燃料电池应和纯电动互为补充吗

2018-12-22      250 次浏览

2014年,当中国新能源汽车产业还深陷纯电动与混合电动的路线之争,丰田已经开始在日本市场投放氢燃料电池车。


现在,经过多年举全国之力发展新能源,中国已经连续5年成为全球最大的新能源汽车市场。12月15日,前科学技术部部长万钢在人民日报发表文章指出,要加大对燃料电池发动机的研发力度,攻克核心技术、基础材料和关键部件难关。《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》明确提出,要系统推进燃料电池汽车研发与产业化,到2020年实现燃料电池汽车批量生产和规模化示范应用。


随着市场的成熟,补贴政策正逐步退坡,而在这一过程中,优惠政策已经默默向燃料电池车倾斜。


伴随产业热度上升,一系列追问也随之而来。燃料电池汽车是否会全面取代纯电动汽车的市场地位?燃料电池汽车是否是解决能源、环保问题的终极方案?如果是,何以至今未能开展市场化推广?是受制于安全因素?中国是否有必要推进燃料电池的广泛应用?


凤凰网汽车《赵福全研究院》第十二季,清华大学汽车产业与技术战略研究院院长赵福全与同济大学校长助理、新能源汽车与动力系统国家工程实验室主任余卓平教授围绕燃料电池汽车的前景、瓶颈以及氢作为能源和储能载体为我国能源结构带来何种影响等重大问题展开讨论。


精彩观点摘要:


氢气安全性并不比汽油差


在汽车上使用氢气与使用汽油相比,前者的安全性并不比后者差,车辆运行过程中是能够确保氢气安全使用的。真要是发生泄漏事故,汽油是弥漫性的,非常危险,而氢气不是这样。


燃料电池成本高昂的原因


目前燃料电池是很贵的,贵的原因主要是因为还没有实现大规模量产。降低燃料电池成本也有不少难点:例如,氢气和氧气的化学反应需要贵金属催化剂;燃料电池的性能衰减。


液态储氢也是一个研究方向燃料电池对进气纯度的要求很高,同时,还要求在无油润滑的条件下实现高速运行,高效、“无油化”的空气压缩机是一个技术挑战。从氢气储存的角度看,目前车载储氢所采用的气态储存密度较低,所以液态储氢也是一个研究方向。


燃料电池汽车有望率先普及的应用场景


燃料电池汽车和纯电动汽车并不是竞争关系,而是互为补充。在中小型乘用车坚持以纯电动为新能源汽车发展方向的同时,大型商用车领域完全可以优先发展燃料电池汽车。


氢气是非常好的储能载体


在二次能源结构里,氢能是可以和电能形成天然互补的能源载体。中国的可再生能源很丰富,现在的问题在于电能的储存很困难,导致很多清洁的光电和风电都白白浪费了,而氢气恰恰是非常好的储能载体。


氢被归类于危险化工品


氢气有时候不是作为能源、而是作为化工品被看待,这是全世界的普遍状况,在中国更为突出。按照现在的法规标准,氢气只能在化工区使用,因为它被归类于危险化工品。


中国发展氢能的迫切之处


第一,中国能源需求正在持续快速增长。随着国民经济的发展和生活水平的提升,中国的能源需求将不断增长,亟需缓解传统能源压力,以新的能源形式补足缺口;第二,中国当前的能源结构是以煤为主,结构过于单一,而且面临高碳压力。


氢气的能源定位需要国家战略支持


目前加氢技术和加氢站建设技术都已经成熟,但是加氢站的标准规范还不健全。我国只有在国家战略层面上明确氢气的能源定位,才能在法规和标准体系建设层面上有所发展和突破,从而最终解决加氢站建设的难题。


以下为现场采访实录:


赵福全:凤凰汽车的各位网友,大家好!欢迎来到凤凰汽车“赵福全研究院”高端对话栏目。我是本栏目的主持人、清华大学汽车产业与技术战略研究院院长赵福全。今天我们非常荣幸地请到了同济大学校长助理、新能源汽车与动力系统国家工程实验室主任余卓平教授。余老师,请和网友们打个招呼。


余卓平:各位网友好!


赵福全:余老师,您从事新能源汽车相关研究工作已有20余年,是中国新能源汽车发展的亲历者和参与者,也是本领域主要的学者之一。特别值得一提的是,您在同济大学辅助当时担任校长、后来担任科技部部长的万钢(现任中国科学技术协会主席),直接参与了很多重要的国家新能源项目,可以说为中国新能源汽车的发展做出了巨大的贡献。


很多人以为新能源汽车就是指纯电动汽车,实际上中国把纯电动汽车、燃料电池汽车以及插电式混合动力汽车都定义为新能源汽车。今天主要想和您谈谈燃料电池汽车。燃料电池汽车从之前的很少有人问津到现在的备受关注,产业热度正在不断升温。那么,燃料电池汽车究竟是怎样一种产品?请您和网友做个简单的科普,给大家介绍一下燃料电池汽车的基本工作原理。


余卓平:本质上,燃料电池与我们现在电动车上使用的动力电池完全不同。常规的动力电池能够把电能储存在其中,使用的时候再把电能释放出来。而燃料电池实际上相当于是一个发电机,其工作原理是电解水的逆过程。电解水是把水中的氢元素和氧元素分解开,这个化学反应是可逆的。如果让氢气和氧气发生化合反应生成水,在反应过程中就会产生电子流动从而形成电流,燃料电池就是这样一个发电装置。简单来说,燃料电池的工作原理就是将氢气作为燃料,与空气里的氧发生化学反应,进行发电。从概念上讲,氢气和燃料电池的关系就像煤炭和燃气轮机、石油和发动机的关系。


燃料电池的一大优点是其环保特性。实际上,全球能源发展的总体趋势就是一个“减碳加氢”的过程——能源载体从柴草到煤炭、到汽柴油、再到天然气,可以看到这些能源载体中的碳元素越来越少,氢元素越来越多。现在全球都在致力于低碳发展,但目前所使用的主要能源的含碳量依然普遍较高。按照“减碳加氢”的理念,很多人认为氢气是未来的终极能源。需要注意的是,这不是指未来全球只用氢能源,而是从“脱碳”的角度来讲,“脱碳”到极致就没有碳元素,只剩下氢元素了,也就是说氢气代表着“脱碳加氢”的极致状态。


赵福全:您谈到燃料电池的工作原理是氢气和氧气发生化学反应,产生电流而输出电能。那么作为动力系统,燃料电池的结构是怎样的?动力输出是如何实现的呢?


余卓平:燃料电池与发动机工作原理不一样,不过在结构上又有很多类似的地方。发动机是一个完整的动力装置,燃油在发动机内燃烧,产生爆炸力推动活塞和连杆运转,将力转化成扭矩。而燃料电池不是一个完整的动力系统,它只是一个发电机。当燃料电池作为汽车动力源的时候,还需要电动机的配合,由电动机把电能变成扭矩。也就是说,燃料电池加上电动机,才是一个完整的动力装置。


在汽车业内,我们常说燃料电池和发动机很像,甚至把它称为“燃料电池发动机”。有些人不理解,说燃料电池明明是发电机,为什么叫“燃料电池发动机”?这是因为在车辆工程领域的“燃料电池”,指的就是由燃料电池和电机组合而成的动力系统,从整个系统看,它确实相当于发动机。


其实,发动机在本质上也是一个化学反应的装置,除了产生能量的燃烧室以外,还有空气供给系统、燃料系统、热管理系统等。而在燃料电池里也有类似的这三套系统,燃料电池也需要燃料系统,不同的是它的燃料是氢气而不是燃油;同时也需要有空气供给系统,不只是进气,燃料电池也会排放尾气,不同的是排放出来的气体远比发动机尾气清洁;此外也一样需要热管理系统。所以从车用动力源的角度来看,燃料电池和传统发动机相比,除了燃烧和发电的环节不一样,其他部分基本一致。


赵福全:您刚才提到燃料电池时,总是限定于氢燃料电池,为什么一定要把“氢”和“燃料电池”绑定呢?燃料电池不能使用其他种类的燃料吗?


余卓平:燃料电池的属性与所使用的燃料密切相关,车用燃料电池的主要能源就是氢气。就像发动机分为汽油机和柴油机一样,燃料电池也有很多种类。其中一类叫质子交换膜燃料电池,这种燃料电池的结构极其简单——两块极板中间夹一张质子交换膜,就组成了一个燃料电池单体,很多个单体组合在一起,就是一个电堆。质子交换膜燃料电池利用氢气和氧气反应直接发电。


燃料电池中还有其他很多种类,例如固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池等,固体氧化物燃料电池不但可以用氢气作为燃料,还可以“吃粗粮”,也就是可以用天然气、甲醇等作为燃料。因为它能在高温下把碳氢化合物分解产生氢气,所以理论上只要燃料含有氢元素就可以用于固体氧化物燃料电池。


不过,目前车用燃料电池的主流还是质子交换膜燃料电池,因为这类燃料电池使用纯氢作为燃料,排放零污染,这一点与汽车追求零排放的目标是契合的。如果使用固体氧化物燃料电池,以甲醇或天然气作为燃料时,那就和传统发动机一样有温室气体和污染物排放,因此还要开发相应的排气净化处理装置。


赵福全:余老师刚刚和大家分享了燃料电池的基本工作原理,其核心部件是一个化学反应的发电装置,再与电机等其他零部件组合在一起构成动力源。回到我们汽车产业,燃料电池是什么时候开始应用的?


余卓平:对汽车产业而言,我们接触到的燃料电池主要都是车用燃料电池。其实燃料电池研究是从电化学领域起步的,最初是电化学科学家研发出了燃料电池。而且燃料电池的使用最早也不是在汽车领域,而是在航天领域,为了能使卫星运行的时间更长,需要一个储能密度高的装置作为动力源,燃料电池能够满足这个需求,因此得以在航天领域应用。而汽车工程师们的贡献就是把这个科研成果变成了一个可用于车辆的产品。


燃料电池在道路交通领域的首次应用可以追溯到上个世纪末。1994年,戴姆勒(当时称戴姆勒-奔驰)公司发觉燃料电池是未来车用动力一个非常好的方向,就开发出全球第一辆燃料电池汽车。当时那辆汽车的外观类似于金杯那样的小面包车,前面有驾驶座和副驾驶座,车厢内其他空间全部是燃料电池装置,包括储存的氢气和氧气,这套装置塞满了车辆后部空间。三年后,戴姆勒公司对这套装置进行了小型化改进,把燃料电池系统成功装到了A级轿车里,而且能保证五个座位的空间,不足的是这辆车没有行李厢,这就是当年燃料电池汽车起步时的情况。


赵福全:这么说来,燃料电池汽车的历史并不长。那么,目前全球车用燃料电池技术进展到了什么程度?其产业化情况以及竞争态势又如何呢?


余卓平:燃料电池在汽车上使用的历史虽然很短,只有二十多年,但是进步非常快。燃料电池未来的发展,不仅取决于其排放的清洁性,也取决于其成本。目前燃料电池是很贵的,贵的原因主要是因为还没有实现大规模量产。展望未来,大家普遍认为车用燃料电池将是一套低成本的动力装置。


对燃料电池未来成本持乐观看法的原因之一,是燃料电池的零件数量很少,仅是传统发动机的百分之几,一旦大规模产业化就可以显著降低成本。原因之二,在于燃料电池性能衰减和寿命问题的攻关已经初见效果。二十年来,工程技术人员一直在致力于攻关燃料电池的性能衰减和寿命难题。燃料电池刚被研发出来时,运行2000小时,其性能就会出现大幅度衰减。曾经我们提出的研发目标是使燃料电池的寿命超过5000小时,而目前通过持续的技术攻关,公交车上燃料电池的使用寿命已经超过10000小时了。


当然,降低燃料电池成本也有不少难点。主要是氢气和氧气的化学反应需要催化剂,按现在的技术水平,催化剂只能使用一些贵金属,比如铂。铂是稀有金属,成本高昂。虽然经过二十年的发展,燃料电池中铂的用量已经大幅下降,但成本仍然较高。目前在一些小批量商业化的燃料电池汽车上铂用量约为0.3g/kW,按此估算,对于100kW的电堆,需要使用30克铂,而二十年前同样功率的电堆,铂用量是这个数字的5倍以上。


目前实验室做出的燃料电池铂用量可以达到0.1g/kW的水平,这是什么概念呢?传统发动机汽车通常有两个地方要用到铂,一个是在尾气排放装置中用来净化有害物质,另一个是汽油机点火系统里的点火触点。当燃料电池的铂用量下降到0.1g/kW时,就和汽油机的铂用量基本相当了。从这个角度讲,大家还是应该有信心,未来燃料电池成本不会居高不下。只是在没有大批量产业化之前,预期成本都是估算出来的,真正的成本还需要在产业化过程中才能确定。


提到成本,我还想说一个观点。很多人都误认为汽车没什么技术含量,觉得汽车技术相对于航空航天技术来说太普通、太简单了。但实际上,汽车核心技术丝毫不亚于航空航天技术,在某些方面,对汽车技术的要求甚至高于航空航天领域。一方面,对汽车产品性能的要求并不低于航空航天产品,因为汽车需要满足各种截然不同的使用条件;另一方面,汽车技术在成本方面的要求远高于航空航天技术,一旦成本高了,汽车就卖不出去了。作为大众化的商品,汽车要在大规模生产中确保性能和降低成本,这一点与航空航天产业不同。在航空航天领域,无论是大型客机,还是火箭、卫星,成本都不是最主要的考虑因素。最终,花费一两年的时间,使用最好往往也最贵的零部件,只要把卫星成功送上轨道,就圆满完成任务了。而车企的生产流水线上,每天都有几百辆甚至成千上万辆汽车下线,每一辆汽车都要保证良好质量和低廉成本,还要保证能够稳定使用10-20年,这是非常难的。


下面讲讲燃料电池产业化进展和企业竞争的情况,这些年来全球燃料电池汽车的发展经历了几起几落。上个世纪燃料电池汽车发展伊始,业界非常兴奋,出现了第一波热潮,持续了近十年时间。到90年代末,燃料电池技术领先的两大汽车公司,一个是德国的戴姆勒,另一个是美国的通用,这两家公司走在了世界前列。但是在奥巴马政府上台后,美国就暂停了对燃料电池的研发和关注。奥巴马政府对燃料电池的发展前景有较大的质疑,认为动力电池才是未来汽车动力源的主要方向,因此就把燃料电池的研发搁置了。当时,受美国的影响,中国在燃料电池方面的投入也较少,没有太多发展。


这个过程中有一件事让我印象深刻:戴姆勒公司的一位技术主管曾跟我讲,在混合动力上,我们输给了日本,但是在燃料电池方面,我们绝对不会再输给日本。前面提到,戴姆勒是第一家做出燃料电池汽车的公司。在2010年左右,戴姆勒曾经做过一个“燃料电池汽车全球行”的活动,把他们最新研发的燃料电池汽车带到全球各地,也包括中国,进行示范运营。那个时候,戴姆勒可谓信心满满,计划到2014年实现燃料电池汽车的商业化。结果活动结束后不到一年,戴姆勒就宣布调整计划表,改为到2017年以后实现燃料电池汽车商业化。现在看来,他们的进度还是落在日本车企后面了。


虽然在燃料电池汽车发展初期,日本车企并没有太多建树,但是他们一直孜孜不倦地坚持投入,到2014年,日本已经实现了燃料电池汽车商业化并正式对外销售,一举成为全球燃料电池技术领先的国家。日本丰田的燃料电池车型Mirai,更带动了新一轮产业发展的热潮。目前Mirai的售价大概在5万美元左右,折算成人民币就是三十几万元。这个价格要比特斯拉的电动车便宜,在运行中也更节能,无论是售价还是续驶里程都更有优势。由此也让大家看到了燃料电池汽车的发展潜力,近期中国对燃料电池的期望也在逐步提高。

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