中國儲能網(wǎng)訊：3月4日下午，第12期儲能產(chǎn)業(yè)公益沙龍在中國科學院工程熱物理研究所舉行。主講嘉賓清華大學汽車工程系裴普成教授就燃料電池方面進行專題報告，并對燃料電池技術(shù)及燃料電池應用方面等問題與大家展開探討，以下為本次公益沙龍文字實錄：
裴普成教授發(fā)言
裴普成：各位下午好，非常感謝聯(lián)盟給我們大家提供這樣的一個場所和機會，在這先就燃料電池技術(shù)及燃料電池應用問題和大家探討一下。
燃料電池與蓄電池都是電化學裝置，不同的是蓄電池的能量載體儲存于電池內(nèi)部，為二次使用需要對電池充電，而燃料電池的能量載體（即燃料）儲存于外部，只要提供燃料，就能連續(xù)不斷地發(fā)電。燃料電池的工作原理是，在電解質(zhì)一側(cè)供給燃料，另一側(cè)供給空氣（氧氣），質(zhì)子從電解質(zhì)穿過，電子走外電路形成電流。其特征是，有燃料從外部供應，有氧氣供應，通過電化學反應發(fā)電。全釩液流電池，反應物有流動供應特征，但不是與氧發(fā)生電化學反應，所以不屬于燃料電池。
說完燃料電池技術(shù)和燃料電池應用的問題，那么燃料電池到底分為哪些種類呢？下面我給大家說一下：
以電解質(zhì)命名的燃料電池，有質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、堿性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）和磷酸摻雜質(zhì)子交換膜燃料電池（PBI-PEMFC）等。其中PBI-PEMFC是在質(zhì)子交換膜基礎(chǔ)上通過磷酸改性的燃料電池，能夠把燃料電池的溫度升上去，并降低對鉑催化劑的需求。一方面降低了燃料電池成本，另一方面也大大提高了電池對一氧化碳的耐受力。
以燃料命名的燃料電池，有直接甲醇燃料電池（DMFC）和使用金屬作燃料的金屬空氣燃料電池（MAFC）。其中，直接甲醇燃料電池本質(zhì)也是質(zhì)子交換膜燃料電池。目前國際上比較熱門的金屬空氣燃料電池有鋰空燃料電池和鋅空燃料電池，一般多用堿性電解質(zhì)，屬于堿性燃料電池。
燃料電池的種類有很多，那么針對不同電池的特點在使用中又有哪些優(yōu)勢和劣勢呢：
磷酸燃料電池的工作溫度一般為200度，PBI型的質(zhì)子交換膜燃料電池及所謂高溫質(zhì)子交換膜燃料電池，工作溫度一般在120到200度。這兩種燃料電池有很多相似之處，對CO耐受力強，但使用不當有析出磷酸的可能。
熔融碳酸鹽燃料電池的工作溫度高，這意味著它不能像一般的質(zhì)子交換膜燃料電池一樣裝在車上，只能作為固定電源。但同時，做固定電源不受空間限制，可以把電池功率做得比較大。
固體氧化物燃料電池工作溫度也非常高，600至800度，隨著近幾年技術(shù)的發(fā)展，目前可以降到大約400度。
熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池，因為工作溫度都比較高，如果用在車上的話汽車的啟動會很麻煩，需要時間長，啟停循環(huán)壽命短，因此更多地用于固定電源場合。
直接甲醇燃料電池可以用于手機、電腦上，而且特別適合軍用。
雖然堿性燃料電池早就已經(jīng)發(fā)明，但是工作溫度最高80度，上世紀六十年代美國UTC公司曾為阿波羅登月計劃提供這種燃料電池，但是汽車行業(yè)對這種電池并不感興趣，一方面是因為功率密度低，另一方面是這種電池怕二氧化碳，因此在車上使用不方便。質(zhì)子交換膜燃料電池的出現(xiàn)解決了這些問題。與其他電池相比，質(zhì)子交換膜燃料電池的功率密度有明顯優(yōu)勢，同時，工作溫度低、容易啟動的優(yōu)點也令汽車行業(yè)對它更感興趣。
總體來看，燃料電池對市場還是比較有吸引力的，一個是質(zhì)子交換膜燃料電池，一個是金屬空氣燃料電池。金屬空氣燃料電池成本低。
在燃料電池的技術(shù)和應用方面，質(zhì)子交換膜燃料電池的功率輸出從幾瓦到兆瓦級都有，因而在很多領(lǐng)域都可以得到廣泛應用，市場上對這種燃料電池的關(guān)注度也最高。只要掌握核心技術(shù)，然后根據(jù)實際需要提供足夠的氫氣,質(zhì)子交換膜燃料電池就能發(fā)電。
質(zhì)子交換膜燃料電池在軍工領(lǐng)域有廣泛應用，比如航天器，所需要的功率只需要十幾千瓦。幾年前，西門子的燃料電池曾經(jīng)裝到潛艇里面，當時用的是純氧，燃料電池功率100千瓦。沒有排氣污染，此外，質(zhì)子交換膜燃料電池聲音低、噪音小、隱秘性好，還可以用于無人機，只要帶上足夠的氫氣，就能維持很長時間。
除了軍用，質(zhì)子交換膜燃料電池在電動汽車領(lǐng)域也備受關(guān)注。很多人習慣說的燃料電池汽車屬于電動汽車，其實是燃料電池電動汽車。從動力構(gòu)型來講，通常它是燃料電池與其他電池的混合，因此也叫燃料電池混合動力電動汽車。與其他電動汽車相比，具有續(xù)駛里程長、動力性能高、不需要充電等特點，因此在電動汽車領(lǐng)域有很好前景。
汽車燃料電池技術(shù)的現(xiàn)狀是怎樣的呢？當前質(zhì)子交換膜燃料電池在汽車領(lǐng)域備受關(guān)注。燃料電池汽車是電動汽車的一種，嚴格來說是燃料電池電動汽車，很多人習慣稱之為燃料電池汽車。這種汽車大多是燃料電池與其他電池的混合動力電動汽車，燃料電池汽車的續(xù)駛里程是其他電動汽車所不能相比的，燃料電池功率密度明顯高于其他電池。
這種汽車無污染，是解決霧霾問題的很好方向；零部件少、易維護，生產(chǎn)工序少；燃料效率高，內(nèi)燃機的高效率在大負荷區(qū)，燃料電池的高效率在小負荷區(qū)，而實際使用中常用小負荷區(qū)，內(nèi)燃機很難發(fā)揮它的最高效率。燃料電池能量轉(zhuǎn)換率已經(jīng)達到50%到60%的水平，內(nèi)燃機領(lǐng)域也被迫提出要使內(nèi)燃機效率達到60%。與內(nèi)燃機相比，燃料電池的能量轉(zhuǎn)換率高，對汽車更為有利。實施混合動力技術(shù)使內(nèi)燃機工況向高效率區(qū)靠近，是混合動力汽車有節(jié)油效果的原因。
從安全性來說，燃料電池也有自身的優(yōu)勢。過去，很多人都覺得氫氣很可怕，清華大學當初做燃料電池車測試，為建設氫氣供給站大費周折，好在實驗室后是玉米地，學校才讓建設。但是現(xiàn)在我們認識到，氫氣其實比汽油還安全。這兒有一個例子，為汽油汽車和使用氫氣燃料的汽車分別創(chuàng)造燃料泄露和著火條件，3秒時刻汽油汽車下方漏油著火，而氫氣則是迅速沖高在汽車上方著火。一分半鐘，氫氣燃料汽車的火已經(jīng)熄滅，而汽油車火勢正旺，最終只剩下車架。從這個實驗來看，氫氣用做汽車電池燃料更為安全。此外，國內(nèi)外很多研究機構(gòu)也都做過氫氣燃料電池的碰撞、泡水、跌落實驗，都沒有出現(xiàn)安全問題。對氫氣瓶的火燒實驗，證明氣瓶上的裝置會自動將氫氣排出去，不會產(chǎn)生爆炸現(xiàn)象。氫氣的特點是非常輕，泄漏之后迅速上升，只要有良好通風，就不會發(fā)生危險。其實過去家用煤制燃氣中百分之五六十是氫氣。
從加氣模式上看，氫氣燃料電池也非常方便，只需要幾分鐘的時間就可以將氫氣加滿。因此在未來，燃料電池汽車可以像現(xiàn)在加汽油一樣在加氣站添加燃料，這一點換做普通電動車就很難做到，充電不是幾分鐘就能完成的。
對于燃料的來源，我認為，首先應該考慮電解水，因為很干凈，對燃料電池沒有危害。其次，工業(yè)副產(chǎn)氫，如氯堿廠、鋼廠、焦炭廠的副產(chǎn)品，現(xiàn)在很多工業(yè)副產(chǎn)氫都被浪費掉了。第三，用燃料重整制氫，如天然氣重整、甲烷重整。
電解水制氫，可利用可再生能源集中發(fā)電制氫，通過管道遠程輸送、車載運輸?shù)确绞綖槿剂想姵嘏渌蜌錃猓豢梢砸归g將剩余的電變成氫氣，白天通過燃料電池發(fā)電；可以直接用太陽能電解水制氫，是分布式發(fā)電制氫，在日本已經(jīng)有先例，是一種成熟的技術(shù)。
下面我們從制作工藝、成本、輔助系統(tǒng)、整車性能等多個維度對燃料電池汽車與傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車進行一下比較。
首先從工藝及成本上看，燃料電池工藝更簡便生產(chǎn)成本更低。因為燃料電池在結(jié)構(gòu)上是比較簡單的疊加，比如使用膜電極雙極板直接疊加，比內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)簡單很多，所以燃料電池可以在小的廠房進行生產(chǎn)，而內(nèi)燃機僅僅是一個汽缸蓋就需要建設專業(yè)的生產(chǎn)線，投資金額高達2億元左右。
第二是輔助系統(tǒng)，單獨的燃料電池堆不能直接用于汽車或其他場合，必須有輔助系統(tǒng)。燃料電池的效率不是100%，因此需要使用冷卻系統(tǒng)解決散熱問題，此外還需要供給氫氣和空氣。燃料電池的空氣供給系統(tǒng)與內(nèi)燃機系統(tǒng)非常類似，所以很多部件可以直接使用內(nèi)燃機部件，比如空濾器、消聲器、增壓器等，不過燃料電池的增壓器是無油增壓器。燃料電池的氫氣系統(tǒng)也與氫氣內(nèi)燃機類似。區(qū)別在于燃料電池需要對空氣和氫氣增濕。目前從技術(shù)層面上講，正在努力去掉增濕環(huán)節(jié)，從而進一步降低成本，因此未來燃料電池可能將不再需要增濕。
以燃料電池堆為核心，增加其他的輔助部件形成完整系統(tǒng)后，就可以進行裝車。裝車時，可以整體取代內(nèi)燃機的位置，也可以根據(jù)車底盤空間、以模塊化形式進行不同的配重安排和空間布置。
巴拉德的燃料電池有兩種安裝方案，一種是把燃料電池裝在車頂，另一種是裝在車的后面。巴拉德曾開發(fā)的燃料電池系統(tǒng)，所有旋轉(zhuǎn)部件由一根皮帶驅(qū)動，堆輸出功率達110千瓦，2007年在北京示范運行的三輛戴克燃料電池車上安裝的就是這種燃料電池系統(tǒng)，每輛汽車裝兩套，相當于每輛車具有220千瓦的燃料電池功率。本田的燃料電池系統(tǒng)布置方案，鋪滿了整個汽車底盤。清華大學的燃料電池汽車，是把燃料電池放在車的后面，方便維護。
第三是性能比對，燃料電池與內(nèi)燃機幾乎相當。現(xiàn)在，內(nèi)燃機的電堆功率密度的國際先進水平大約為3KW/L，燃料電池的體積功率已經(jīng)能達到與內(nèi)燃機幾乎相當?shù)乃疁省?
從續(xù)駛里程動力性加速性來看，燃料電池與內(nèi)燃機也基本相當。這里所說的續(xù)駛里程與一般電動車概念不同，燃料電池可以很方便的多攜帶一些氫氣，不受太多限制，而普通蓄電池的電動汽車如果想攜帶更多能量儲備，意味著要帶很多蓄電池，不僅增加成本，同時也會增加很多車體重量。
最后是整車性能得對比，依照內(nèi)燃機汽車標準做燃料電池車。目前，燃料電池汽車的最高車速都是按照常規(guī)內(nèi)燃機汽車標準在做，最高車速都能夠達到每小時160千米左右，續(xù)駛里程有的甚至可以達到800多公里，少一些的也可以達到300公里。如果想讓燃料電池車續(xù)駛里程更遠，可以多裝一些氫氣。
為了能夠達到最高車速，現(xiàn)在國際上裝載于轎車上的燃料電池，功率一般都為90千瓦左右。事實上，汽車啟動后對功率的需求并不大，有的汽車僅僅需要20%的功率就夠了。通常都是混合動力構(gòu)型，清華的燃料電池客車，只使用了60千瓦的燃料電池系統(tǒng)。
從最大扭矩的角度看，汽車的最大扭矩通常以電機的輸出來進行計算，現(xiàn)在燃料電池車的扭矩可以達到200多牛米，與使用內(nèi)燃機的汽車相比絲毫不差，甚至比內(nèi)燃機汽車扭矩還大。
現(xiàn)在燃料電池汽車做的比較好的，冷啟動已經(jīng)能夠達到零下40度，其余大多數(shù)也都達到了零下30度的水平。
從氫氣壓力方面看，早期的技術(shù)水平是35兆帕，目前國際趨勢都在努力實現(xiàn)70兆帕。因為通過計算，從35兆帕到70兆帕的提升，造成的能量消耗不是很大，只是將壓縮比增加2倍，關(guān)鍵問題是對氫氣瓶的耐壓技術(shù)提出了更高的要求。
從以上的對比，可以看出燃料電池的確是存在一定優(yōu)勢的，但是燃料電池車要形成產(chǎn)業(yè)化，還要在成本控制和電池耐久性兩方面做進一步提升。
而對于成本控制，鉑的用量是關(guān)鍵。在美國，每年都會對燃料電池車的技術(shù)指標做出評估，目標是要讓燃料電池車的成本能夠與內(nèi)燃機汽車相當?，F(xiàn)在，內(nèi)燃機汽車的成本大約為每千瓦30美元左右，按50萬臺套燃料電池系統(tǒng)進行評估，成本大約為每千瓦50美元。
鉑的用量是決定燃料電池成本的關(guān)鍵因素。幾年前，國內(nèi)外燃料電池中鉑的用量大概是每平方厘米0.6到0.7毫克，隨著技術(shù)提升，實際用量降低到每平方厘米0.4毫克左右，而實驗室數(shù)據(jù)現(xiàn)在已經(jīng)可以做到0.15毫克。如果在實際應用中，鉑的用量能夠控制到每平方厘米0.2毫克，就能夠達到成本控制目標。
電池壽命長短也與鉑的用量有直接關(guān)系，因為隨著電池使用時間的增加，鉑的有效面積會逐漸減少。隨著技術(shù)的提高，鉑的用量將會朝著每千瓦30美元的成本目標進一步降低，甚至達到每千瓦0.1克的用鉑量。如果能夠達到這樣的技術(shù)指標，相當于現(xiàn)在內(nèi)燃機汽車三效催化劑的用量，就會顯示出成本優(yōu)勢。
現(xiàn)在，越來越多的機構(gòu)在進行降低燃料電池中鉑用量的研究。日本同志社大學最近開發(fā)出一種核殼催化劑，能夠大大降低燃料電池中鉑的用量，其優(yōu)勢在于能夠批量生產(chǎn)。根據(jù)公布的數(shù)據(jù)，這種催化劑在活化后性能比碳載鉑的性能還高。
3M公司在催化劑方面使用了納米須技術(shù)，2008年，鉑的用量就達到了每平方厘米0.25毫克的水準，2009年這一數(shù)據(jù)又降低到了0.15毫克，而且0.15毫克比0.25毫克的性能還好。此外，日本豐田曾提出要在2015年上市燃料電池汽車，售價約為5萬美元一輛，并且在2013年的展覽會上已經(jīng)展出樣車。
對于耐久性提升來說一些國外先進技術(shù)值得我們?nèi)ソ梃b。只要燃料電池的壽命達到5000到10000小時，燃料電池汽車就可以商業(yè)化了。雖然燃料電池的壽命，最高紀錄已達到了10000小時，但多數(shù)燃料電池的壽命仍然都在2000小時左右，能達到5000小時的還很少。
2011年8月，UTC公布其在燃料電池耐久性方面的考核報告。在三輛車同時做示范運行的情況下，其中一輛率先突破了10000小時，并且期間沒有更換任何零部件，這是一個很大的進步。UTC的燃料電池汽車之所以能跑到10000小時，跟他們選用低壓、電堆自增濕、柔性石墨雙極板等技術(shù)有關(guān)，這些因素值得我們借鑒。
為了推動燃料電池汽車的發(fā)展，業(yè)內(nèi)先后成立了三大聯(lián)盟，在這三大聯(lián)盟中，都有日本汽車企業(yè)的身影。2013年1月，戴克、福特和尼桑三家公司建立合作聯(lián)盟，聯(lián)手開發(fā)燃料電池系統(tǒng)，減少重復投入，降低開發(fā)成本，共同開發(fā)的燃料電池系統(tǒng)將盡可能擁有共通性，以適應三方的車型，計劃2017年推出在價格上能被大眾接受的燃料電池汽車。
同月，豐田汽車與寶馬公司正式簽訂協(xié)議，深入合作共享燃料電池技術(shù)，豐田將向?qū)汃R提供燃料電池車驅(qū)動總成和氫燃料貯存技術(shù)，并計劃2015年把自行研發(fā)的燃料電池車投入市場，而寶馬將利用該技術(shù)在2015年推出樣車，2020年上市。
2013年7月，GM和Honda結(jié)成聯(lián)盟，在儲氫技術(shù)和燃料電池技術(shù)方面進行合作。Honda在儲氫技術(shù)上有自己的優(yōu)勢。過去，氫氣瓶多用碳纖維纏繞制成，成本普遍偏高。目前，Honda公司掌握的技術(shù)已經(jīng)可以將氫氣瓶的成本降下來，同時有足夠的耐壓性能。
日本在燃料電池汽車技術(shù)方面有自己的很大優(yōu)勢。從日本的技術(shù)現(xiàn)狀看，燃料電池車的續(xù)駛里程、動力性、加氫時間、耐低溫程度都已達到實用要求，成本和使用壽命距目標略有差距。作為清華大學的一名教授，值得我自豪的是清華大學在燃料電池研究領(lǐng)域的科技成果。
清華大學對燃料電池車的研究從1999年就已經(jīng)開始。當時，清華大學曾經(jīng)裝了一個5千瓦的電堆在一個小平臺車上。2001年，清華大學用15千瓦電堆裝配了一輛中巴車。2001年，國家科技部立項開展燃料電池客車和燃料電池轎車計劃，清華大學被確定為燃料電池客車的牽頭單位，同濟大學負責牽頭做燃料電池轎車。
2002年12月30日晚，清華大學的50千瓦燃料電池客車從實驗室開出來。是中國第一輛燃料電池客車，第一臺氫空型燃料電池系統(tǒng)裝車，是真正的燃料電池發(fā)動機汽車。在之前清華大學的燃料電池車上，都是用氧氣瓶供氣，燃料電池使用的是純氧。
2002年之后，曾逐年提升對燃料電池系統(tǒng)功率的要求，最高到130千瓦。研究得知，燃料電池的功率并非越大越好。比如安裝一輛12到13噸的汽車，幾十千瓦的燃料電池就已經(jīng)足夠使用，因為還有蓄電池組的儲能?，F(xiàn)在，清華大學做的燃料電池客車基本使用的燃料電池功率在50到60千瓦。
2008年，清華大學在北京奧運會期間投入了三輛燃料電池公交車，與2007年戴克公司試運行的汽車走同樣路線、停同樣站臺，并同樣運行一年時間，以此對燃料電池的性能進行考核。與戴克的三輛車相比，清華大學燃料電池汽車的氫氣消耗量明顯低很多。戴克的汽車百公里耗氫量大概是百公里16公斤左右，而清華把汽車的耗氫量降至7到8公斤。此后，清華大學又為2010年上海世博會提供三輛公交車，運行半年，同年為新加坡首屆國際青奧會提供一輛燃料電池公交車，運行半年。經(jīng)歷春夏秋冬、高溫多雨的考驗，表現(xiàn)很好。
通過比對戴克同一批次的汽車，在北京運行的3輛車大概運行800到900個小時就不行了，在歐洲運行的使用壽命要好得多。在戴克的總結(jié)報告會上，令人印象深刻的結(jié)論是：北京的空氣質(zhì)量太差。因此中國燃料電池汽車的發(fā)展，環(huán)境因素增加了更大挑戰(zhàn)，也證明發(fā)展燃料電池車更有必要。
與國外燃料電池相比，我國燃料電池堆內(nèi)部一致性較差。國外先進燃料電池堆都是生產(chǎn)線上下來的，一致性較好。而國內(nèi)的生產(chǎn)環(huán)節(jié)存在很多人為因素，導致結(jié)果不好控制。為提高電堆一致性，延長燃料電池壽命，我們的研究組開展了以下工作。
1.雙極板批量制造技術(shù)：清華在FC耐久性方面做了很多努力，研究了雙極板批量制造技術(shù)。過去制作雙極板使用雕刻技術(shù)，購買板子然后雕刻加工，通常一張板子的原材料需要300元，加工費400元，總成本約700元,一個雙極板需要兩張板。國外使用沖壓技術(shù)生產(chǎn)一個雙極板僅需要6美元。清華大學曾設計出模壓柔性石墨雙極板、沖壓金屬雙極板。一方面可以降低成本，另一方面能保障雙極板的一致性。
此外，研究發(fā)現(xiàn)，電堆故障往往都是因為積水。積水和加工缺陷有關(guān)，譬如中間換刀會在加工的地方留下痕跡，這個地方就容易形成積水。
2.燃料電池壽命評價技術(shù)：清華大學試驗證明，駕駛循環(huán)下燃料電池性能衰減率可用四個工況下的衰減率疊加表示，基于數(shù)學推導給出了基于實驗室測試和道路運行工況譜的壽命預測公式?？傇囼灂r間為200小時左右，然后據(jù)此推測出燃料電池在車上的使用壽命。這項工作的優(yōu)勢是，在實驗室就可以對電池壽命進行預測和評價，在缺少燃料電池車的標準駕駛循環(huán)情況下，可預測燃料電池在各種駕駛循環(huán)下的使用壽命。
現(xiàn)在，燃料電池汽車還沒有標準的駕駛循環(huán)。每輛車裝多大功率的電池，其動力構(gòu)型是多裝燃料電池還是多裝蓄電池，沒有一定的標準。這也意味著不同配型的燃料電池在車上的輸出性能會不同，工況變化和變化頻率幅度都會不一樣。另外，同樣一輛車在不同時段、不同路段運行，駕駛循環(huán)也會不同。清華大學通過在實驗室把燃料電池在各個工況下的衰減率計算出來，然后重新組合出不同的駕駛循環(huán)。并計算不同駕駛循環(huán)下燃料電池的壽命是多少。
通過測試，學校研究人員發(fā)現(xiàn)這種預測結(jié)果相當不錯。用同樣的燃料電池裝在車上計算衰減率和使用壽命，在一輛車上能跑2600小時，裝到另一輛車上跑1900小時。當然在實際測試中，這些車都沒有跑那么長時間，因為只試運行了一年，大約跑了1200小時就結(jié)束了。但是預測的性能衰減率與實際情況非常吻合。
3.動態(tài)閉環(huán)調(diào)控技術(shù) 防止燃料電池水淹：學校的另一項研究是用動態(tài)閉環(huán)調(diào)控技術(shù)預防電堆故障，這是一種防止水淹的技術(shù)。早些時候，學校的研究人員發(fā)現(xiàn)氫氣壓力降可以作為燃料電池水淹的判定條件，并研究出了壓力降精確計算公式。在正常情況下，實測壓力降與公式吻合，當出現(xiàn)水淹時，實測值明顯偏離公式計算值。
這個公式還可以用于燃料電池雙極板流場設計中。過去設計燃料電池流場所用的壓力降經(jīng)驗公式，與實際燃料電池工作中的壓力降差異較大，因為它沒有電流參數(shù)。有了這個公式以后，就可以判斷出什么時候出現(xiàn)水淹現(xiàn)象，如果等壓力降到降到燃料電池已經(jīng)被水堵死，再去解決故障就很難了。
學校通過試驗又發(fā)現(xiàn)燃料電池從出現(xiàn)水淹，到被堵死之前，壓力降會有很明顯的平臺現(xiàn)象，而且持續(xù)時間很長。通過給燃料電池設置控制窗，可以在發(fā)現(xiàn)特定點的時候趕快進行處理，不等它進入平臺就可以進行調(diào)控，很好地防止燃料電池水淹。
基于這樣的理念，學校把動態(tài)閉環(huán)調(diào)控技術(shù)做成了一個專業(yè)軟件和控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)燃料電池的自動控制，防止燃料電池出現(xiàn)水淹。在實驗室的測試過程中，曾人為創(chuàng)造水淹情況，通過運用這個系統(tǒng)燃料電池很快就自動恢復到正常了。
4.同步檢測燃料電池堆多片膜電極的多參數(shù)：過去，只能用線性電位掃描法和循環(huán)伏安法分別檢測單片膜電極的各參數(shù)，但是無法對電堆進行測試。如果對電堆使用循環(huán)伏安法，很難保證燃料電池的電壓呈線性上升，因為每節(jié)電流都不一致，會使得電壓升高率不一樣。
為了解決這個問題，學校研究出一套新技術(shù)——恒流充電解析法。在這個堆上每節(jié)電流都一樣，通過調(diào)制后，輸出來的電壓會帶有各節(jié)燃料電池膜電極的差異信息，通過這樣的差異就可以解析出各片膜電極的內(nèi)在差異，得出相應的參數(shù)，包括催化劑活性面積、氫滲透電流、雙電層電容和阻抗。能一次把電堆每一節(jié)燃料電池的這四個參數(shù)都得到。測出來的催化劑活性面積，在不同充電電流下的波動幅度，比用循環(huán)伏安法在不同掃描速率下的波動范圍小得多，這種方法有明顯的優(yōu)勢?？捎糜趯﹄姸岩恢滦匝芯?、組堆環(huán)節(jié)的膜電極篩選、檢查電堆內(nèi)是否有膜穿孔等。
5.高性能鋅空燃料電池：2013年12月29日，美國著名網(wǎng)站刊文“清華團隊開發(fā)出高功率密度鋅空燃料電池堆”，許多網(wǎng)站紛紛轉(zhuǎn)載。為什么國外對清華的進展這么關(guān)注？鋅空燃料電池有許多優(yōu)點，但是國際上做出來的鋅空燃料電池功率密度一般都在每平方厘米100毫瓦以內(nèi)，加拿大國家研究院用特種催化劑的情況下最高達到每平方厘米230毫瓦，而清華大學的研究團隊把這一數(shù)據(jù)提高到每平方厘米435毫瓦。研究成果發(fā)布后,最近又有同學把數(shù)值提升到450，可以說具有突破性。
以前清華大學的燃料電池公交車所使用的氫空燃料電池，功率密度是每平方厘米360毫瓦左右，而現(xiàn)在鋅空燃料電池的功率密度達到每平方厘米435毫瓦，說明它在未來有可能作為車用燃料電池。此外，清華大學在探索研究高性能長壽命的鋅空電池。
還有重要的一點就是燃料電池和儲能電池的聯(lián)用，一種形式是將燃料電池和蓄電池都裝在車上，形成混合動力，這項技術(shù)目前比較普及，在國內(nèi)外的燃料電池上都在應用。
第二種形式又被細分為兩種相反的組合方式。一種將燃料電池作為固定發(fā)電機，放在外面，車上安裝蓄電池，也就是純電動車。通過使用可再生能源電解水制氫，在需要用電時，用燃料電池發(fā)電補充電網(wǎng)的電力，而電動車從電網(wǎng)上取電充電。與之相反的，是在車上安裝燃料電池，而將蓄電池放在車外，作為家用電源或公司電源。可再生能源發(fā)電制氫，輸送給燃料電池車供燃料電池發(fā)電，在需要時燃料電池車給蓄電池組充電。
未來基于燃料電池和蓄電池，可能會形成一個“可再生能源—燃料電池—蓄電池—電動汽車—電網(wǎng)”的網(wǎng)絡。
主持人：謝謝裴教授給我們做的這期報告，非常精彩，說的很全面也很細致，大家針對裴老師這個報告有什么觀點可以提出來探討一下。
嘉賓提問討論
嘉賓尹海濤：請問裴教授現(xiàn)在清華大學關(guān)于燃料電池的研究經(jīng)費是否充足？
裴普成教授：近兩年燃料電池項目的研究比之前有所減少，但是清華大學對燃料電池的研究工作并沒有停止。燃料電池研究領(lǐng)域受國外影響比較大。過去清華大學的研究定位主要是開發(fā)燃料電池汽車，近幾年研究定位是做燃料電池平臺，也就是動力系統(tǒng)平臺。平臺完成后，可以為整車廠做裝配。之前，清華大學的工作都是直接圍繞車，工程性比較強，不易出成果。近幾年，國家開始提倡做基礎(chǔ)研究，雖然經(jīng)費有所減少，但出了不少成果，這些基礎(chǔ)研究讓我們對燃料電池的認識更加深入。
主持人：謝謝尹先生的提問，也謝謝裴教授精彩的回答，我也有一個問題想請教裴教授：目前國際上成立的三大聯(lián)盟都提出了自己的量產(chǎn)目標，最近韓國F35也對外宣稱，今年燃料電池車產(chǎn)量要達到1千輛，明年要達到1萬輛。請問裴教授對他們的進展有什么看法？
裴普成教授：現(xiàn)在燃料電池汽車領(lǐng)域的確存在這樣的現(xiàn)象。2012年，7大汽車公司發(fā)表聯(lián)合聲明稱2015年要實現(xiàn)燃料電池汽車的量產(chǎn)，但是現(xiàn)在有公司又調(diào)整成了2017年推出首輛車，2020年量產(chǎn)。更早些時候，2001年日本曾提出2010年達到5萬輛、2020年50萬輛的計劃。同樣在美國，原計劃2010年要將燃料電池壽命提高到5千小時，實現(xiàn)燃料電池的量產(chǎn)，但現(xiàn)在美國的計劃也一樣做出了調(diào)整。
造成這種現(xiàn)象的因素很多，包括技術(shù)因素、國家政策的變化、企業(yè)與政府的對話等，都會影響計劃推進。但是計劃的提出非常重要，把計劃提出來，才能更好地促進發(fā)展，有時需要根據(jù)現(xiàn)實情況進行適當調(diào)整。
主持人：現(xiàn)在馬斯克特斯拉對大家的理念沖擊很大，這種新理念對清華大學研究、測試燃料電池汽車有沒有影響呢？
裴普成教授：在我看來，發(fā)展什么技術(shù)都不該提反對意見。清華大學研究的是汽車動力領(lǐng)域。據(jù)了解馬斯克特斯拉目前比較注重開發(fā)金屬空氣電池。目前鋰離子電池即使沒有安全問題，功率密度還是沒有真正滿足市場要求，他們經(jīng)過分析得出的結(jié)論是，將來可能只有金屬空氣電池才能達到內(nèi)燃機那樣的功率密度。特斯拉要進入中國市場，首先得讓大家對它感興趣，宣傳工作做得好。
電動車有很多技術(shù)可以跟燃料電池車共享，比如電機、電池、DC/DC。燃料電池車也要使用電機和蓄電池，如果蓄電池過關(guān)，我們使用起來將更方便。此外，電池領(lǐng)域的很多控制技術(shù)都是相通的，所以馬斯克特斯拉進入中國是個好消息。
某與會嘉賓：燃料電池汽車的價格都比較高，即使在電池中需要使用鉑，也僅僅需要0.2毫克每平方厘米。請問裴教授，燃料電池汽車的成本主要高在什么地方？
裴普成教授：隨著國內(nèi)外技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在燃料電池中鉑的用量越來越少，已經(jīng)不是影響燃料電池車成本的主要因素?，F(xiàn)在生產(chǎn)燃料電池車的成本高，主要是因為市場需要還很小、做的少，一旦進行量產(chǎn)，形成生產(chǎn)線，成本將會大幅降低。
另外，如果蓄電池成本能夠下降，燃料電池車的成本也會降下來。現(xiàn)在市場上做電動車還是比較熱衷于使用鉛酸電池，就是因為便宜，鋰離子電池太貴了。所以如果特斯拉能夠把成本降下來的話，燃料電池車的成本也會下降。
某與會嘉賓：100千瓦膜電極的面積是多大？
裴普成教授：現(xiàn)在一個堆大概20千瓦，每片膜電極大概有300平方厘米，每平方厘米能出0.4-0.8瓦電。目前在實驗室，可以把功率做的很高，但真正用在車上的時候不會達到最大功率量，而會留有余地，也就是標定功率與峰值功率這兩個概念的區(qū)別。
某與會嘉賓：鋰電池在裝堆時，循環(huán)壽命一般在500到700小時之間，如果按每次可使用10小時計算，鋰電池的總壽命大概在5000到7000小時，與燃料電池的堆壽命相當。
現(xiàn)在鋰電池主打的是給每輛車裝一個充電裝備，隨車走，而氫氣燃料在目前來講使用上還存在一定的問題，氫氣瓶國內(nèi)能夠達到35兆帕的還不是很多，將來在全國推廣會不會存在問題？
裴普成教授：現(xiàn)在日本和德國正在加快建設氫氣加注站，如果將來中國也要開始大面積銷售燃料電池車的話，也會做這個工作，解決氣源問題。
說到氣瓶，在實際應用中并不需要裝一次氫氣跑800公里，現(xiàn)在燃油汽車加滿一箱油也就是跑三四百公里，燃料電池汽車能跑到這個水平就可以了。根據(jù)之前奧運會期間清華的三輛燃料電池車測試數(shù)據(jù)，在公交車上壓力達到150個大氣壓裝的量就夠了。在技術(shù)上要求達到35兆帕，但實際一般不用裝那么多。
某與會嘉賓：最近國家科技部222條親自下了第一批863計劃，其中有鋰電池、燃料電池，液流電池只有一個5000小時長壽命項目，您對政策走向怎么看？
裴普成教授：未來政策走向肯定不會完全依賴于中國的情況，還會跟國外情況緊密相關(guān)。當然現(xiàn)在的政策制定也會與專家組有關(guān)系，如果專家組里有兩個搞燃料電池的專家，相信一定會有燃料電池項目，這也需要大家一起努力。
來小康：從儲能的角度來看，單個的燃料電池只是用來發(fā)電，裴教授可否給我們科普一下電解水效率的問題？
裴普成教授：電解水效率是大家普遍關(guān)注的問題。從電解水用電，再到產(chǎn)生電，總的效率大概為40%左右，電解水效率并不是很高。這個跟工況設備有關(guān)系，比如蓄電池，小電流密度效率就高一些，電流密度越高越大，它的效率會越低。
來小康：談到可再生能源，很多都要進行異地運輸，現(xiàn)在存儲和運輸在技術(shù)上有什么瓶頸？
裴普成教授：氫氣的運輸可以通過管道，也可以用灌裝。從成本上來講從管道輸送更合適。加拿大現(xiàn)在采用的是標準的灌裝輸送方式，而歐洲為了方便，是在一個地方制氫，然后通過天然氣管道把制出來的氫輸送到另一個地方，這種輸送對管道沒有任何影響。
在管道輸送中，氫的比例一般不超過20%，因為天然氣加15%到20%的氫氣組合出來的燃料給車用最合適，其效率和功率用在天然氣車上比較方便，而且這個比例不需要考慮金屬氫脆的問題。
陳海生：我從其他老師處得到的信息是，燃料電池現(xiàn)在比較貴，現(xiàn)在主要用于軍方，因為軍方對價格的敏感性比較差。這些老師告訴我，燃料電池價格貴的原因是對氫的要求比較高，如果氫氣的精度降下來整體壽命就會降低，同時還有壽命問題，導致現(xiàn)在燃料電池價格比較高。請問裴教授，關(guān)于這個問題下一步該如何改進？
裴普成教授：目前的行業(yè)現(xiàn)狀是，國產(chǎn)燃料電池不一定比國外便宜。因為國外的燃料電池生產(chǎn)已經(jīng)上了生產(chǎn)線，人工成本降低了，而中國目前沒有這方面的優(yōu)勢，所以現(xiàn)在國內(nèi)購買燃料電池可能會比從國外買還要貴一些。比如現(xiàn)在寶馬公司的電堆生產(chǎn)基本都是機器手進行操作，只要把原料放在生產(chǎn)線上，出來的就是堆，中間沒有加入人工因素，成本肯定要有所降低。
單純從燃料電池生產(chǎn)技術(shù)和工藝上來看，國內(nèi)外沒有太大差異。現(xiàn)在國內(nèi)用催化劑技術(shù)已經(jīng)把鉑的用量降到了每平方厘米0.4毫克，催化劑也是影響成本的一個重要因素。此外在國內(nèi)的燃料電池生產(chǎn)中，膜也是個問題?，F(xiàn)在國內(nèi)也可以生產(chǎn)膜，但更多還是去國外購買，從國外購買就會涉及到關(guān)稅、增值稅等問題，使得膜的成本比國外要高一些，這也增加了燃料電池的生產(chǎn)成本，有待于國產(chǎn)化。
某現(xiàn)場嘉賓：電池領(lǐng)域是否存在摩爾定律？比如特斯拉，第二代車的電池成本比第一代車降低了30%到50%，第三代成本進一步下降。鋰電池成本可以隨著技術(shù)發(fā)展降低，燃料電池是否也存在降價的可能性？未來發(fā)展是否存在瓶頸？
裴普成教授：從成本與量的角度考慮，任何產(chǎn)品都存在摩爾定律。比如生產(chǎn)燃料電池用的膜，同樣是進口的膜，買的多就會相對便宜些。燃料電池是十年前國家開始支持的，在這個領(lǐng)域里跟鋰電池發(fā)展最大的不同是現(xiàn)在鋰電池的生產(chǎn)廠家已經(jīng)有很多，而做燃料電池的還很少，這也導致燃料電池沒有鋰電池降價那么快。
這其中的影響因素我認為有兩方面，一個是政府的支持，另一個因素是技術(shù)門檻。政府支持是任何領(lǐng)域都繞不開的，哪怕這個技術(shù)不是很有前景，業(yè)內(nèi)人士不看好，但是只要政府支持要立項，就會有公司跟進。現(xiàn)在燃料電池和鋰電池的政府投入不一樣，這是一個因素。從技術(shù)門檻的角度講，鋰電池的門檻比燃料電池要低得多。十年前，很少有人知道燃料電池。即便是在三四年前申報國家資產(chǎn)基金項目，也曾有專家不知道燃料電池。當時想研究空氣質(zhì)量對燃料電池壽命的影響，而對方直接給出結(jié)論稱燃料電池不受道路環(huán)境空氣質(zhì)量影響，在他看來，燃料電池與空氣不接觸，把燃料電池理解成了普通電池的概念，這說明很多人對燃料電池還不了解，技術(shù)門檻比較高。而鋰離子電池方面，很多沾點兒邊的都敢做。
