撰文
/ 錢亞光
編輯
/ 張 南
設計
/ 趙昊然
“如果採用我們正在開發的第三代技術，也就是原子單層催化劑，鉑載量只有5克/100千瓦，那麼就可以生產720萬輛車，可以稱之為批次生產了。最終如果能做到1克/100千瓦，全球就可以生產近3600萬輛車。”
上海交通大學機械與動力工程學院燃料電池研究所所長、致遠學院常務副院長章俊良2021年第十三屆中國汽車藍皮書論壇的《低鉑燃料電池的技術挑戰和應對策略》主題演講中表示。
上海交通大學燃料電池研究所成立於1998年，也是國內第一家在高校成立的專業燃料電池研究機構，研究領域包括質子交換膜燃料電池、固體氧化物燃料電池、鋰電池和儲能電池等，其80%-90%的研究集中在質子交換膜燃料電池上。
據章俊良介紹，目前燃料電池發展最大的障礙是它的成本，而成本主要集中在催化劑、質子膜、碳紙、雙極板，以及極流板、增壓機、冷卻器等關鍵材料和關鍵部件上。其中催化劑中鉑載量的減少是降低電堆成本的關鍵。
但是，對於汽車應用來說，鉑載量降到0。2克/千瓦以下，會帶來高功率輸出困難、無法實現長壽命執行和不能適應複雜執行工況等一系列問題。
針對這些問題，章俊良團隊提出了相應的解決方案：一是具有超低傳質阻力的新型低鉑合金膜電極；二是新型抗腐蝕鉑合金催化劑及其批次化製備技術；三是憎水性梯度分佈的非均質膜電極疊層製備技術。
透過研究和實踐，章俊良團隊已經實現了車用燃料電池低鉑合金膜電極微觀傳質、電荷傳遞、材料衰減方面的理論突破，在高功率密度、長壽命執行、適應工況執行等方面有了很大進步。
去年該團隊獲得了中國機械工業聯合會組織的鑑定，具有自主智慧財產權，研發了新型低鉑膜電極，達到國際先進水平，單位燃料電池電堆功率的鉑用量技術指標國際領先。他們還建成了國內首條車用燃料電池低鉑合金膜電極生產線，2020年累計製造膜電極26萬片。
以下是他的演講實錄。
尊敬各位嘉賓，媒體朋友們，大家下午好！
非常高興有機會在這裡做一個報告，和大家有一個交流，非常感謝賈可博士的邀請，這是我第二次參加這個會議。
我今天的報告題目是《低鉑燃料電池的技術挑戰和應對策略》。
首先介紹一下我們研究所，上海交通大學燃料電池研究所成立於1998年，也是國內第一家在高校成立的專業燃料電池研究機構，擁有講席教授1人、教授2人，副教授15人，博士、碩士研究生70多人。我們研究領域包括質子交換膜燃料電池、固體氧化物燃料電池、直接甲醇燃料電池、鋰電池和儲能電池等，研究專業範圍涵蓋電化學、催化劑、關鍵材料、電池部件、系統開發等方面。我們的研究百分之八九十是集中在質子交換膜燃料電池上的。
研究所裡有涵蓋催化劑、膜電極、電堆、系統方面的表徵、測試、開發和整合的能力，像催化劑我們有無塵實驗室、各種分析儀器。對於膜電極，我們有生產線，也有測試分析儀器。對於電堆，我們也有整合能力，做出的系統主要是做測試的。
燃料電池，其實是氫能板塊裡面一箇中樞環節，上游制氫到中游儲氫、加氫，再到下游的用氫，其實是依賴於我們的燃料電池技術和產品的水平。在燃料電池裡面，質子交換膜燃料電池是最活躍的，因為它的優勢非常顯著，可以適用於車用，功率密度高，效率高，也適用於大範圍溫況的變化。
相比內燃機，燃料電池系統是綠色無汙染的，也被認為是終極能源解決方案，它的效率在60%以上，負載響應非常快，能量密度非常高。
最近大家注意到了，豐田展示的燃料電池汽車充氫五分鐘，可以跑一千公里以上。它的關鍵材料，電堆裡面主要有質子膜、碳紙、催化劑、雙極板等，我們常說的MEA指的是質子膜、碳紙、催化劑集合的膜電極元件。
從電堆到系統，電堆裡有膜電極元件、極板、流場設計、密封材料、結構、端板及其他一些輔助部件。電堆還要和空氣供給系統（空壓機）、冷卻系統、氫氣供給系統一起，形成燃料電池發電系統。
這種系統跟我們通常看到的內燃機工作方式非常相近，也是一個開放系統。跟鋰電池最大的不同，在於鋰電池是一個封閉系統，而燃料電池是一個開放系統，這也就造成了它的很多關鍵問題、關鍵矛盾，優勢、缺點都不一樣。也就是說，燃料電池系統相對複雜，技術壁壘相對更高。
對於燃料電池來講，作為工程系統，其實都是一樣的，必須要把裡面的元素、材料、部件集合起來考慮，做工程最佳化，才能開發出高品質的、高技術的燃料電池電堆和系統。
比如說你需要關注催化劑，來降低它電化學的活化，也要關注它的傳質，功率密度，還有對流場設計和歐姆極化也都要關注，最終會反映到電堆裝配、電堆效能和電堆耐久性上來。燃料電池從開發角度來講，它是一個全鏈條、全系統的整合。
成本瓶頸在於催化劑和膜電極
目前，國際上先進燃料電池的壽命已經達到了車用的耐久性，美國UTC公司釋出的用於公交車系統的燃料電池，壽命可以達到3萬小時。根據我得到的最新訊息，現在燃料電池的壽命已經達到了6萬小時甚至8萬小時。燃料電池的壽命越來越高，應該是可以滿足汽車的使用要求。
其實燃料電池目前最大的問題是它的成本。2021年燃料電池批次生產的成本是43美元/千瓦，生產50萬-100萬輛車已經沒有問題，但離遠期大規模產業化還是有一點差距，最終燃料電池需要達到30美元/千瓦，才能夠接近內燃機的成本水平。這裡面降成本的路徑也是非常清晰，包括關鍵材料、關鍵部件，例如催化劑、質子膜、碳紙、雙極板的成本，以及極流板、空壓機、冷卻器、增溼器，這些都是需要降成本的。
這裡麵人們對成本下降的最大期望值，是在催化劑和膜電極，因為對於整個電堆來說，催化劑加膜電極在一起可以佔到成本的60%以上，所以催化劑和膜電極成本下降是未來燃料電池成本下降的最大瓶頸問題。
為什麼會這樣？現在大家都不太認為催化劑是一個問題，甚至有人跟我說，目前催化劑佔整個電堆的成本也不是很高，比如生產1000套，催化劑的成本只是在20%到30%之間，但是如果生產量增加，比如到50萬套或者100萬套，催化劑單一成本會佔到電堆的40%以上，加上膜電極元件，還有質子膜，氣體擴散層（GDL）和封裝等，可以佔到60%以上的成本，因此降低催化劑以及膜電極成本，是燃料電池未來發展的一個關鍵技術。
對於催化劑來說，最大的問題就是它裡面用到的貴金屬鉑，也就是我們通常說的白金，所以未來一定要採用低鉑催化劑，或者超低鉑催化劑，甚至是用未來的非鉑催化劑做燃料電池的催化劑，才能夠達到未來的使用要求和成本要求。同時，採用超低鉑催化劑的時候，你也需要提高膜電極的效能和壽命。
2000年的時候，我們用的是1克/千瓦時的鉑金催化劑，一輛車燃料電池發動機功率假設是100千瓦，大概需要110克鉑，到2008年是0。6-0。8克/千瓦，2020年降到0。2克/千瓦左右，未來能不能降到0。1克/千瓦，目前還不確定，也是現在我們燃料電池學術界、產業界共同努力的目標。
從技術路徑來看，最早在2000年左右，那個時候用的是鉑碳催化劑，純鉑顆粒承載在碳上面，直徑可以做到3-4奈米，甚至2-3奈米；2008年的時候，國際上已經開始採用鉑合金技術，也就是鉑鈷或鉑鎳催化劑，最好水平可以使鉑使用量下降一倍。
現在我們還在沿用鉑合金催化劑，最高可以做到0。2克/千瓦，已經到極致了，再往下走是什麼路徑？這就是今天燃料電池發展碰到的一個最大的技術障礙，因為你鉑載量不下降下來的話，它的遠期成本很難做到跟內燃機，甚至鋰電池來比較。這也是我今天要講的最主要話題。當前鉑載量水平是0。2-0。3克/千瓦，長期的目標應該是低於0。1克/千瓦。
我做了一個簡單的計算。比如我們全球鉑年產量大概是180噸，如果這裡面20%拿出來做燃料電池催化劑，這可能對鉑市場的衝擊不至於太大，因為一旦這個做起來，內燃機汽車三元催化器中的鉑就可以移到燃料電池裡面用了。從遠期來講，鉑是完全可以回收的，所以這是一條出頭路。
比如以第一代技術，用鉑碳催化劑做成的膜電極，100千瓦燃料電池發動機需要50克鉑，也就是說全球可以生產72萬輛車；如果是第二代技術，也就是今天國際上主流車廠都用得比較多的鉑合金催化劑技術，假如是20克/100千瓦，每年可以生產180萬輛車。對於大批次生產，這還是很小的量，但可以期待。
如果用第三代技術，就是我們一直開發的這個技術，原子單層催化劑，可以做到只用5克/100千瓦，可以生產720萬輛車，這就應該可以稱之為批次生產了。最終的遠期目標，我們希望能做到1克/100千瓦，這樣全球就可以生產3600萬輛燃料電池汽車。
因此，對於技術路徑來講，怎麼樣降低鉑載量，是目前最大的挑戰。大家可能會問我，我們能不能不用鉑？簡單地告訴大家，以目前的技術狀態或在可以預見的將來，不用鉑的催化劑或膜電極，要用到汽車裡面，還沒有看到可行的方案。
我們要將鉑載量降到極致，是有路徑可走的。第一代到第二代技術，都已經實現了，第三代技術正在開發過程中。在我看來，幾年之內有可能實現，也就是做到5克/100千瓦，製造幾百萬輛車。遠期目標還要更大的努力，甚至遠期技術還需要材料科學的一起努力。
低鉑燃料電池會有什麼問題
大家可能還會想到，鉑用量減少到底帶來什麼問題？這也是從技術角度來解剖它的低成本，低鉑燃料電池來用於汽車，到底有什麼問題？
對於汽車應用來說，如果鉑載量下降，由其是降到0。2克/千瓦以下，那麼問題就來了。
第一個問題是難以滿足高功率輸出，如果要做大功率的車輛，電堆會越來越大，大家會忍受不了；第二個問題是超低鉑燃料電池無法實現長壽命執行；第三個問題是超低鉑燃料電池無法適應複雜執行工況。
造成這些情況原因很多，但是最主要的原因，首先是高功率輸出需要大電流，會影響電機內空氣傳質效果，大電流區的效能會急劇惡化；其次是低鉑催化劑中必然要摻雜其他元素，鉑是非常穩定的，但其他元素是夠穩定的，比如合金的結構不夠結實，其他元素就會溶解，這樣催化劑衰減就會加速；第三是複雜工況執行的問題，主要是因為零增溼/低增溼條件下離子電阻大幅增加，複雜工況下，電流不斷變化，產生的水量也是不一樣的。
對於低鉑、超低鉑催化劑來講，離子傳輸對燃料電池效能影響非常大，降低裡面質子傳導電阻，對於低鉑膜電極和低鉑燃料電池也是關鍵技術之一。
從我們團隊的角度來說，我們圍繞這三個問題，也進行了十幾年的長時間研發，上海交通大學結合唐峰能源科技有限公司一起來做技術研發。交大負責基礎研究，唐峰能源公司負責技術開發和技術應用。
我們的客戶也有很多反饋，比如上汽、神力、宇通客車等。針對剛才提出的三大問題，我們提出了一些解決方案：一是發明了具有超低傳質阻力的新型低鉑合金膜電極，減少了傳質阻力；二是發明了新型抗腐蝕鉑合金催化劑及其批次生產技術；三是憎水性梯度分佈的非均質膜電極層疊技術，可以解決工況適應性問題。
目前的鉑合金催化劑和下一代催化劑，我們在效能、壽命、工況適應性上都做了很多研發，也取得了一批成果。我們也建成了國內首條車用燃料電池低鉑合金膜電極生產線，實現了批次供應。2020年累計製造膜電極26萬片，也實現了銷售，可以滿足8萬輛車的應用，上汽、宇通客車等企業的車輛中都有應用。基於低鉑燃料電池的開發，我們也得到了上海市技術發明一等獎，以及“上海交大年度十大科技進展”等榮譽。
從更底層的技術來說，簡單說一下，為什麼燃料電池採用超低鉑的時候，會帶來大電流的問題，這是因為電催化動力學和傳質動力學都不能滿足車用要求。
降低質子傳導電阻是關鍵
比如它的鉑載量下降至0。05毫克/平方釐米的時候，局域傳質阻力可以佔到整個傳質阻力的77%，而對於高鉑或第一代鉑碳技術，局域傳質阻力只有百分之十幾，局域傳質阻力的增加直接影響到電壓下降，而電壓和燃料電池電堆的效率是直接成正比的。這裡下降400毫伏，有效電壓會下降30%，效率是不可持續的。
為什麼低鉑情況下，局域傳質阻力會增加這麼大？主要是電化學活性表面積（ESSA）大幅下降所導致，也就是鉑顆粒減少了，氧氣用量和電流成正比，表面積減少，單位表面積要發出的電流量就會成倍增加，導致傳質阻力增加。對此我們也進行了不少研究。
直觀來說，從鉑載量從0。4毫克/平方釐米下降到0。05毫克/平方釐米的時候，它的局域傳質阻力可以從百分之十幾增加到70%以上，因為極下積水是最大的問題，解決辦法就是電極裡離子樹脂的構建，以及電極裡面殼和極板之間的適配，以增強極下傳質能力。我們由此可以看出，強化對流，降低極下傳質阻力，或者提高排水能力，是燃料電池走向低鉑化要解決的關鍵問題。
這跟燃料電池的設計、組裝是一致的，對於燃料電池低鉑化來講，傳質變得越來越重要。第三代技術和前兩代還不一樣，高鉑燃料電池的傳質阻力主要在氣體擴散層裡面，如果把鉑載量下降到0。2克/千瓦甚至0。1克/千瓦，氣體擴散層的阻力就不是主要阻力，反而阻力是存在於電極裡面，越來越深入。
我前面談到第一代、第二代、第三代的催化劑問題，第一代是純鉑，第二代是鉑合金，第三代是核殼催化劑，也就是原子單殼催化劑。其間最大變化是，從第一代到第二代，單個鉑顆粒的活性提高了兩到三倍。
到第三代的時候，鉑的利用率從30%提高到接近100%，把鉑的用量可以說已經降到極致了，如果再要提高它的活性，降低它的用量的話，只能是在第三代基礎上，使單個鉑原子的活性繼續提高，那是我剛才提出的最終的目標，就是降到1克/千瓦。如果能實現這個目標，在我看來，我們的技術就可以支撐燃料電池規模化應用，全球生產七八百萬輛車應該沒問題。
第一代、第二代催化劑現在已經實現產業化了，第三代現在還在開發。這是我們開發過程中的一些資料和結果。我們第三代催化劑跟第一代比，它的質量比活性從0。13提高到1。45，提高了十倍以上，從這個角度講，應該可以滿足燃料汽車批次使用的要求。
同時，我們的顆粒均勻性也做得非常好，因為要在提高活性的同時，還要提高穩定性，穩定性有一個來源就是催化劑顆粒大小是一致的。如果顆粒大小一致，每個顆粒都長得差不多，衰減是同時的，整體衰減就不會出現不平衡的問題。
我們對其形成機理和表徵做了很長時間的研究和開發，最終透過EDS掃描，驗證，確實形成了單原子層的鉑，其活性和耐久性，至少在實驗室階段，可以達到未來汽車使用的要求。
除了催化劑的活性，還要它的表面積怎麼提高？第一是採用活性化，第二是採用原子單層，這是未來的方向。另外最近發現一個很大的問題，就是在電極裡面，質子傳導也是個非常大的問題，簡單來說，就是電極裡面的質子傳導，只有膜裡面質子傳導導電率的十分之一以下。這是新發現的問題，主要是奈米尺度的問題。
對這個問題，我們也是經過開發，把它最佳化，做到可以支援低鉑和超低鉑的應用。我們把這個顆粒和質子膜在電極裡面的導電問題結合起來，做成一個非對稱的電極，在不影響它效能的同時，可以提高耐久性。這是我們去年獲得發明獎的原因之一。
我們目前單批次可以做500克催化劑，製成膜電極，車用工況下可以穩定執行超過8000小時，預測壽命超過1萬小時。這是國內首個系統級超低鉑膜電極大電堆的臺架測試，合作客戶為我們提供了實驗條件。
透過這個專案，我們完成了車用燃料電池低鉑合金膜電極微觀傳質、電荷傳遞、材料衰減方面的理論突破，具備了高功率密度、長壽命執行、適應複雜工況的低鉑合金膜電極批次生產技術，也成功實現了產業化的成果轉移，取得了良好的社會效益和經濟效益。
我們去年獲得了中國機械工業聯合會組織的成果認定，認為該成果創新性強，具有自主智慧財產權，研發了新型低鉑膜電極，達到了高功率密度、長壽命執行、適應複雜工況的應用要求，整體技術達到國際先進水平，鉑用量技術指標國際領先。我們也獲得國內外同行的一致高度評價，陶院士、美國能源部能源轉換中心主任等學術界同行也給予了高度認可。
除了膜電極之外，我們研究所和合作公司也在做流場設計。我們的流場設計完全是正向開發，研究歧管、分流區、流道區，還有上游、中游、下游怎麼實現水平衡和熱平衡，來增強極下對流，提高氣體傳質，來解決傳質極化的問題，我們也取得了一系列進展。
從電堆角度來說，我們已經做成了經過驗證的電堆，完全具備電堆的開發能力。目前開發的電堆有兩款，一個是75千瓦，一個是150千瓦，適合於-30攝氏度的低溫啟動。150千瓦的電堆正在除錯，從數學、物理模型的建立，到資料分析、裝配最佳化，到測試分析，再回到設計最佳化，實現了整合式的開發。這是我們實驗室的從材料、到單電池、短電堆、長電堆以及得系統的測試能力和開發能力。
對於未來，我剛才提到，實現鉑載量小於1克/100千瓦，燃料電池就可以實現3600萬輛車的生產，那絕對是大批量了，還需要做以下這些事，就是材料、催化劑、離聚物、強化傳質，耐腐蝕金屬極板，都需要做，這是我們未來需要聚焦的領域。
去年，我也給國家自然科學基金委做也一個報告，介紹了燃料電池的方向到底在哪裡。我們認為，燃料電池產業化已經是進入了商業化的匯入期，我們需要更加努力，從追趕到並跑，甚至到領跑國際燃料電池技術。這裡面需要膜電極、電堆匹配化的工程設計，還要協同系統控制策略，一起同步開發，才是未來燃料電池發展的方向。
非常感謝國家自然科學基金委、科技部、上海市科委、上汽集團長期以來的經費支援，謝謝大家。