赵荣博：氢燃料核心零部件的机遇与挑战

编者按：9月14日，第五届未来能源大会举办氢能技术与应用发展专题论坛，聚焦于氢能领域的前沿技术和应用发展。本次论坛由中国能源研究会氢能专业委员会秘书长徐文辉主持，与会专家学者从氢能技术的标准、前沿技术研究和应用案例等几个方面，对氢能产业以及未来能源的可持续发展展开深入探讨。

中汽创智科技有限公司氢燃料产品应用高级工程师、江苏省氢燃料电池汽车标准化委员会副秘书长赵荣博先生作了《氢燃料核心零部件的机遇与挑战》演讲。

以下内容根据论坛演讲实录进行整理。

赵荣博：各位领导：大家好!刚才也听到了我们行业内的各种大咖从制氢包括后期的新的标准的应用制定方面的分享。我这边针对我们现在氢燃料电池电堆的核心关键零部件的机遇和挑战做一个分享。

氢燃料电池的应用场景是非常广泛的，制储运氢气是我们的上游环节，而我们的下游环节就是氢燃料电池的一个广泛应用，在这个广泛应用的前景上面，氢燃料电池这一部分，氢燃料电池的最核心其实就是它的膜电极。我们每个电堆里面有几十片核心关键的膜电极，以及双极板等材料购置而成，目前我们主要是从研发阶段到量产的一个关键阶段。研发阶段主要涉及到我们材料层级的研发，里面包括一些催化剂，然后质子交换膜，膜电极等材料。但是在结构方面的量产，其实我们现在已经有了一些小规模的应用，尤其是在国内的西北地区，还有上海，也就是刚才领导们提到了氢燃料电池的3+2国家示范城市群。

目前我们氢燃料电池其实已经广泛的应用在了固定式发电，然后便携发电，交通领域肯定是很多的，包括一些特种机械，这些特种机械包括一些氢燃料的航空飞机，然后四旋翼的无人机等方面。

膜电极作为氢燃料电池关键核心心脏，其实对电池的性能寿命起到了很关键的作用，重量很轻，仅占氢燃料电池重量整体的7%左右，但是却占到了整体电堆成本的70%。这当中存在一个很大的问题，科学研究与工程应用之间是存在一定的不匹配性的，我们科学研究更多的做了膜电极的基理探索，然后一个精准的合成，以及膜电极的结构设计。但是如何把这些性能体现在燃料电池的高效率、长寿命以及低成本方面，目前我们存在的这些问题，其实就是我们现在的一些瓶颈。

膜电极当中的关键材料，催化剂，质子交换膜和气体扩散层，这些技术长期被国外垄断，比如说日本、欧美国家。国内的市场催化剂目前也有很多公司在做，然后国产的催化剂其实就是左上角图中灰色的这一部分，其实市占率并不太高。中间的质子交换膜的山东的这家公司目前是我们国内的龙头，但是其他的膜电极的企业只有占3%，然后GDL也是一样，日本东立他们占据了很多GDL这方面的核心技术以及产品。

那么我们如何突破这些点，然后使我们国内的氢燃料电池在性能、寿命以及成本方面逐渐追上甚至赶超国际的这些头部企业呢?我们对氢燃料电池汽车做了一个大致的对比，与锂电池汽车以及目前的燃油车。其实燃油汽车到目前为止行业的体量已经非常大了，发动机经过了几十年在国内的发展，早已经技术非常成熟，市场规模也是稳定的，行业集中度是非常高的，各大传统的车企都在做燃油汽车。锂电池汽车其实现在行业是高速增长的，国内的宁德时代等一些企业都做了很多的相关工作，而且市占率也是越来越高，包括比亚迪。

商业模式也是非常清晰，但是目前锂电行业的竞争也是格外激烈的。但是氢能行业这是一个刚才我们局长说的是在氢能行业是相当于十年之后的锂电，那么现在氢能行业的研发费用是比较高的，市场也是相对小的，它需要区分具体的运营场景和运营规模。目前涉及氢燃料的创业公司其实非常多，全国可能有几千家，所以这也是一个高风险，但是未来也会有高收益的行业。

我们国家的金属重度依赖进口，我们锂电池当中常用的铂、钴、镍等等主要都是依靠国外进口的。按照纯电动汽车和氢燃料电池汽车的每年销量对比，纯电动汽车已经达到了689万，但是我们的销量还是下面这条绿线，销量是比较小的。但是我们根据市场预测，到2028年的时候，氢燃料电池汽车将会达到一个非常好的数量。

氢燃料电池汽车其实前期更多的厂家都是在做一些前期的导入，用公交车以及常用的洒水车，或者是轻卡车，包括北汽福田、一汽解放这些公司都做了一些导入。但是大家都知道，公交市场目前来说，很多的城市公交的车辆是在萎缩的，因为没有很多人再继续去坐公交车了，更多的都是私家车出行。所以后面我们还是要考虑氢燃料电池汽车的规范化示范，一定是要从中重卡，以及中长途的客运、冷链和环卫、物流，因为这些商用车都是要多拉快跑的。在未来的商业化发展当中，肯定是要多场景应用，这个多场景不光是我们现在考虑到的西北地区的一些煤厂，其实还有我们国内很多的钢厂、金属企业、干线物流，这些都是我们未来可以导入的一个商业化发展的多场景应用场景。

随着氢燃料电池国产化的进程以及产业化的规模不断加大，其实氢燃料的产业整体以及零部件的核心成本是一个明显的下降趋势。可以看到其实在2022年的时候，我们这个成本就已经到了一个每千瓦1300到1500元的趋势，一直在下降。这张图主要是介绍一下膜电极行业在目前我们发展的一个情况，这个膜电极的发展趋势一定是朝着高寿命以及高性能，然后低铂载量、高电压、高工作温度的方向发展。

大家可以看到左边的这个图，就是膜电极当中的铂载量是一定会不断下降的，红色的这条线是伴随着铂载量下降，膜电极的性能功率指标是在不断上升的，这个其实就是膜电极的一个X曲线。根据这个X曲线，日本的NEDO氢燃料也做了相应的规划，可以看到右边这幅图上，这些曲线通常来理解就是这个曲线越长越平缓，那么氢燃料电堆膜电极的效率以及它的性能指标是越高的。可以看到这个2023年的这条线是一条黑色的线，它相比在单体的电压方面还是略低于未来的规划，就是2040年的目标的。

我现在是属于中汽创智做产品应用的高级工程师，中汽创智这家公司是由中国一汽东风、长安以及中国兵装集团还有南京市的江宁经开科技共同注资160亿成立的。在这个下辖当中，我们分了三个部分，是智能底盘部分，以及智能网联部分，其中新能动力部分主要就是解决氢燃料各种卡脖子问题，以及氢燃料的研发、生产和后期的示范落地。我们的开发按照剥洋葱的形式，一层一层的包裹，我们通过两步走的方式，从2023年开始，持续加大研发膜电极的相关材料以及膜电极的合成工艺。

在这个过程当中，其实说是洋葱，我们可能更多关注的还是催化剂、膜电极、双极板以及电堆“四位一体”的研发设施，这四个作为很关键的核心材料，我们既要保护它的高性能，又要保护它的低成本，同时还要保护它的高可靠。只有这样的上了车之后，可能我们才会达到我们整体性能的最优。我们也是列举了这四个关键核心零部件所要做的研发任务点以及未来的方向。

我们的开发过程，因为氢燃料电池是一个相对全新的行业，整体的开发过程，我们还是沿用传统的V字型的开发流程，每一个部件都经过严格的仿真，从微米级到厘米级到米级的一个全方位的判断和测试。然后完成一个整体由车辆的需求端给输入，然后进行关键材料的技术改进，催化剂、质子交换膜、气体扩散层这些关键材料的技术研发和突破，然后进行技术优化以及产业协调。最后使我们做成的高性能的膜电极达到一个批量化制备的技术，然后合成一个完整的高性能、大功率、长寿命的氢燃料电池电堆，应用于车辆示范，然后以及未来的规模化市场。这是我们的一个整体路线，然后结合V字型开发流程，保证我们的产品质量是完全靠谱、稳定的。

这一页其实最右边那幅图是我们现在的一个从氢端到材料端，从上游到下游的一个规划情况。目前我们也是想要抢抓这个示范运营的落地，包括一些洒水车，然后垃圾清运车，抑尘车、洗扫车、网约车以及大功率的重卡的示范运营情况。

因为膜电极是一个非常关键的核心零部件，所以我们也进行的研发中心和生产基地的保障。在这个当中，我们已经建成了1350平方的研发实验室，专门负责膜电极材料的研发以及实验。未来我们可能在2025年将会完成一个3.4万平方米的研发基地建设，这个基地将会涵概我们所有氢燃料涉及的关键核心零部件，以及氢燃料电极、电堆的测试和相关工作。

右侧是我们进行关键核心零部件研发，从2023年到2025年的研发能力的发展规划，一直到2025年可能会达到2.72伏的电力水平。为了支撑这些，我们现在在南京市两区四地建立了研发中心以及测试基地。目前可以看到，在右上角那幅图中，江北的化工园其实是我们一个大面积的涉氢实验场所，这个实验场所当中我们的用氢量是非常大的，所有的涉及高能耗的实验都会在这里进行。

目前我们在膜电极、催化剂、质子交换膜方面我们布局了55项的发明专利，而且根据这些我们已经进展的膜电极方面的研究，我们同时拿到了国家科技部“十四五”重大专项，高性能、低成本燃料电池膜电极的产业化制备项目。同时我们的膜电极在2023年已经获得了江苏省先进技术制造产品的称号。

同时，为了满足膜电极在后期上车之后的一个实际运用的情况，我们还争取到了南京市工信局的氢燃料未来标杆场景的一个应用项目。同时我们这个膜电极在做的过程当中，已经拿到了实验室的CNAS认可，这个当中涉及到20项关于膜电极的相关测试。

围绕这个目前我们开发的膜电极平台，我们已经做了很多的产品，并且实际上车运用了。我们在左下角这些催化剂，气体扩散层、膜电极、双极板这些材料的开发是由我们自主完成的，同时我们自主完成了覆盖功率80-210千瓦的氢燃料电池电堆。目前我们搭载了两台商用车，一台10.5米的公交车，一台18吨的洒水车，这两辆车目前实际完成了1.7万公里以上的道路测试，在道路测试当中是非常顺利的，这个在国内的厂家当中是比较少的。

我们自主开发的80-210千瓦的电堆是经过了严苛的25项的DV实验，包括各个零部件的105项ADV实验，整体的实验可以完美的覆盖未来产品上车之后可能会出现的各种问题。我们搭载的80-210千瓦电堆组成了一套110千瓦的系统，未来还有180千瓦的系统，在这个系统当中同样与电堆也是进行了30项系统DV实验，229项ADV实验，以及13项整体调试。

我们这个系统主要有四大核心，一个是高集成度，我们加了一个自主设计的高集成度的分配板，这个板上面集成了我们很多的辅件。同时我们自主开发了氢气循环模块，然后这个当中整体系统当中的软件部分都是由我们自主开发，实现了一个从0到1的过程。这是我们展示的一个系统的测试情况。这是我们自主开发的应用产品，然后应用到车上的一个世纪应用的照片。右上角那个图是我们根据我们自己开发的产生形成了一个新的大数据平台，这个大数据平台可以实时监测我们车辆的数据信息，包括氢耗以及行驶过程当中的问题监控等等。

未来我们的氢燃料电池开发肯定是一定要依靠工艺和仿真，在这个高均匀性的铂分布，以及高一致性的涂布工艺等八项技术进行支撑，开发我们的催化剂以及气体扩散层，使他们具备高活性、高耐久、梯度化，同时在高功率密度和长寿命以及超低铂载量，低温冷启动方面的膜电极合成技术方面我们也要进行突破。总之就是我们从工艺和仿真的技术研发，然后反推到我们的技术突破最后应用到我们系统上的一个高功率、长寿命、宽工况和低成本的产品当中去。

在这个当中其实需要格外介绍一下的是什么呢?就是我们现在这个膜电极的浆料，这个浆料原材料里面的材料选型，以及浆料的分散涂布工艺，以及批量制造能力，这是我们在膜电极方面需要主要突破的五大核心技术领域，这个当中一共涉及16项核心技术能力，我们目前这16项已经都是初步掌握。

这一部分是想跟大家介绍一下其实在膜电极当中很关键的这个催化剂部分，针对这个高性能和高活性的催化剂，掌握一致性的批量的制备工艺，其实是我们现在国内的一大难题。我们很多的催化剂都是停留在实验室的层面，未来一致性的批量化工艺才是我们更要突破的一个点。

未来我们所有做的这个产品都会存在一个模块化以及车规级的开发。其实我们公司有很多人都是从车厂出来的，在这个过程当中，所有的氢原料作为一个新兴行业，我们所有产品满足车规级的要求，才能更好的适应未来我们在市场上的运行。

现在关于膜电极的投入各项设备已经达到了309台，研究中心和联合实验室也是基本上每天24小时在不停的做相关膜电极方面的测试以及制备。未来我们这个研发大楼建立之后将会有大约1800人来进行国内一流氢燃料实验室和核心材料实验室的一个工作和建立。

以上就是我的汇报。这一位是我们中汽创智科技有限公司氢燃料动力事业部的首席技术官和氢燃料动力开发部的总经理，各位在市场上面，或者是市场推广，以及我们这个核心材料的技术方面有任何问题，欢迎随时联系我们。

谢谢大家!