• 撰文 / 涂彥平
• 編輯 / 張 南
• 設計 / 師 超

氫能一向被視為終極能源。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(guī)?；瘧谩獨淙剂想姵仄嚨钠占?，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，上海交通大學致遠學院常務副院長、燃料電池研究所所長章俊良帶來題目為《氫能與燃料電池汽車關鍵技術挑戰(zhàn)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。因為電解槽規(guī)模增長、可再生能源大規(guī)模部署、電解裝備利用率持續(xù)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(fā)電的電價在有的地方已經可以達到0.1元/kWh。

到2030年，燃料電池汽車百公里綜合成本和電動車基本持平，比燃油車更有優(yōu)勢。

目前市場上電堆的價格在1500元/kW左右。章俊良認為，隨著材料技術進步,規(guī)?；嵘约罢呒罴訌?，未來幾年將實現電堆年單價目標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(guī)模應用”。

章俊良表示，如果能實現氫氣成本價1美元/kg，從汽車百公里燃料消耗角度來說，這將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(fā)展的趨勢是什么？一是向大功率發(fā)展，二是向低成本發(fā)展。

其中，國內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。在一個電堆里面催化劑成本占40%以上，而鉑金屬的成本不會隨用量的增加而降低。

要解決這個問題，將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(zhàn)。

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(guī)模化量產的準備了?！?/p>

以下是章俊良演講內容實錄。

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匯報與技術交流。

在匯報交流前，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年做內燃機相關工作，后面的時間從事氫能與燃料電池相關工作，同時把內燃機相關的知識積累應用到了新的工作領域。

今天我的匯報題目是《氫能與燃料電池汽車關鍵技術挑戰(zhàn)與希望》。匯報內容分為以下幾個部分。

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(zhàn)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標的必由之路。

基于上海交大黃震院士團隊關于能源的數據統(tǒng)計和預測研究，了解到新能源將會從目前的補充能源逐漸向主體能源轉化。因為目前可再生能源只占能源總消費量百分之十幾，2060年將達到85%，占比的不斷提升將主要由風力發(fā)電和光伏發(fā)電裝機容量大幅提升來補充。2060年新能源發(fā)電量將接近70%。

氫能是新能源中的一種，當采用風力發(fā)電和光伏發(fā)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(guī)模儲能。氫能在交通、工業(yè)、居民建筑物用電、分布式發(fā)電站等領域，都會滲透進去。作為一個能源的基本形態(tài)，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(fā)展藍圖。這些顯示的內容一部分來源于我們調研的公開資料及專業(yè)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(guī)模增長，它的成本會下降。目前堿水制氫占比高，將來PEM（質子交換膜）電解槽制氫占比會不斷上升?，F有應用結果調研發(fā)現，PEM電解槽制氫更適用于可再生能源的特點。應對大規(guī)模制氫波谷和波峰的動態(tài)變化，PEM電解槽制氫技術在安全性等方面更能體現優(yōu)勢。

另外，可再生能源大規(guī)模部署也會帶來成本的下降。比如光伏發(fā)電和風力發(fā)電，尤其是光伏發(fā)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(xù)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(fā)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

從氫能產業(yè)上游的制氫到中游的儲氫加氫，加氫完了之后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(fā)展最活躍，因為其在能源轉化效率、工作溫度、負載響應速度以及環(huán)境適應性等方面綜合優(yōu)勢最佳。

這里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，也就是百公里綜合成本的比較，包括它里面的加注氫氣/燃料成本或充電成本、維修保養(yǎng)成本、折舊成本。結論是，到2030年燃料電池汽車百公里綜合成本和電動車基本持平，比燃油車更有優(yōu)勢，如果考慮碳稅方面的因素。

以下是燃料電池電堆和系統(tǒng)的成本分解，基于做電堆研發(fā)和系統(tǒng)研發(fā)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，隨著材料技術進步,規(guī)?；嵘约罢呒罴訌?，未來幾年將實現電堆年單價目標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(guī)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。以美國為例，有一個111計劃，大概在10年內，到2030年左右，將實現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。個人認為非常有可能實現用電成本的下降達到預期目標。

現在有的地方可以做到光伏發(fā)電9分錢到1毛錢一度電，如一公斤氫氣按大約50度電計，那么1kg氫氣就是5塊錢，加上儲運就是10來塊錢。所以，將來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，從汽車百公里燃料消耗角度來說，這將比柴油和汽油都更便宜，大概是這么一個趨勢。

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(fā)展。

首先是汽車保有量，全球到2021年為止是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(fā)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(fā)展，對普及氫燃料汽車有非常大的促進作用。

我國的產業(yè)政策對氫燃料電池給予了極大推動。去年國家發(fā)改委和國家能源局發(fā)布《氫能產業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021-2035年）》。2025年燃料電池汽車推廣應用有望達到5萬輛，產業(yè)規(guī)模千億元。2030年有望實現百萬輛級，達到萬億級別的產業(yè)規(guī)模。過去十年，國家各部委密集發(fā)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(fā)展的趨勢是什么？在我們看來可能是向大功率發(fā)展，向功率密度進一步提升發(fā)展以及向低成本發(fā)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(fā)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(fā)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(guī)?；慨a的準備了。

從成本分析來看，剛才提到了催化劑，為什么催化劑這么重要？將1000輛車與50萬輛車相比，催化劑的成本占比越來越高，在一個電堆里面催化劑成本占40%以上，因為鉑金屬不會隨用量增加而降低，而極板、涂層都會越來越便宜。

從制造成本和技術角度來講，內燃機比燃料電池更復雜，所以燃料電池規(guī)?；圃鞂⒃絹碓奖阋耍瑥倪@個角度看規(guī)?；絹碓接袟l件。

鉑用量降低到0.1g/kW以下

要解決這個問題，將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，極板和氣體擴散層匹配也要變化，帶來了幾個技術的更新迭代。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?，F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(guī)模使用對鉑的市場將造成巨大的沖擊，這個鉑用量不努力降下來，要大規(guī)模使用將變得很困難。我個人認為，在2030年左右首先降到0.15g/kW以下，往后再努力降到0.1g/kW以下，將使燃料電池實現規(guī)?；慨a。

低鉑化帶來技術挑戰(zhàn)，需要將催化劑、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(fā)動機有三大問題。第一是高功率輸出，第二是長壽命運行，第三是復雜運行工況。高功率輸出，主要大電流區(qū)域性能會急劇惡化，還有長壽命運行，催化劑衰減加速，還有就是復雜運行工況，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(fā)，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(tǒng)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(fā)，主要是從深層機理開始，到核心材料研制，到后端的測試和驗證系統(tǒng)進行全面覆蓋。

燃料電池里面反應方程式，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，鉑含量在將來要降到0.1g/kW以下是什么技術，在我看來就是把鉑用量最大限度地降低，降低的概念是什么呢？把里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，里面是其他的金屬。因為在燃料電池中起催化作用的是表面的原子，里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，成為一個效率最高的催化劑，用量也是最低的。我們開發(fā)出來的技術就是原子單層的催化劑。這里顯示的是我們的工作，就是把顆粒做到納米化，一致性好，全部做成球形，穩(wěn)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(fā)了新的低溫下合成合金的催化劑，怎么提升活性和穩(wěn)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

膜電極低鉑化之后，燃料電池里面電極的額外阻力怎么來的，設計實驗將阻力進行了區(qū)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(fā)生鉑用量下降的時候，里面的傳質機理全部改變了，尤其是電極里面的傳質，當鉑載量降到0.05g/kW以下的時候，電極里的傳質阻力占整個傳質阻力的70%以上，導致燃料電池根本不能用。為什么現在要做到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，電極里面氧氣傳質通過分子動力學來模擬是什么過程，最主要的是碳顆粒和鉑表面的一個傳輸過程。在燃料電池里面，電極里面所說的三相界面，既需要有氧氣，又需要有電子，又需要有質子，電化學反應發(fā)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，比如說鈷原子的摻雜，是國際上應用的一款主流催化劑，鈷溶解出來導致了一系列的問題，這些事情如果機理上不清楚，優(yōu)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，包括里面的流場的分布、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?，F在研究最活躍的是酸性質子交換膜電解槽，傳統(tǒng)堿性電解槽已經實現了工業(yè)化，成本比較低。但為了能夠適應可再生能源發(fā)電的間歇性、波動性和隨機性，我認為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。

基于更多場景適用考慮，現在堿性電解槽也在往堿性膜電解槽方向發(fā)展。堿性膜結合了堿水和質子膜的特點優(yōu)勢，它的問題就是目前因堿性膜不夠成熟，還沒有商業(yè)化應用案例，技術發(fā)展還需要時間。

質子交換膜電解槽的問題在哪里？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、雙極板，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，是金屬釕的15倍左右，它們之間的相對價格會隨著市場需求發(fā)生改變。

為降低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致，甚至被替代。初步研究發(fā)現RuMn合金因其性能和耐久性有望替代銥基材料，為后續(xù)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(yōu)勢是可以實現大電流制氫，但是大電流工作陽極會產生更大量的氧氣，電極里面的排氣做得不好會有很大的電壓損失，導致效率下降。這里面的電極過程怎么優(yōu)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、膜電極的產品，膜電極后面會講到有些應用，結合國家項目，我們研究出來了電解槽以及燃料電池系統(tǒng)樣機。值得大家關注的是，目前膜電極產品已經裝配了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產的膜電極裝機量全國第一。

關于電堆系統(tǒng)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(fā)。

我的報告內容介紹完畢，謝謝大家！