鉅大LARGE | 點擊量：709次 | 2021年10月30日
提高車用燃料動力電池的可靠性和耐久性
世界新能源汽車大會（WNEVC）于2019年七月1-三日在海南博鰲隆重召開。大會著眼于全球汽車產業的轉型升級和生態環境的持續改善，通過聚集全球專家智慧和產業精英，共同交流探討新能源汽車在技術創新、產業創新、政策創新、市場模式創新等領域的成功相關相關經驗與發展趨勢，凝聚產業共識，明晰汽車產業轉型升級的方向，探索電動化、智能化、共享化協同發展的有效路徑。在“氫能及燃料動力鋰電池技術創新”的主題峰會上，我國科學院大連化學物理研究所研究員、我國工程院院士衣寶廉院士發表了演講，內容如下。
衣寶廉院士發表演講
衣寶廉：
各位嘉賓，各位同行，上午好，我今天報告的題目是《提高車用燃料動力鋰電池的可靠性和耐久性》。分兩部分，第一部分介紹我國燃料動力鋰電池的現狀，第二部分講可靠性和耐久性。
燃料動力鋰電池與鋰離子電池相同，是按電化學原理發電的，工作按內燃機方式運行，能量儲存在氫罐當中，比較安全，電池不會爆炸也不會著火，只要電池里面出問題時，把氫氣切斷就可以。跟燃油車相比，用燃料動力鋰電池代替內燃機，油箱由氫瓶替代，好處就是排出的是水。適合重載和遠程車。就體積而言，現在國際上達到了4缸內燃機水平，有的好的達到了6缸，每立升3千瓦，壽命最長達到25000小時。Pt用量還是比較大的問題，國際上達到0.2g/kW，希望達到0.1g/kW。國內比較高，在0.3-0.4g/kW。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
我們2008年北京奧運會23輛，2009年16輛到加州，2010年有一輛大巴參加新加坡的世青會，2010年196輛，參加上海世博會示范運行。上汽為了考察電動汽車對環境的適應性又搞了一個創新征程，燃料動力鋰電池車在西藏也能開，就是速度慢一點。我國成立了氫能聯盟，剛剛公布了白皮書，里面包括了很多央企。2018年國家支出8億多支持和燃料動力鋰電池車有關的研究，最大的兩筆一個是新源動力拿到的，做電堆的，一個是濰柴拿到的，做發動機的。
國內有4000輛左右燃料動力鋰電池汽車在示范運行，這是我們國家發表的通告數。大部分功率在30kW-60kW之間。現在國內的成本大概是1：1，就是發動機的輔助系統和電堆大概是1：1，現在電堆也開始下降，我們過去裝車的電堆體積比溶率都是每立升2kW，現在已經提升到3kW，系統成本也大幅度下降，一臺空壓機就是4萬塊左右。國內40多個省市先后公布氫能計劃，典型的還是上海市，上海大通FCV80已經開始公開銷售，每輛30萬。榮威950可以做到-30℃啟動，也可以銷售了。億華通是電池系統做得最好的單位。宇通是大巴車做得比較好的單位，兩家的大巴車在張家口進行示范運行，證明燃料動力鋰電池在冬天運行非常合適，因為它的余熱可以給車取暖。燃料動力鋰電池在冬天運行是非常成功的，這是張家口示范運行證明的。國鴻可以做出30kW到100kW的電堆。云浮也裝了燃料動力鋰電池的有軌電車。
通過十幾年的工作，不但有了產品也形成了隊伍。這是大連化物所做的3kw/L的電堆，新源動力生產的額定功能75kW，峰值功率85kW，體積比功率達到每立升3.4千瓦。我們萬部長前年在長春的科協年會上說，我們的燃料動力鋰電池在壽命、可靠性、適用性基本達到車輛使用要求，我國初步掌握了相關核心技術，基本建立了具有自主知識產權燃料動力鋰電池動力系統技術平臺，未來要加強協同創新，加快氫燃料動力鋰電池全面發展。
我們掌握了燃料動力鋰電池的核心技術，進行了大量的示范運行，累積了相關相關經驗，具備大規模示范運行的條件。
下面我講第二方面問題。
第一個是工況問題，電流波動、電壓波動、溫度濕度波動、壓力波動造成電堆壽命的縮短，為了解決這一快速加載問題，我們由萬鋼部長等提出搞電電混合。
第二個是限制高電壓，特別是啟動停車電壓更高。高電壓會導致碳氧化，進而鉑會有流失，抑制高電壓是延長燃料動力鋰電池壽命的重要問題。啟動停車形成氫空界面。我們學生做了實驗，最有效的辦法是放電，放電以后基本消除啟動循環的影響，這是新源動力做結果，假如說不解決啟動停車的高電壓問題，那么每個循環大概每節電池要降低0.37毫伏，采用了我們自己制定的程序，幾乎60次循環沒有衰減。這是燃料動力鋰電池衰減的很重要問題。控制電壓低于0.85V，電池就基本上沒有高電壓導致的衰減。
還有一個，就是燃料動力鋰電池的低溫啟停問題，這也是影響燃料動力鋰電池大量推廣應用的問題。有三個關鍵點，在燃料動力鋰電池內有三種水，在冬天燃料動力鋰電池停車要吹走自由水，再在零度以下儲存電池，就不會破壞電極結構和膜的結構。第二點是做到-20℃以上可以靠一定的加載程序自啟動，不要外部能源。第三點，在-20℃到-40℃間，可以通過氫泵，把氫泵到氧電極側，跟氧反應，也可以把氫混到進入電堆的空氣中，氫與氧氣反應，從-20℃到-40℃要實現啟動，還是要有一定能耗的，光靠一定程序啟動就啟動不起來。在這個過程中配上豐田車載MEA水含量在線監控。第三個方面，電堆陽極水管理，一定要把氫氣循環起來，防止氫電極表面積水，燃料動力鋰電池堆壽命可以提升上千小時。在發展我國家空氣當中的硫化物比較多，特別是北方，冬天取暖的時候，氫氣當中也可能有微量的硫化氫，一定要凈化掉氫氣中的硫化氫、空氣當中的二氧化硫，硫化物對電池是一個累積性的毒化用途，中毒以后采用電位脈沖掃描辦法恢復，但是這種恢復是恢復不到原先的水平，因為在脈沖電位掃描的時候碳也要氧化一部分，有一定催化劑要流失。我們購買的德國燃料動力鋰電池車做示范運行，原本說能做3年，結果3個月就垮了，他們后來說電池衰減和北京大氣中二氧化硫含量是一致的。二氧化氮、二氧化硫同時存在的時候，二氧化氮可以減輕二氧化硫毒化用途。可以用開路法和電壓脈沖發活化。我們現在研發用電化學方法，把二氧化硫氧化成三氧化硫。
還有電池安全問題，氫安全問題、電安全問題過去一直在提。我們要建立燃料動力鋰電池堆在運行時的健康指標，防止燃料動力鋰電池突然停車。實際燃料動力鋰電池在這方面比鋰離子電池簡單得多，因為燃料動力鋰電池堆要出事情都是氫氧互混，一般我們的操作都是氫氣壓力高于空氣壓力，所以只要在空氣出口加一個氫氣傳感器就可以了，就能表明電堆健康狀態。氫氣濃度低于千分之五的時候我認為是正常的，假如高于千分之五，電堆就是要檢修了，就要用黃燈顯示。對電堆來說，這一個指標基本可以表征電堆的安全性，燃料動力鋰電池在車上的安全狀態有漏電、漏氫一系列事情，但是有關電堆的狀況，完全可以用空氣當中的氫含量表征。
還有一個問題正在研究解決，就是突然撞車，現在都是一個堆，比如豐田，一個堆都是200多伏直流，假如兩個母線碰到車的底板，特別是正極母線，乘客就有被電死的可能，怎么樣在撞車的瞬間把燃料動力鋰電池電壓降到安全電壓以內，笨的辦法帶一個氮氣瓶，最好的方法還是放電，但是放電容易損害電堆，我們還在做實驗研究，最后從標委會定一個方法，在我們國家燃料動力鋰電池車上應用，盡管撞車的可能性很小，就算撞車正極母線掉到車地板的機率更小，但是我們也要搞。
最后建議是完善發動機產業鏈，建立關鍵材料的生產線和關鍵部件的空壓機。提高電堆的工作電流密度，提高電堆的體積和重量比功率。深入研發電堆衰減機理，開發抗腐蝕、穩定的新材料，大幅度提升發動機可靠性和耐久性。
謝謝大家。
