鉅大LARGE | 點擊量：652次 | 2018年12月22日
燃料電池應和純電動互為補充嗎
2014年，當中國新能源汽車產業(yè)還深陷純電動與混合電動的路線之爭，豐田已經開始在日本市場投放氫燃料電池車。
現在，經過多年舉全國之力發(fā)展新能源，中國已經連續(xù)5年成為全球最大的新能源汽車市場。12月15日，前科學技術部部長萬鋼在人民日報發(fā)表文章指出，要加大對燃料電池發(fā)動機的研發(fā)力度，攻克核心技術、基礎材料和關鍵部件難關?！丁笆濉眹覒?zhàn)略性新興產業(yè)發(fā)展規(guī)劃》明確提出，要系統(tǒng)推進燃料電池汽車研發(fā)與產業(yè)化，到2020年實現燃料電池汽車批量生產和規(guī)?；痉稇?。
隨著市場的成熟，補貼政策正逐步退坡，而在這一過程中，優(yōu)惠政策已經默默向燃料電池車傾斜。
伴隨產業(yè)熱度上升，一系列追問也隨之而來。燃料電池汽車是否會全面取代純電動汽車的市場地位？燃料電池汽車是否是解決能源、環(huán)保問題的終極方案？如果是，何以至今未能開展市場化推廣？是受制于安全因素？中國是否有必要推進燃料電池的廣泛應用？
鳳凰網汽車《趙福全研究院》第十二季，清華大學汽車產業(yè)與技術戰(zhàn)略研究院院長趙福全與同濟大學校長助理、新能源汽車與動力系統(tǒng)國家工程實驗室主任余卓平教授圍繞燃料電池汽車的前景、瓶頸以及氫作為能源和儲能載體為我國能源結構帶來何種影響等重大問題展開討論。
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精彩觀點摘要：
氫氣安全性并不比汽油差
在汽車上使用氫氣與使用汽油相比，前者的安全性并不比后者差，車輛運行過程中是能夠確保氫氣安全使用的。真要是發(fā)生泄漏事故，汽油是彌漫性的，非常危險，而氫氣不是這樣。
燃料電池成本高昂的原因
目前燃料電池是很貴的，貴的原因主要是因為還沒有實現大規(guī)模量產。降低燃料電池成本也有不少難點：例如，氫氣和氧氣的化學反應需要貴金屬催化劑；燃料電池的性能衰減。
液態(tài)儲氫也是一個研究方向燃料電池對進氣純度的要求很高，同時，還要求在無油潤滑的條件下實現高速運行，高效、“無油化”的空氣壓縮機是一個技術挑戰(zhàn)。從氫氣儲存的角度看，目前車載儲氫所采用的氣態(tài)儲存密度較低，所以液態(tài)儲氫也是一個研究方向。
燃料電池汽車有望率先普及的應用場景
燃料電池汽車和純電動汽車并不是競爭關系，而是互為補充。在中小型乘用車堅持以純電動為新能源汽車發(fā)展方向的同時，大型商用車領域完全可以優(yōu)先發(fā)展燃料電池汽車。
氫氣是非常好的儲能載體
在二次能源結構里，氫能是可以和電能形成天然互補的能源載體。中國的可再生能源很豐富，現在的問題在于電能的儲存很困難，導致很多清潔的光電和風電都白白浪費了，而氫氣恰恰是非常好的儲能載體。
氫被歸類于危險化工品
氫氣有時候不是作為能源、而是作為化工品被看待，這是全世界的普遍狀況，在中國更為突出。按照現在的法規(guī)標準，氫氣只能在化工區(qū)使用，因為它被歸類于危險化工品。
中國發(fā)展氫能的迫切之處
第一，中國能源需求正在持續(xù)快速增長。隨著國民經濟的發(fā)展和生活水平的提升，中國的能源需求將不斷增長，亟需緩解傳統(tǒng)能源壓力，以新的能源形式補足缺口；第二，中國當前的能源結構是以煤為主，結構過于單一，而且面臨高碳壓力。
氫氣的能源定位需要國家戰(zhàn)略支持
目前加氫技術和加氫站建設技術都已經成熟，但是加氫站的標準規(guī)范還不健全。我國只有在國家戰(zhàn)略層面上明確氫氣的能源定位，才能在法規(guī)和標準體系建設層面上有所發(fā)展和突破，從而最終解決加氫站建設的難題。
以下為現場采訪實錄：
趙福全：鳳凰汽車的各位網友，大家好！歡迎來到鳳凰汽車“趙福全研究院”高端對話欄目。我是本欄目的主持人、清華大學汽車產業(yè)與技術戰(zhàn)略研究院院長趙福全。今天我們非常榮幸地請到了同濟大學校長助理、新能源汽車與動力系統(tǒng)國家工程實驗室主任余卓平教授。余老師，請和網友們打個招呼。
余卓平：各位網友好！
趙福全：余老師，您從事新能源汽車相關研究工作已有20余年，是中國新能源汽車發(fā)展的親歷者和參與者，也是本領域主要的學者之一。特別值得一提的是，您在同濟大學輔助當時擔任校長、后來擔任科技部部長的萬鋼（現任中國科學技術協會主席），直接參與了很多重要的國家新能源項目，可以說為中國新能源汽車的發(fā)展做出了巨大的貢獻。
很多人以為新能源汽車就是指純電動汽車，實際上中國把純電動汽車、燃料電池汽車以及插電式混合動力汽車都定義為新能源汽車。今天主要想和您談談燃料電池汽車。燃料電池汽車從之前的很少有人問津到現在的備受關注，產業(yè)熱度正在不斷升溫。那么，燃料電池汽車究竟是怎樣一種產品？請您和網友做個簡單的科普，給大家介紹一下燃料電池汽車的基本工作原理。
余卓平：本質上，燃料電池與我們現在電動車上使用的動力電池完全不同。常規(guī)的動力電池能夠把電能儲存在其中，使用的時候再把電能釋放出來。而燃料電池實際上相當于是一個發(fā)電機，其工作原理是電解水的逆過程。電解水是把水中的氫元素和氧元素分解開，這個化學反應是可逆的。如果讓氫氣和氧氣發(fā)生化合反應生成水，在反應過程中就會產生電子流動從而形成電流，燃料電池就是這樣一個發(fā)電裝置。簡單來說，燃料電池的工作原理就是將氫氣作為燃料，與空氣里的氧發(fā)生化學反應，進行發(fā)電。從概念上講，氫氣和燃料電池的關系就像煤炭和燃氣輪機、石油和發(fā)動機的關系。
燃料電池的一大優(yōu)點是其環(huán)保特性。實際上，全球能源發(fā)展的總體趨勢就是一個“減碳加氫”的過程——能源載體從柴草到煤炭、到汽柴油、再到天然氣，可以看到這些能源載體中的碳元素越來越少，氫元素越來越多?，F在全球都在致力于低碳發(fā)展，但目前所使用的主要能源的含碳量依然普遍較高。按照“減碳加氫”的理念，很多人認為氫氣是未來的終極能源。需要注意的是，這不是指未來全球只用氫能源，而是從“脫碳”的角度來講，“脫碳”到極致就沒有碳元素，只剩下氫元素了，也就是說氫氣代表著“脫碳加氫”的極致狀態(tài)。
趙福全：您談到燃料電池的工作原理是氫氣和氧氣發(fā)生化學反應，產生電流而輸出電能。那么作為動力系統(tǒng)，燃料電池的結構是怎樣的？動力輸出是如何實現的呢？
余卓平：燃料電池與發(fā)動機工作原理不一樣，不過在結構上又有很多類似的地方。發(fā)動機是一個完整的動力裝置，燃油在發(fā)動機內燃燒，產生爆炸力推動活塞和連桿運轉，將力轉化成扭矩。而燃料電池不是一個完整的動力系統(tǒng)，它只是一個發(fā)電機。當燃料電池作為汽車動力源的時候，還需要電動機的配合，由電動機把電能變成扭矩。也就是說，燃料電池加上電動機，才是一個完整的動力裝置。
在汽車業(yè)內，我們常說燃料電池和發(fā)動機很像，甚至把它稱為“燃料電池發(fā)動機”。有些人不理解，說燃料電池明明是發(fā)電機，為什么叫“燃料電池發(fā)動機”？這是因為在車輛工程領域的“燃料電池”，指的就是由燃料電池和電機組合而成的動力系統(tǒng)，從整個系統(tǒng)看，它確實相當于發(fā)動機。
其實，發(fā)動機在本質上也是一個化學反應的裝置，除了產生能量的燃燒室以外，還有空氣供給系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)等。而在燃料電池里也有類似的這三套系統(tǒng)，燃料電池也需要燃料系統(tǒng)，不同的是它的燃料是氫氣而不是燃油；同時也需要有空氣供給系統(tǒng)，不只是進氣，燃料電池也會排放尾氣，不同的是排放出來的氣體遠比發(fā)動機尾氣清潔；此外也一樣需要熱管理系統(tǒng)。所以從車用動力源的角度來看，燃料電池和傳統(tǒng)發(fā)動機相比，除了燃燒和發(fā)電的環(huán)節(jié)不一樣，其他部分基本一致。
趙福全：您剛才提到燃料電池時，總是限定于氫燃料電池，為什么一定要把“氫”和“燃料電池”綁定呢？燃料電池不能使用其他種類的燃料嗎？
余卓平：燃料電池的屬性與所使用的燃料密切相關，車用燃料電池的主要能源就是氫氣。就像發(fā)動機分為汽油機和柴油機一樣，燃料電池也有很多種類。其中一類叫質子交換膜燃料電池，這種燃料電池的結構極其簡單——兩塊極板中間夾一張質子交換膜，就組成了一個燃料電池單體，很多個單體組合在一起，就是一個電堆。質子交換膜燃料電池利用氫氣和氧氣反應直接發(fā)電。
燃料電池中還有其他很多種類，例如固體氧化物燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池等，固體氧化物燃料電池不但可以用氫氣作為燃料，還可以“吃粗糧”，也就是可以用天然氣、甲醇等作為燃料。因為它能在高溫下把碳氫化合物分解產生氫氣，所以理論上只要燃料含有氫元素就可以用于固體氧化物燃料電池。
不過，目前車用燃料電池的主流還是質子交換膜燃料電池，因為這類燃料電池使用純氫作為燃料，排放零污染，這一點與汽車追求零排放的目標是契合的。如果使用固體氧化物燃料電池，以甲醇或天然氣作為燃料時，那就和傳統(tǒng)發(fā)動機一樣有溫室氣體和污染物排放，因此還要開發(fā)相應的排氣凈化處理裝置。
趙福全：余老師剛剛和大家分享了燃料電池的基本工作原理，其核心部件是一個化學反應的發(fā)電裝置，再與電機等其他零部件組合在一起構成動力源。回到我們汽車產業(yè)，燃料電池是什么時候開始應用的？
余卓平：對汽車產業(yè)而言，我們接觸到的燃料電池主要都是車用燃料電池。其實燃料電池研究是從電化學領域起步的，最初是電化學科學家研發(fā)出了燃料電池。而且燃料電池的使用最早也不是在汽車領域，而是在航天領域，為了能使衛(wèi)星運行的時間更長，需要一個儲能密度高的裝置作為動力源，燃料電池能夠滿足這個需求，因此得以在航天領域應用。而汽車工程師們的貢獻就是把這個科研成果變成了一個可用于車輛的產品。
燃料電池在道路交通領域的首次應用可以追溯到上個世紀末。1994年，戴姆勒（當時稱戴姆勒-奔馳）公司發(fā)覺燃料電池是未來車用動力一個非常好的方向，就開發(fā)出全球第一輛燃料電池汽車。當時那輛汽車的外觀類似于金杯那樣的小面包車，前面有駕駛座和副駕駛座，車廂內其他空間全部是燃料電池裝置，包括儲存的氫氣和氧氣，這套裝置塞滿了車輛后部空間。三年后，戴姆勒公司對這套裝置進行了小型化改進，把燃料電池系統(tǒng)成功裝到了A級轎車里，而且能保證五個座位的空間，不足的是這輛車沒有行李廂，這就是當年燃料電池汽車起步時的情況。
趙福全：這么說來，燃料電池汽車的歷史并不長。那么，目前全球車用燃料電池技術進展到了什么程度？其產業(yè)化情況以及競爭態(tài)勢又如何呢？
余卓平：燃料電池在汽車上使用的歷史雖然很短，只有二十多年，但是進步非常快。燃料電池未來的發(fā)展，不僅取決于其排放的清潔性，也取決于其成本。目前燃料電池是很貴的，貴的原因主要是因為還沒有實現大規(guī)模量產。展望未來，大家普遍認為車用燃料電池將是一套低成本的動力裝置。
對燃料電池未來成本持樂觀看法的原因之一，是燃料電池的零件數量很少，僅是傳統(tǒng)發(fā)動機的百分之幾，一旦大規(guī)模產業(yè)化就可以顯著降低成本。原因之二，在于燃料電池性能衰減和壽命問題的攻關已經初見效果。二十年來，工程技術人員一直在致力于攻關燃料電池的性能衰減和壽命難題。燃料電池剛被研發(fā)出來時，運行2000小時，其性能就會出現大幅度衰減。曾經我們提出的研發(fā)目標是使燃料電池的壽命超過5000小時，而目前通過持續(xù)的技術攻關，公交車上燃料電池的使用壽命已經超過10000小時了。
當然，降低燃料電池成本也有不少難點。主要是氫氣和氧氣的化學反應需要催化劑，按現在的技術水平，催化劑只能使用一些貴金屬，比如鉑。鉑是稀有金屬，成本高昂。雖然經過二十年的發(fā)展，燃料電池中鉑的用量已經大幅下降，但成本仍然較高。目前在一些小批量商業(yè)化的燃料電池汽車上鉑用量約為0.3g/kW，按此估算，對于100kW的電堆，需要使用30克鉑，而二十年前同樣功率的電堆，鉑用量是這個數字的5倍以上。
目前實驗室做出的燃料電池鉑用量可以達到0.1g/kW的水平，這是什么概念呢？傳統(tǒng)發(fā)動機汽車通常有兩個地方要用到鉑，一個是在尾氣排放裝置中用來凈化有害物質，另一個是汽油機點火系統(tǒng)里的點火觸點。當燃料電池的鉑用量下降到0.1g/kW時，就和汽油機的鉑用量基本相當了。從這個角度講，大家還是應該有信心，未來燃料電池成本不會居高不下。只是在沒有大批量產業(yè)化之前，預期成本都是估算出來的，真正的成本還需要在產業(yè)化過程中才能確定。
提到成本，我還想說一個觀點。很多人都誤認為汽車沒什么技術含量，覺得汽車技術相對于特種航天技術來說太普通、太簡單了。但實際上，汽車核心技術絲毫不亞于特種航天技術，在某些方面，對汽車技術的要求甚至高于特種航天領域。一方面，對汽車產品性能的要求并不低于特種航天產品，因為汽車需要滿足各種截然不同的使用條件；另一方面，汽車技術在成本方面的要求遠高于特種航天技術，一旦成本高了，汽車就賣不出去了。作為大眾化的商品，汽車要在大規(guī)模生產中確保性能和降低成本，這一點與特種航天產業(yè)不同。在特種航天領域，無論是大型客機，還是火箭、衛(wèi)星，成本都不是最主要的考慮因素。最終，花費一兩年的時間，使用最好往往也最貴的零部件，只要把衛(wèi)星成功送上軌道，就圓滿完成任務了。而車企的生產流水線上，每天都有幾百輛甚至成千上萬輛汽車下線，每一輛汽車都要保證良好質量和低廉成本，還要保證能夠穩(wěn)定使用10-20年，這是非常難的。
下面講講燃料電池產業(yè)化進展和企業(yè)競爭的情況，這些年來全球燃料電池汽車的發(fā)展經歷了幾起幾落。上個世紀燃料電池汽車發(fā)展伊始，業(yè)界非常興奮，出現了第一波熱潮，持續(xù)了近十年時間。到90年代末，燃料電池技術領先的兩大汽車公司，一個是德國的戴姆勒，另一個是美國的通用，這兩家公司走在了世界前列。但是在奧巴馬政府上臺后，美國就暫停了對燃料電池的研發(fā)和關注。奧巴馬政府對燃料電池的發(fā)展前景有較大的質疑，認為動力電池才是未來汽車動力源的主要方向，因此就把燃料電池的研發(fā)擱置了。當時，受美國的影響，中國在燃料電池方面的投入也較少，沒有太多發(fā)展。
這個過程中有一件事讓我印象深刻：戴姆勒公司的一位技術主管曾跟我講，在混合動力上，我們輸給了日本，但是在燃料電池方面，我們絕對不會再輸給日本。前面提到，戴姆勒是第一家做出燃料電池汽車的公司。在2010年左右，戴姆勒曾經做過一個“燃料電池汽車全球行”的活動，把他們最新研發(fā)的燃料電池汽車帶到全球各地，也包括中國，進行示范運營。那個時候，戴姆勒可謂信心滿滿，計劃到2014年實現燃料電池汽車的商業(yè)化。結果活動結束后不到一年，戴姆勒就宣布調整計劃表，改為到2017年以后實現燃料電池汽車商業(yè)化。現在看來，他們的進度還是落在日本車企后面了。
雖然在燃料電池汽車發(fā)展初期，日本車企并沒有太多建樹，但是他們一直孜孜不倦地堅持投入，到2014年，日本已經實現了燃料電池汽車商業(yè)化并正式對外銷售，一舉成為全球燃料電池技術領先的國家。日本豐田的燃料電池車型Mirai，更帶動了新一輪產業(yè)發(fā)展的熱潮。目前Mirai的售價大概在5萬美元左右，折算成人民幣就是三十幾萬元。這個價格要比特斯拉的電動車便宜，在運行中也更節(jié)能，無論是售價還是續(xù)駛里程都更有優(yōu)勢。由此也讓大家看到了燃料電池汽車的發(fā)展?jié)摿Γ谥袊鴮θ剂想姵氐钠谕苍谥鸩教岣摺?/p>
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