鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：890次 | 2019年01月17日
燃料電池汽車在冬天的續(xù)航里程要比夏天還長？
1月11日-1月13日，以“汽車革命與交通、能源、城市協(xié)同發(fā)展”為主題的中國電動汽車百人會論壇（2019）在北京釣魚臺國賓館舉行。本次論壇以“汽車革命與交通、能源、城市協(xié)同發(fā)展”為主題，圍繞汽車零排放和電動化變革、能源轉(zhuǎn)化及傳統(tǒng)能源公司轉(zhuǎn)型、未來交通和出行變革圖景、下一代汽車關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展、汽車智能化和網(wǎng)聯(lián)化趨勢、核心供應(yīng)鏈培育、汽車生產(chǎn)組織方式變革、國際創(chuàng)新對接、產(chǎn)業(yè)政策調(diào)整等熱點(diǎn)問題進(jìn)行研討。
在1月13日上午進(jìn)行的《主題峰會3：燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)化的路徑與保障》上，清華大學(xué)氫能燃料電池團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人李建秋教授發(fā)表了主題演講。
以下是演講實(shí)錄：
尊敬的衣寶廉院士，尊敬的歐陽老師，王海江老師，尊敬的各位專家、各位領(lǐng)導(dǎo)，大家上午好！剛才衣老師把國內(nèi)外的情況都做了簡單介紹，郭副市長也把張家口，還有歐陽老師補(bǔ)充的，張家口的戰(zhàn)略意義都非常清楚了，下面就是怎么落實(shí)，擼起袖子加油干就行了。所以今天我就匯報(bào)一下我們在氫能燃料電池方面研究的進(jìn)展情況，偏技術(shù)一點(diǎn)，也對后面的趨勢做一個判斷。
我們都知道燃料電池系統(tǒng)我們俗稱為發(fā)動機(jī)，包括了單體、電堆、系統(tǒng)，系統(tǒng)里面包括了氫氣系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、功率輸出控制系統(tǒng)等等。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
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%
我們這個團(tuán)隊(duì)在歐陽老師的指導(dǎo)下，前面已經(jīng)做了十多年了，從2015年開始逐步在各種車型上推廣應(yīng)用。目前我們?nèi)〉昧藥讉€主要的進(jìn)展在這里給大家匯報(bào)一下：
第一，我們把流場的設(shè)計(jì)跟我們的流道里面氣體濃度的測量結(jié)合起來。因?yàn)槟阋岣唠姸训墓β拭芏龋捅仨氁軌蛑浪臐舛确植际遣皇呛侠?，所以在這些關(guān)鍵的技術(shù)上面，我們首創(chuàng)了國際上的沿著通道，就是流道方向的哪個點(diǎn)在什么樣的工況下、氣體濃度的組分是什么樣的，我們有一個比較大的突破，這樣你就能看到，沿著氣體濃度的方向，我們把模型跟測試結(jié)果匹配標(biāo)對完反過來再做改進(jìn)的設(shè)計(jì)，就能夠預(yù)測我們的性能。我認(rèn)為這個是我們真正取得很大突破的地方，就像傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)一樣，你有缸內(nèi)的壓力傳感氣，你能看到燃燒的壓力是怎么樣升高的，反過來你就可以改你的燃燒室。如果沒有這個閉環(huán)設(shè)計(jì)的手段你是提高不了的，所以這塊是我認(rèn)為我們近期很大的進(jìn)展。
第二，我們提出了雙循環(huán)系統(tǒng)。我們現(xiàn)在知道一般陽極再循環(huán)大家用的比較多，我們現(xiàn)在把陰極再循環(huán)也用上，雙循環(huán)，就是陽極和陰極同時(shí)再循環(huán)，通過陰級再循環(huán)，防止電壓過電位，低速的快速啟動、濕度的控制都有很好的效果，在這方面國際上我認(rèn)為我們也是首創(chuàng)，量產(chǎn)的發(fā)動機(jī)用雙循環(huán)系統(tǒng)。這是在實(shí)驗(yàn)室里做的，這是10千瓦時(shí)電堆的雙循環(huán)臺架，那邊是30千瓦的雙循環(huán)。通過雙循環(huán)能夠在冷啟動的時(shí)候縮短60%的時(shí)間。
第三，下大力氣進(jìn)行整個發(fā)動機(jī)的系統(tǒng)集成，各個部分怎么設(shè)計(jì)、怎么模塊化，同時(shí)在發(fā)動機(jī)控制上面我們提出了含水量閉環(huán)自適應(yīng)的控制。我們都知道，如果你的車要能夠適應(yīng)春夏秋冬不同的濕度、不同的溫度，而且又有不同的功率變化，水是它生成的產(chǎn)物，含水量的控制是非常關(guān)鍵的，一般如果你不閉環(huán)，要么就是磨缸、要么就是水淹，實(shí)際上是失穩(wěn)的，我們在怎么樣實(shí)現(xiàn)水的閉環(huán)方面做了很多工作，像豐田做到，整個電堆的含水量閉環(huán)，我們現(xiàn)在可以做到，除了整個堆，每片的含水量我們都可以看到，一個堆比如說300片，你這里面每片的含水量是什么樣的我們都能知道、都能看得清楚，通過這個技術(shù)能夠提高對電堆工作狀態(tài)的診斷。
第四，動力系統(tǒng)方面，我們實(shí)現(xiàn)了電電混合動力，通過這個實(shí)現(xiàn)它的長壽命。
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測繪、無人設(shè)備
第五，在整車的氫安全方面，我們已經(jīng)做了十多年，安全是始終要保證的，所以我們在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上怎么樣保證系統(tǒng)的安全也做了很多的工作。
第六，針對耐久性，我們也做了很多方面的研究工作。有的已經(jīng)開始應(yīng)用了，有的還沒有，因?yàn)槟途眯蕴貏e像我們的木桶效應(yīng)，40幾項(xiàng)措施里面，如果有一項(xiàng)你處理得不好，這個堆的耐久性可能就不行，所以必須所有的綜合措施都得加上來，包括在材料領(lǐng)域、在系統(tǒng)領(lǐng)域、在發(fā)動機(jī)控制領(lǐng)域，在整個動力系統(tǒng)的領(lǐng)域應(yīng)該怎么樣，再把它通過我們動力系統(tǒng)的循環(huán)，把它還原到我們測試臺架上的測試標(biāo)準(zhǔn)，最后通過像右下角這個紅線是我們?nèi)剂想姵氐膭討B(tài)工況，這樣的動態(tài)工況下到底能承受多長的壽命，我們現(xiàn)在基本上做到了1萬小時(shí)的耐久性。后面基于材料方面的改進(jìn)，比如膜電極的材料要能夠超過3萬小時(shí)，在應(yīng)對將來到2025年膜電極材料要達(dá)到4萬小時(shí)，不同的車用循環(huán)對照下來，能夠做到2萬—2.5萬小時(shí)，到2025年我們的判斷，基本上可以做到跟整車同壽命。
基于整套的，從電堆到發(fā)動機(jī)、到動力系統(tǒng)，再應(yīng)用到整車上，目前已經(jīng)開始產(chǎn)業(yè)化，并且有不同的企業(yè)已經(jīng)開始進(jìn)行相關(guān)的測試和驗(yàn)證。這個是福田的車在張家口崇禮，低溫適應(yīng)性的情況，證明我們整個燃料電池車可以在零下25度的環(huán)境下運(yùn)行，發(fā)動機(jī)本身在實(shí)驗(yàn)室里已經(jīng)可以做到零下30度啟動，但是我們在實(shí)際車輛應(yīng)用，還是會用動力電池和燃料電池相互配合的關(guān)系幫助它快速啟動。
同時(shí)剛才歐陽老師的觀點(diǎn)我們是很認(rèn)同的，如果我們對燃料電池汽車解決了它的低溫環(huán)境適應(yīng)性的話，本身整個車輛在低溫的環(huán)境下運(yùn)行是非常好的，為什么呢？因?yàn)槲覀兊娜剂想姵兀热缫粋€60—80千瓦的燃料電池發(fā)動機(jī)，它的輸出廢熱，就像我們傳統(tǒng)的柴油機(jī)一樣是有余熱的，這個廢熱大概也是60—80千瓦，這60—80千瓦如果夏天的時(shí)候要通過散熱系統(tǒng)專門散掉，如果是冬天的話，就只需要，比如說你可以拿它來給乘客艙采暖、給動力電池保溫，所以整個車輛在冬天的時(shí)候，乘客艙的溫度是可以控制的比較好的，而且它不用消耗燃料電池或者動力電池自己的電量來維持這個溫度。
所以，我們說燃料電池汽車是可以做到冬天如果加了整車的綜合熱管理可以跟夏天一樣長的續(xù)駛里程，純電動是做不到這一點(diǎn)的，純電動一定要消耗存儲電池里的熱量來殘熱，不管是PTC的加熱還是好的制熱空調(diào)，都是要消耗電量的，消耗動力電池的電量就意味著你的車冬天的續(xù)駛里程會變短，但是燃料電池不會，燃料電池夏天的時(shí)候需要消耗電量來給空調(diào)供電，而在冬天的時(shí)候只需要用廢熱給乘客艙保溫和采暖。所以從理論上講，冬天的里程應(yīng)該比夏天還長，這個我們正在跟宇通和福田，如果張家口夏天不用開空調(diào)的話，冬天和夏天的里程是一樣長的。這個也是我們堅(jiān)持在張家口的原因，張家口是我們在北方地區(qū)新能源汽車真正跟傳統(tǒng)燃油車同樣續(xù)駛里程的一個很好的試驗(yàn)點(diǎn)。
高原環(huán)境我們也進(jìn)行了測試，車輛從北京開到張家口，將來可能還會開到比如說唐古拉山等等更高原的，看看我們?nèi)剂想姵匕l(fā)動機(jī)，現(xiàn)在我們國內(nèi)也是很少做的，燃料電池發(fā)動機(jī)里面也有空壓機(jī)，空壓機(jī)在高海拔的環(huán)境下是不是也有環(huán)境適應(yīng)性的問題，但是張家口因?yàn)楹０胃叨冗€不算很高，1千多米，這個現(xiàn)在測試結(jié)果是沒問題的，當(dāng)然現(xiàn)在就開始產(chǎn)業(yè)化了。
所以客車和物流車現(xiàn)在基本上我認(rèn)為已經(jīng)進(jìn)入大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化階段，就是說性能完善，比如功率大一點(diǎn)、電池多一點(diǎn)、熱管理做的完善一點(diǎn)，我們學(xué)校就慢慢的要再往前走一步，就是利用物流車和商用車，把我們整個燃料電池發(fā)動機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈完善了之后，發(fā)動機(jī)的成本就會下降，同時(shí)剛才衣院士講的我們也是非常認(rèn)可的，發(fā)動機(jī)的功率密度和降低成本，功率密度上去了、成本下來了之后，下一個我們就會殺個回馬槍，就是進(jìn)入轎車領(lǐng)域。在北方地區(qū)，燃料電池轎車我們認(rèn)為仍然有它強(qiáng)大的生命力，現(xiàn)在我們正在跟北汽，今天北汽領(lǐng)導(dǎo)也有在座，我們已經(jīng)做了兩輪，這個是最新的一輪，現(xiàn)在已經(jīng)可以跑了，這樣轎車我們肯定是要干的。同時(shí)，我們也在跟青島四方干有軌電車，用的就是我們客車的電電混合動力系統(tǒng)。現(xiàn)在第一輛車在四方佛山南海正在示范，車已經(jīng)可以跑了。所以我認(rèn)為，有軌電車將來也是重要的應(yīng)用場景，傳統(tǒng)的有軌電車需要帶個“辮子”，要有供電軌道，要么上面有供電電纜，要么有第三軌，我們剛開始不知道，后來一問，它的供電這套基礎(chǔ)設(shè)施，包括電網(wǎng)、電站、供電軌一公里要3千多萬，我現(xiàn)在把燃料電池在線發(fā)電，就是一輛車增加幾百萬，把燃料電池系統(tǒng)裝到車上去，不要這個供電軌了，這兩個軌道是不帶電的，這個建設(shè)成本大大降低。而且有軌電車，只需要在始發(fā)站建一個加氫站就行了，所以這個我們認(rèn)為下面還有發(fā)展的空間。我們現(xiàn)在給它的氫系統(tǒng)配的35或者70兆帕的，將來如果配上液氫系統(tǒng)，我這個有軌電車一天跑下來都沒有問題。當(dāng)然我們青島四方去年也拿了個獎，就是氫能燃料電池的。
再匯報(bào)一下我們正在干的工作，這個是北京市科委給我們的項(xiàng)目，我們現(xiàn)在也在國內(nèi)尋求合作伙伴，我們整車企業(yè)看誰感興趣，主要是針對我們重卡的領(lǐng)域。因?yàn)槿剂想姵匕l(fā)動機(jī)是可以做到功率偏大的，而且一會兒我會有一個經(jīng)濟(jì)性的分析，就是說在重卡領(lǐng)域，純電動相比來講，沒有燃料電池這么有優(yōu)勢，我們前面也做了市場的調(diào)研，我們有這個長途的客運(yùn)比如省際物流1千公里的，一般是6×4的半掛拖車，現(xiàn)在是柴油機(jī)改成LNG，就是下面兩個氣罐的這種，還有一種針對城市里的城建車輛，比如渣土、水泥攪拌，8×4的這種，35噸級的，城市建設(shè)，像北京公轉(zhuǎn)鐵，鐵路把基礎(chǔ)建設(shè)運(yùn)到車上，渣土城建車輛就把它運(yùn)到工地，這種車輛現(xiàn)在純電動電池占的比重比較高。我們基本上，第一個車型就是針對8×4的，這個項(xiàng)目我們現(xiàn)在正在做，我們會研發(fā)發(fā)動機(jī)、動力系統(tǒng)，現(xiàn)在不知道哪個整車感興趣，加入我們一起來做，現(xiàn)在福田是我們的一個合作伙伴，下面也有其他的合作伙伴感興趣，如果感興趣回頭可以來找我。
我們基于原有的純電平臺、LNG的平臺來做這個工作，我們將采用液氫的系統(tǒng)，不再采用氣氫了，比如舉個例子，這是我們的一個初步的方案，我們?nèi)剂想姵氐墓β蚀蟾艜龅?60—200千瓦，就是保證在長途的公路八九十公里可以持續(xù)開，加一次氫氣1千公里，并且我們會采用先進(jìn)的電動輪技術(shù)，就是電機(jī)是直接在輪轂里面的，就是先進(jìn)的分布式電驅(qū)動技術(shù)、大功率燃料電池發(fā)動機(jī)技術(shù)、先進(jìn)的液氫儲氫技術(shù)，包括它的綜合能量管理。昨天我們歐陽老師的報(bào)告有一個預(yù)測，大概重卡2030年左右會成熟，我們要有一個提前量，我們現(xiàn)在就開始要做初步的研究了。
第二部分，下一步燃料電池汽車的發(fā)展會怎么樣。
剛才衣院士也介紹了相關(guān)的情況：第一，要保證它的效率。比如我們現(xiàn)在額定電壓一般是0.6V左右，0.65V，將來慢慢通過材料水平技術(shù)進(jìn)步慢慢會提高的，我們知道反應(yīng)電壓越高效率就越高。第二，成本。我們認(rèn)為2025年左右大概是3千—5千元，2030年會降到1千元，1千元是什么概念呢？像12米公交，一般用50—60千瓦的發(fā)動機(jī)，1千/千瓦大概5—6元，這個錢的成本已經(jīng)低于我們國6柴油機(jī)的成本了，所以將來燃料電池還會有顯著的成本下降。
這是我們做的一個預(yù)測，不一定對，黑色的目標(biāo)是2014年的時(shí)候，我們那個時(shí)候判斷的，每個階段我們指標(biāo)大概能夠?qū)崿F(xiàn)什么樣的水平，去年我們做了一個中期的評估，看我們達(dá)到了什么樣的水平，大家可以看到，2018年的時(shí)候我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)2.0千瓦/升，而且2.0千瓦/升，不是指峰值功率密度，指額定功率密度，比如像一般轎車上面，3.0千瓦/升、3.1千瓦/升，那個指峰值功率密度，30秒，額定的功率密度現(xiàn)在國內(nèi)外的大概1點(diǎn)幾到2左右，就是像大連新源大概1.9，大概是這個水平。鉑載量0.4，成本大概1萬元，耐久性基本上做到了1萬小時(shí)?？梢钥吹剑{(lán)色的目標(biāo)是基于2018年取得的成果和國內(nèi)外的形勢，重新做的目標(biāo)，功率密度、低溫性能，這些我們都做了向上修正，對于轎車的續(xù)駛里程我們也做了向上修正，包括耐久性也做了向上修正，我們關(guān)鍵技術(shù)這幾年做的，而且我相信，現(xiàn)在我們因?yàn)榇笃髽I(yè)大量的加入，將來燃料電池汽車的技術(shù)進(jìn)步還會呈加速的趨勢，到2025年我們大概可以做到3—4千瓦/升，零下40度，系統(tǒng)的成本會降到2千—3千元，到2030年會降到1千元。所以，尤其是我們北方地區(qū)，還是要堅(jiān)持走燃料電池的路線，從大車開始，甚至高車。如果到2025年我們做到2千元/千瓦，轎車比如50千瓦也就10萬元，我想一個整車加起來賣25萬左右B級車是可以的，所以我認(rèn)為將來還是會有很好的潛力。
國際上也有不同的預(yù)測，這是各個國家做的預(yù)測，燃料電池增長的幅度都會越來越大的，而且從我們國內(nèi)的情況來看，我認(rèn)為燃料電池在商用車領(lǐng)域替代的速度會進(jìn)一步加快。因此，我們不斷的調(diào)整這個目標(biāo)，還是堅(jiān)持2020年左右我們國內(nèi)會達(dá)到年產(chǎn)1萬輛的目標(biāo)。
液氫我們想給大家講這個故事，大家也看到了，今年可再生能源與氫能的專項(xiàng)里面就出現(xiàn)了液體儲供氫技術(shù)課題的指南，這也是應(yīng)對形勢的變化。大家可以看到，從燃料罐的體積跟燃料罐的重量，液氫35、70兆帕都是有優(yōu)勢的，也是離傳統(tǒng)燃油車的燃油能量密度最近的。液氫當(dāng)然液化是需要能量的，我們也跟高壓的氣氫做了一個比較，在中等規(guī)模的液化，1公斤氫氣液化大概是10—15千瓦時(shí)的電量，到2030年，由于液化工藝的改善，可以做到7公斤，大家可以看到，你把氫氣加壓到70兆帕，加壓也是要6千瓦/公斤的，這樣等到2030年前后，液氫的單位能量能耗就跟氣氫接近，但是液氫的能量密度可以做到10%的重量比，尤其是罐子越大它的重量比越有優(yōu)勢。氣氫現(xiàn)在70兆帕大概是5%的重量比左右。而且可以看到，這是日本巖谷的液氫輸運(yùn)，在儲存方面都是液氫的儲罐，所以我認(rèn)為我們國內(nèi)，在儲運(yùn)方面、輸運(yùn)方面，液氫先做起來，我們團(tuán)隊(duì)更加激進(jìn)一點(diǎn)，國外我們也分析了，像美國的尼古拉1，他們重卡的概念現(xiàn)在實(shí)測還沒有出來，但是他也用的液氫的方案。
我們比較一下燃料電池重卡跟純電動重卡的對比，假設(shè)3千元/千瓦，一個160千瓦的燃料電池發(fā)動機(jī)大概50萬，氫系統(tǒng)大概18萬，18萬其實(shí)是有富余的，LNG的儲罐不會要18萬，LNG跟液氫LH罐的整個系統(tǒng)，除了溫度更低之外，整個系統(tǒng)是非常類似的。因此，我也配電電混合動力系統(tǒng)，我要有12萬、60度電，它跑500公里這是沒有問題的。右邊，我們按照比如重卡100公里大概200度電，這樣500公里的續(xù)駛里程大概1000度電，按照現(xiàn)在系統(tǒng)能量密度160瓦時(shí)/公斤，大概6噸多。其他的我認(rèn)為都不變的話，動力系統(tǒng)的成本可以看到，燃料電池是90萬，那邊是110萬，這是我們30元/千瓦算出來的結(jié)果。剛才我講了，如果我們按照1000元/千瓦，這個成本會更低。所以，重卡燃料電池我認(rèn)為有先天的優(yōu)勢，從它的重量、從成本都會有優(yōu)勢，這個就是現(xiàn)在北京市科委支持我們正在搞的，科委給我們提了一個要求說，第一，你必須跟福田這個整車單位合作，第二，你必須拉一個北京不是整車的企業(yè)合作，我們就想跟哪個企業(yè)合作，比如東風(fēng)、一汽感興趣我們一起來做，整車、底盤、集成到時(shí)候我們一起來做。
