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(shù)與應(yīng)用發(fā)展專題論壇，聚焦于氫能領(lǐng)域的前沿技術(shù)和應(yīng)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(xué)者從氫能技術(shù)的標準、前沿技術(shù)研究和應(yīng)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(yīng)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(lǐng)導(dǎo)：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(yīng)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(guān)鍵零部件的機遇和挑戰(zhàn)做一個分享。

氫燃料電池的應(yīng)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(yīng)用，在這個廣泛應(yīng)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(guān)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(guān)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(jié)構(gòu)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(yīng)用，尤其是在國內(nèi)的西北地區(qū)，還有上海，也就是剛才領(lǐng)導(dǎo)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(yīng)用在了固定式發(fā)電，然后便攜發(fā)電，交通領(lǐng)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(guān)鍵核心心臟，其實對電池的性能壽命起到了很關(guān)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(xué)研究與工程應(yīng)用之間是存在一定的不匹配性的，我們科學(xué)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(jié)構(gòu)設(shè)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(guān)鍵材料，催化劑，質(zhì)子交換膜和氣體擴散層，這些技術(shù)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(shù)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(shù)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(guān)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(yù)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(dǎo)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(dǎo)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(yīng)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(dǎo)入的一個商業(yè)化發(fā)展的多場景應(yīng)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(yīng)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?？梢钥吹竭@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(yīng)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(guān)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(guān)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(shè)施，這四個作為很關(guān)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(guān)鍵核心零部件所要做的研發(fā)任務(wù)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(guān)鍵材料的技術(shù)改進，催化劑、質(zhì)子交換膜、氣體擴散層這些關(guān)鍵材料的技術(shù)研發(fā)和突破，然后進行技術(shù)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(shù)，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(yīng)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(jié)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(guān)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(shè)，這個基地將會涵概我們所有氫燃料涉及的關(guān)鍵核心零部件，以及氫燃料電極、電堆的測試和相關(guān)工作。

右側(cè)是我們進行關(guān)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(shù)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(yīng)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(guān)于膜電極的相關(guān)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(shè)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(yīng)用產(chǎn)品，然后應(yīng)用到車上的一個世紀應(yīng)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(shù)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(shù)方面我們也要進行突破?？傊褪俏覀儚墓に嚭头抡娴募夹g(shù)研發(fā)，然后反推到我們的技術(shù)突破最后應(yīng)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(shù)領(lǐng)域，這個當中一共涉及16項核心技術(shù)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(guān)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(yīng)未來我們在市場上的運行。

現(xiàn)在關(guān)于膜電極的投入各項設(shè)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(guān)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(shù)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(shù)方面有任何問題，歡迎隨時聯(lián)系我們。

謝謝大家!