示的一個系統(tǒng)的測試情況。這是我們自主開發(fā)的應用產(chǎn)品，然后應用到車上的一個世紀應用的照片。右上角那個圖是我們根據(jù)我們自己開發(fā)的產(chǎn)生形成了一個新的大數(shù)據(jù)平臺，這個大數(shù)據(jù)平臺可以實時監(jiān)測我們車輛的數(shù)據(jù)信息，包括氫耗以及行駛過程當中的問題監(jiān)控等等。

未來我們的氫燃料電池開發(fā)肯定是一定要依靠工藝和仿真，在這個高均勻性的鉑分布，以及高一致性的涂布工藝等八項技術進行支撐，開發(fā)我們的催化劑以及氣體擴散層，使他們具備高活性、高耐久、梯度化，同時在高功率密度和長壽命以及超低鉑載量，低溫冷啟動方面的膜電極合成技術方面我們也要進行突破?？傊褪俏覀儚墓に嚭头抡娴募夹g研發(fā)，然后反推到我們的技術突破最后應用到我們系統(tǒng)上的一個高功率、長壽命、寬工況和低成本的產(chǎn)品當中去。

在這個當中其實需要格外介紹一下的是什么呢?就是我們現(xiàn)在這個膜電極的漿料，這個漿料原材料里面的材料選型，以及漿料的分散涂布工藝，以及批量制造能力，這是我們在膜電極方面需要主要突破的五大核心技術領域，這個當中一共涉及16項核心技術能力，我們目前這16項已經(jīng)都是初步掌握。

這一部分是想跟大家介紹一下其實在膜電極當中很關鍵的這個催化劑部分，針對這個高性能和高活性的催化劑，掌握一致性的批量的制備工藝，其實是我們現(xiàn)在國內(nèi)的一大難題。我們很多的催化劑都是停留在實驗室的層面，未來一致性的批量化工藝才是我們更要突破的一個點。

未來我們所有做的這個產(chǎn)品都會存在一個模塊化以及車規(guī)級的開發(fā)。其實我們公司有很多人都是從車廠出來的，在這個過程當中，所有的氫原料作為一個新興行業(yè)，我們所有產(chǎn)品滿足車規(guī)級的要求，才能更好的適應未來我們在市場上的運行。

現(xiàn)在關于膜電極的投入各項設備已經(jīng)達到了309臺，研究中心和聯(lián)合實驗室也是基本上每天24小時在不停的做相關膜電極方面的測試以及制備。未來我們這個研發(fā)大樓建立之后將會有大約1800人來進行國內(nèi)一流氫燃料實驗室和核心材料實驗室的一個工作和建立。

以上就是我的匯報。這一位是我們中汽創(chuàng)智科技有限公司氫燃料動力事業(yè)部的首席技術官和氫燃料動力開發(fā)部的總經(jīng)理，各位在市場上面，或者是市場推廣，以及我們這個核心材料的技術方面有任何問題，歡迎隨時聯(lián)系我們。

謝謝大家!