趙榮博：氫燃料核心零部件的機遇與挑戰

編者按：9月14日，第五屆未來(lái)能源大會(huì )舉辦氫能技術(shù)與應用發(fā)展專(zhuān)題論壇，聚焦于氫能領(lǐng)域的前沿技術(shù)和應用發(fā)展。本次論壇由中國能源研究會(huì )氫能專(zhuān)業(yè)委員會(huì )秘書(shū)長(cháng)徐文輝主持，與會(huì )專(zhuān)家學(xué)者從氫能技術(shù)的標準、前沿技術(shù)研究和應用案例等幾個(gè)方面，對氫能產(chǎn)業(yè)以及未來(lái)能源的可持續發(fā)展展開(kāi)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(chē)標準化委員會(huì )副秘書(shū)長(cháng)趙榮博先生作了《氫燃料核心零部件的機遇與挑戰》演講。

以下內容根據論壇演講實(shí)錄進(jìn)行整理。

趙榮博：各位領(lǐng)導：大家好!剛才也聽(tīng)到了我們行業(yè)內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。我這邊針對我們現在氫燃料電池電堆的核心關(guān)鍵零部件的機遇和挑戰做一個(gè)分享。

氫燃料電池的應用場(chǎng)景是非常廣泛的，制儲運氫氣是我們的上游環(huán)節，而我們的下游環(huán)節就是氫燃料電池的一個(gè)廣泛應用，在這個(gè)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(shí)就是它的膜電極。我們每個(gè)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(gè)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。但是在結構方面的量產(chǎn)，其實(shí)我們現在已經(jīng)有了一些小規模的應用，尤其是在國內的西北地區，還有上海，也就是剛才領(lǐng)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(shí)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(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(wú)人機等方面。

膜電極作為氫燃料電池關(guān)鍵核心心臟，其實(shí)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(gè)很大的問(wèn)題，科學(xué)研究與工程應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(gè)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在燃料電池的高效率、長(cháng)壽命以及低成本方面，目前我們存在的這些問(wèn)題，其實(shí)就是我們現在的一些瓶頸。

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(cháng)期被國外壟斷，比如說(shuō)日本、歐美國家。國內的市場(chǎng)催化劑目前也有很多公司在做，然后國產(chǎn)的催化劑其實(shí)就是左上角圖中灰色的這一部分，其實(shí)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，日本東立他們占據了很多GDL這方面的核心技術(shù)以及產(chǎn)品。

那么我們如何突破這些點(diǎn)，然后使我們國內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(chē)做了一個(gè)大致的對比，與鋰電池汽車(chē)以及目前的燃油車(chē)。其實(shí)燃油汽車(chē)到目前為止行業(yè)的體量已經(jīng)非常大了，發(fā)動(dòng)機經(jīng)過(guò)了幾十年在國內的發(fā)展，早已經(jīng)技術(shù)非常成熟，市場(chǎng)規模也是穩定的，行業(yè)集中度是非常高的，各大傳統的車(chē)企都在做燃油汽車(chē)。鋰電池汽車(chē)其實(shí)現在行業(yè)是高速增長(cháng)的，國內的寧德時(shí)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(lái)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(gè)剛才我們局長(cháng)說(shuō)的是在氫能行業(yè)是相當于十年之后的鋰電，那么現在氫能行業(yè)的研發(fā)費用是比較高的，市場(chǎng)也是相對小的，它需要區分具體的運營(yíng)場(chǎng)景和運營(yíng)規模。目前涉及氫燃料的創(chuàng )業(yè)公司其實(shí)非常多，全國可能有幾千家，所以這也是一個(gè)高風(fēng)險，但是未來(lái)也會(huì )有高收益的行業(yè)。

我們國家的金屬重度依賴(lài)進(jìn)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(jìn)口的。按照純電動(dòng)汽車(chē)和氫燃料電池汽車(chē)的每年銷(xiāo)量對比，純電動(dòng)汽車(chē)已經(jīng)達到了689萬(wàn)，但是我們的銷(xiāo)量還是下面這條綠線(xiàn)，銷(xiāo)量是比較小的。但是我們根據市場(chǎng)預測，到2028年的時(shí)候，氫燃料電池汽車(chē)將會(huì )達到一個(gè)非常好的數量。

氫燃料電池汽車(chē)其實(shí)前期更多的廠(chǎng)家都是在做一些前期的導入，用公交車(chē)以及常用的灑水車(chē)，或者是輕卡車(chē)，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(chǎng)目前來(lái)說(shuō)，很多的城市公交的車(chē)輛是在萎縮的，因為沒(méi)有很多人再繼續去坐公交車(chē)了，更多的都是私家車(chē)出行。所以后面我們還是要考慮氫燃料電池汽車(chē)的規范化示范，一定是要從中重卡，以及中長(cháng)途的客運、冷鏈和環(huán)衛、物流，因為這些商用車(chē)都是要多拉快跑的。在未來(lái)的商業(yè)化發(fā)展當中，肯定是要多場(chǎng)景應用，這個(gè)多場(chǎng)景不光是我們現在考慮到的西北地區的一些煤廠(chǎng)，其實(shí)還有我們國內很多的鋼廠(chǎng)、金屬企業(yè)、干線(xiàn)物流，這些都是我們未來(lái)可以導入的一個(gè)商業(yè)化發(fā)展的多場(chǎng)景應用場(chǎng)景。

隨著(zhù)氫燃料電池國產(chǎn)化的進(jìn)程以及產(chǎn)業(yè)化的規模不斷加大，其實(shí)氫燃料的產(chǎn)業(yè)整體以及零部件的核心成本是一個(gè)明顯的下降趨勢?？梢钥吹狡鋵?shí)在2022年的時(shí)候，我們這個(gè)成本就已經(jīng)到了一個(gè)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(gè)情況，這個(gè)膜電極的發(fā)展趨勢一定是朝著(zhù)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(gè)圖，就是膜電極當中的鉑載量是一定會(huì )不斷下降的，紅色的這條線(xiàn)是伴隨著(zhù)鉑載量下降，膜電極的性能功率指標是在不斷上升的，這個(gè)其實(shí)就是膜電極的一個(gè)X曲線(xiàn)。根據這個(gè)X曲線(xiàn)，日本的NEDO氫燃料也做了相應的規劃，可以看到右邊這幅圖上，這些曲線(xiàn)通常來(lái)理解就是這個(gè)曲線(xiàn)越長(cháng)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(gè)2023年的這條線(xiàn)是一條黑色的線(xiàn)，它相比在單體的電壓方面還是略低于未來(lái)的規劃，就是2040年的目標的。

我現在是屬于中汽創(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(fēng)、長(cháng)安以及中國兵裝集團還有南京市的江寧經(jīng)開(kāi)科技共同注資160億成立的。在這個(gè)下轄當中，我們分了三個(gè)部分，是智能底盤(pán)部分，以及智能網(wǎng)聯(lián)部分，其中新能動(dòng)力部分主要就是解決氫燃料各種卡脖子問(wèn)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(kāi)發(fā)按照剝洋蔥的形式，一層一層的包裹，我們通過(guò)兩步走的方式，從2023年開(kāi)始，持續加大研發(fā)膜電極的相關(guān)材料以及膜電極的合成工藝。

在這個(gè)過(guò)程當中，其實(shí)說(shuō)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)設施，這四個(gè)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(shí)還要保護它的高可靠。只有這樣的上了車(chē)之后，可能我們才會(huì )達到我們整體性能的最優(yōu)。我們也是列舉了這四個(gè)關(guān)鍵核心零部件所要做的研發(fā)任務(wù)點(diǎn)以及未來(lái)的方向。

我們的開(kāi)發(fā)過(guò)程，因為氫燃料電池是一個(gè)相對全新的行業(yè)，整體的開(kāi)發(fā)過(guò)程，我們還是沿用傳統的V字型的開(kāi)發(fā)流程，每一個(gè)部件都經(jīng)過(guò)嚴格的仿真，從微米級到厘米級到米級的一個(gè)全方位的判斷和測試。然后完成一個(gè)整體由車(chē)輛的需求端給輸入，然后進(jìn)行關(guān)鍵材料的技術(shù)改進(jìn)，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(jìn)行技術(shù)優(yōu)化以及產(chǎn)業(yè)協(xié)調。最后使我們做成的高性能的膜電極達到一個(gè)批量化制備的技術(shù)，然后合成一個(gè)完整的高性能、大功率、長(cháng)壽命的氫燃料電池電堆，應用于車(chē)輛示范，然后以及未來(lái)的規?；袌?chǎng)。這是我們的一個(gè)整體路線(xiàn)，然后結合V字型開(kāi)發(fā)流程，保證我們的產(chǎn)品質(zhì)量是完全靠譜、穩定的。

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

因為膜電極是一個(gè)非常關(guān)鍵的核心零部件，所以我們也進(jìn)行的研發(fā)中心和生產(chǎn)基地的保障。在這個(gè)當中，我們已經(jīng)建成了1350平方的研發(fā)實(shí)驗室，專(zhuān)門(mén)負責膜電極材料的研發(fā)以及實(shí)驗。未來(lái)我們可能在2025年將會(huì )完成一個(gè)3.4萬(wàn)平方米的研發(fā)基地建設，這個(gè)基地將會(huì )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。

右側是我們進(jìn)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)展規劃，一直到2025年可能會(huì )達到2.72伏的電力水平。為了支撐這些，我們現在在南京市兩區四地建立了研發(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(shí)是我們一個(gè)大面積的涉氫實(shí)驗場(chǎng)所，這個(gè)實(shí)驗場(chǎng)所當中我們的用氫量是非常大的，所有的涉及高能耗的實(shí)驗都會(huì )在這里進(jìn)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(zhuān)利，而且根據這些我們已經(jīng)進(jìn)展的膜電極方面的研究，我們同時(shí)拿到了國家科技部“十四五”重大專(zhuān)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(shí)我們的膜電極在2023年已經(jīng)獲得了江蘇省先進(jìn)技術(shù)制造產(chǎn)品的稱(chēng)號。

同時(shí)，為了滿(mǎn)足膜電極在后期上車(chē)之后的一個(gè)實(shí)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(lái)標桿場(chǎng)景的一個(gè)應用項目。同時(shí)我們這個(gè)膜電極在做的過(guò)程當中，已經(jīng)拿到了實(shí)驗室的CNAS認可，這個(gè)當中涉及到20項關(guān)于膜電極的相關(guān)測試。

圍繞這個(gè)目前我們開(kāi)發(fā)的膜電極平臺，我們已經(jīng)做了很多的產(chǎn)品，并且實(shí)際上車(chē)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(kāi)發(fā)是由我們自主完成的，同時(shí)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(chē)，一臺10.5米的公交車(chē)，一臺18噸的灑水車(chē)，這兩輛車(chē)目前實(shí)際完成了1.7萬(wàn)公里以上的道路測試，在道路測試當中是非常順利的，這個(gè)在國內的廠(chǎng)家當中是比較少的。

我們自主開(kāi)發(fā)的80-210千瓦的電堆是經(jīng)過(guò)了嚴苛的25項的DV實(shí)驗，包括各個(gè)零部件的105項ADV實(shí)驗，整體的實(shí)驗可以完美的覆蓋未來(lái)產(chǎn)品上車(chē)之后可能會(huì )出現的各種問(wèn)題。我們搭載的80-210千瓦電堆組成了一套110千瓦的系統，未來(lái)還有180千瓦的系統，在這個(gè)系統當中同樣與電堆也是進(jìn)行了30項系統DV實(shí)驗，229項ADV實(shí)驗，以及13項整體調試。

我們這個(gè)系統主要有四大核心，一個(gè)是高集成度，我們加了一個(gè)自主設計的高集成度的分配板，這個(gè)板上面集成了我們很多的輔件。同時(shí)我們自主開(kāi)發(fā)了氫氣循環(huán)模塊，然后這個(gè)當中整體系統當中的軟件部分都是由我們自主開(kāi)發(fā)，實(shí)現了一個(gè)從0到1的過(guò)程。這是我們展示的一個(gè)系統的測試情況。這是我們自主開(kāi)發(fā)的應用產(chǎn)品，然后應用到車(chē)上的一個(gè)世紀應用的照片。右上角那個(gè)圖是我們根據我們自己開(kāi)發(fā)的產(chǎn)生形成了一個(gè)新的大數據平臺，這個(gè)大數據平臺可以實(shí)時(shí)監測我們車(chē)輛的數據信息，包括氫耗以及行駛過(guò)程當中的問(wèn)題監控等等。

未來(lái)我們的氫燃料電池開(kāi)發(fā)肯定是一定要依靠工藝和仿真，在這個(gè)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(jìn)行支撐，開(kāi)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(shí)在高功率密度和長(cháng)壽命以及超低鉑載量，低溫冷啟動(dòng)方面的膜電極合成技術(shù)方面我們也要進(jìn)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)突破最后應用到我們系統上的一個(gè)高功率、長(cháng)壽命、寬工況和低成本的產(chǎn)品當中去。

在這個(gè)當中其實(shí)需要格外介紹一下的是什么呢?就是我們現在這個(gè)膜電極的漿料，這個(gè)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(gè)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(shí)在膜電極當中很關(guān)鍵的這個(gè)催化劑部分，針對這個(gè)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(shí)是我們現在國內的一大難題。我們很多的催化劑都是停留在實(shí)驗室的層面，未來(lái)一致性的批量化工藝才是我們更要突破的一個(gè)點(diǎn)。

未來(lái)我們所有做的這個(gè)產(chǎn)品都會(huì )存在一個(gè)模塊化以及車(chē)規級的開(kāi)發(fā)。其實(shí)我們公司有很多人都是從車(chē)廠(chǎng)出來(lái)的，在這個(gè)過(guò)程當中，所有的氫原料作為一個(gè)新興行業(yè)，我們所有產(chǎn)品滿(mǎn)足車(chē)規級的要求，才能更好的適應未來(lái)我們在市場(chǎng)上的運行。

現在關(guān)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(shí)驗室也是基本上每天24小時(shí)在不停的做相關(guān)膜電極方面的測試以及制備。未來(lái)我們這個(gè)研發(fā)大樓建立之后將會(huì )有大約1800人來(lái)進(jìn)行國內一流氫燃料實(shí)驗室和核心材料實(shí)驗室的一個(gè)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(dòng)力事業(yè)部的首席技術(shù)官和氫燃料動(dòng)力開(kāi)發(fā)部的總經(jīng)理，各位在市場(chǎng)上面，或者是市場(chǎng)推廣，以及我們這個(gè)核心材料的技術(shù)方面有任何問(wèn)題，歡迎隨時(shí)聯(lián)系我們。

謝謝大家!