在走向電動(dòng)化的發(fā)展歷程中，燃料電池受到諸多車企的青睞，在全球的電動(dòng)化架構(gòu)中逐步崛起。因此，發(fā)展燃料電池成為我國(guó)電動(dòng)化發(fā)展的主要方向之一，同時(shí)也將優(yōu)化我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)、深入推進(jìn)節(jié)能減排。
在2020年1月10-12日舉辦的2020中國(guó)電動(dòng)汽車百人會(huì)論壇上，清華大學(xué)車輛與運(yùn)載學(xué)院黨委書(shū)記、教授李建秋進(jìn)行了關(guān)于燃料電池應(yīng)用現(xiàn)狀與前景的報(bào)告。
清華大學(xué)車輛與運(yùn)載學(xué)院黨委書(shū)記、教授李建秋
下面是演講實(shí)錄：
尊敬的各位領(lǐng)導(dǎo)，各位專家，各位來(lái)賓，大家上午好！非常高興有這么一個(gè)機(jī)會(huì)給大家做一個(gè)匯報(bào)，關(guān)于燃料電池應(yīng)用現(xiàn)狀與前景。我將匯報(bào)三個(gè)方面。
第一個(gè)部分是大家都比較熟悉的，所以我就快速的過(guò)了。目前在轎車動(dòng)力系統(tǒng)方面全球來(lái)看，各家企業(yè)都在做，以典型的豐田為例，現(xiàn)在（MIRAI）已經(jīng)累計(jì)生產(chǎn)超過(guò)一萬(wàn)臺(tái)，這是現(xiàn)代的，這次也來(lái)了實(shí)車，這是本田的，這是奔馳，寶馬也在做，基本上轎車也在研發(fā)。我們國(guó)家轎車還是以純電動(dòng)為主，從全球來(lái)看，現(xiàn)在燃料電池商用車的研發(fā)也開(kāi)始慢慢的出現(xiàn)新的高潮，國(guó)內(nèi)外在卡車方面都在做，這是尼古拉的，也有巴拉德的。通用他們提出了一個(gè)無(wú)人平臺(tái)的概念，用燃料電池作為動(dòng)力的。也有大型的SUV、軍用的車輛采用燃料電池作為動(dòng)力。在客車領(lǐng)域，尤其是我們國(guó)家現(xiàn)在發(fā)展的非?；钴S，各種各樣的車。在材料領(lǐng)域慢慢也取得了突破，新一代的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的鉑金用量在持續(xù)的下降。限制燃料電池汽車發(fā)展的，基礎(chǔ)設(shè)施也是非常重要的瓶頸因素，各家都在做這樣的工作。與此同時(shí)，我們也觀察到目前在國(guó)防領(lǐng)域，燃料電池也有升溫的趨勢(shì)。在無(wú)人機(jī)，在歐洲他們?cè)跐撏厦骈_(kāi)始用燃料電池。豐田月球車也準(zhǔn)備用燃料電池作為動(dòng)力，所以這些方面可以看到燃料電池在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防領(lǐng)域的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。
下面重點(diǎn)匯報(bào)我們清華團(tuán)隊(duì)在燃料電池這塊的一些研究進(jìn)展。我們主要是做了這么幾個(gè)工作，一個(gè)就是在多尺度建模和仿真方面，我們把建模和測(cè)試建立起來(lái)，能夠沿著流道方向的氣體濃度給它實(shí)時(shí)測(cè)量出來(lái)，反過(guò)來(lái)標(biāo)定我們的模型，我們認(rèn)為這件事情非常重要。一般建模你的那些參數(shù)怎么取，能不能預(yù)測(cè)實(shí)際運(yùn)行的情況，我們建立了從建模仿真到設(shè)計(jì)到驗(yàn)證一個(gè)閉環(huán)的開(kāi)發(fā)體系。
第二個(gè)就是聚焦于石墨雙極板的功率密度的提升，剛才我們幾位老師也介紹了，將來(lái)的燃料電池功率密度會(huì)持續(xù)的提升。通過(guò)提升功率密度來(lái)降低成本，我們認(rèn)為根據(jù)我們現(xiàn)在的工作來(lái)看，明年我們認(rèn)為石墨雙極板的功率密度這指的是額定，會(huì)到3-4 kW/L，到2025年石墨雙極板的額定功率密度是可以實(shí)現(xiàn)的5-6kW/L，我們最近突破了石墨雙極板精密加工的技術(shù)，這個(gè)流道越密，它的電流密度的均勻性會(huì)越好，電流密度更容易提升。與此同時(shí)，大家都知道我們清華的團(tuán)隊(duì)在歐陽(yáng)老師的帶領(lǐng)下，我們最早是做整車，后來(lái)到動(dòng)力系統(tǒng)，再后來(lái)到做發(fā)動(dòng)機(jī)，再后來(lái)到電堆，現(xiàn)在我們開(kāi)始進(jìn)入膜電極的階段。
最近我們也做了一點(diǎn)小的測(cè)試，國(guó)內(nèi)自己做的膜電極加上高密度的流道，0.6伏的電流密度已經(jīng)做到了1.78安培?，F(xiàn)有的億華通的一般是大概1.3安培左右，這個(gè)性能提高幅度還是比較大的。這樣的話，為后面高電流的密度打下一個(gè)很好的基礎(chǔ)。在冷啟動(dòng)方面，我們做到了零下30度，在張家口進(jìn)行持續(xù)的驗(yàn)證。耐久性方面，從一萬(wàn)小時(shí)開(kāi)始向兩萬(wàn)個(gè)小時(shí)邁進(jìn)。同時(shí)，企業(yè)的產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)在也開(kāi)始進(jìn)入自主發(fā)展的階段，以前我們氫氣循環(huán)泵，空壓機(jī)，很多是必須要采用進(jìn)口的零部件。但是從2019年開(kāi)始，我們很高興的看到，國(guó)內(nèi)很多零部件由于國(guó)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)整車上量，帶動(dòng)了這些上游的零部件，使得我們現(xiàn)在的成本會(huì)持續(xù)的下降，重量也會(huì)持續(xù)的下降。億華通新一代的發(fā)動(dòng)機(jī)YHTG60SS發(fā)動(dòng)機(jī)，60千瓦的已經(jīng)降到120公斤。這樣的話，如果你去看，現(xiàn)在商用車一般都是用電動(dòng)化，用傳統(tǒng)的比如柴油發(fā)動(dòng)機(jī)或者是天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)發(fā)電的話，不論是重量和體積，燃料電池都已經(jīng)賽過(guò)傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)了。這是一個(gè)標(biāo)志性的技術(shù)進(jìn)步，燃料電池這些年經(jīng)過(guò)發(fā)展，它在冷啟動(dòng)的性能，在發(fā)電的效率，在重量和體積方面，可以跟傳統(tǒng)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)相當(dāng)了。
歐陽(yáng)老師也介紹了，燃料電池將來(lái)在我們國(guó)家大規(guī)模應(yīng)用的前景仍然是替代商用車，尤其是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，所以從這個(gè)角度來(lái)講，我們的工作是持續(xù)在這一塊往前推進(jìn)。包括物流車方面，我們2019年一個(gè)很重要的進(jìn)展就是推出了第三代物流車。這個(gè)物流車它的氣瓶也是在底盤上面，這樣的話，整個(gè)是不占用貨艙空間的。我們認(rèn)為這個(gè)將來(lái)也會(huì)成為市場(chǎng)發(fā)展的主流。
我們?cè)?9年一個(gè)很大的進(jìn)步是在燃料電池長(zhǎng)續(xù)駛里程重卡的研發(fā)上面，突破了大功率燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)，大容量液氫儲(chǔ)氫的技術(shù)，以及大轉(zhuǎn)距，高轉(zhuǎn)距的電動(dòng)輪組成的電動(dòng)橋的技術(shù)，應(yīng)該說(shuō)從全球來(lái)看，在燃料電池重卡領(lǐng)域，同時(shí)具備研發(fā)這三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的只有我們這個(gè)團(tuán)隊(duì)。我們就兩個(gè)五百升的液氫的儲(chǔ)氫系統(tǒng)，這是航天101所研發(fā)的，加起來(lái)可以到60公斤的儲(chǔ)氫量。35噸的重卡能夠跑800公里。大功率的發(fā)動(dòng)機(jī)是由我們億華通研發(fā)的，現(xiàn)在開(kāi)始小批量制造，配套整車了，凈功率達(dá)到105千瓦。
整車是北汽福田正在裝車，大家可以看到電動(dòng)輪一邊裝輪胎，另外一邊沒(méi)有裝輪胎。電動(dòng)輪的特點(diǎn)是什么呢？第一，它的所有機(jī)械接口和傳統(tǒng)的機(jī)械橋是一樣的，但是我們把電機(jī)直接集成到輪胎里面。這樣的話，特別適合于我們重卡的領(lǐng)域。同時(shí)我們和101所合作，用我們現(xiàn)有的物流車，它的液氫儲(chǔ)供系統(tǒng)已經(jīng)連續(xù)給發(fā)動(dòng)機(jī)供氫做了測(cè)試，這個(gè)也是我們今年的一個(gè)比較大的進(jìn)展。這樣的話，為我們重卡后面的調(diào)試打下了基礎(chǔ)，這是我們當(dāng)時(shí)聯(lián)調(diào)的情況，也做了相關(guān)的測(cè)試。測(cè)試的結(jié)論，液氫儲(chǔ)供系統(tǒng)可以具備在車上使用的能力，為我們后面的重卡實(shí)車調(diào)試打下了一個(gè)基礎(chǔ)。
我們這里也對(duì)長(zhǎng)續(xù)駛里程，尤其是五百公里以上的重卡的性能做了一個(gè)比較，跟純電動(dòng)相比，短途的純電動(dòng)重卡開(kāi)始產(chǎn)業(yè)化了，燃料電池瞄著三百公里以上重卡的使用范圍，以五百公里為例，燃料電池+動(dòng)力電池+液氫儲(chǔ)供系統(tǒng)的重量大概是2噸左右。如果你要跑五百公里，電池要一千度電，對(duì)應(yīng)的重量是6噸左右，在國(guó)際上這是AVL的張圖，AVL有一個(gè)類似的預(yù)測(cè)，我們的觀點(diǎn)基本是一致的。在重卡領(lǐng)域，因?yàn)橹乜ū旧淼闹亓渴欠浅Ｖ匾模蠹抑乐乜ㄓ绕涫情L(zhǎng)途的重卡它的成本，一噸一公里是三毛錢，如果你的車上多裝了一噸，一公里要多付出三毛錢。動(dòng)力系統(tǒng)本身的重量就決定了將來(lái)這個(gè)車有沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)能力，所以這一塊我們認(rèn)為燃料電池在這個(gè)領(lǐng)域?qū)?lái)會(huì)有很好的應(yīng)用前景。尤其是跟我們液氫的儲(chǔ)氫系統(tǒng)配合，我們準(zhǔn)備做一個(gè)續(xù)駛里程一千公里的液氫重卡。
將來(lái)燃料電池還會(huì)在飛行車輛和特種車輛里面得到應(yīng)用，比如我們現(xiàn)在也正在論證，將來(lái)會(huì)徹底改變我們?nèi)祟惓鲂械娘w行汽車，現(xiàn)在有幾家已經(jīng)在做了。600-800公斤的飛行汽車在它穩(wěn)定的平飛的時(shí)候功率只需要40千瓦，這個(gè)跟我們汽車上的動(dòng)力系統(tǒng)的功率是一樣的。如果我們用液氫儲(chǔ)氫系統(tǒng)，整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的重量大概130公斤，可以飛多遠(yuǎn)呢？可以飛4個(gè)小時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的凈功率如果是40千瓦的話，電堆的凈功率要50個(gè)千瓦，飛4個(gè)小時(shí)，大概輸出的電量是200度電。200度電，130公斤重，它的能量密度大概是1500瓦時(shí)/公斤。這個(gè)數(shù)大家都知道，我們動(dòng)力電池現(xiàn)在系統(tǒng)的能量密度大概是200-300瓦時(shí)/公斤，這意味著將來(lái)長(zhǎng)續(xù)駛里程的飛行器也是燃料電池一個(gè)非常好的場(chǎng)景。
我們也調(diào)研了一下現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外做各種飛行器的，燃料電池本身技術(shù)還在持續(xù)的進(jìn)步，我們預(yù)計(jì)到2025年它的功率密度還會(huì)做到6kW/L左右，如果按照這樣水平的話，將來(lái)飛行汽車的動(dòng)力裝置就不再是瓶頸了。為什么我們?cè)瓉?lái)叫汽車系，后來(lái)改成車輛與運(yùn)載學(xué)院呢？就是我們瞄準(zhǔn)將來(lái)的運(yùn)載工具不一定是在地面跑的汽車了，有可能是空中飛的，也可以在地面跑的，是這樣一個(gè)趨勢(shì)。
剛才所有的氫能專家也都非常認(rèn)可可再生能源發(fā)電來(lái)帶動(dòng)電動(dòng)汽車的發(fā)展，叫做綠氫的制備，我們也是非常認(rèn)可這個(gè)觀點(diǎn)。認(rèn)為在人類的能源和動(dòng)力的發(fā)展歷史上，前面已經(jīng)經(jīng)歷了兩個(gè)階段。就是固體的煤炭，推動(dòng)了蒸汽機(jī)的革命，推動(dòng)了航海技術(shù)的發(fā)展。到了一戰(zhàn)二戰(zhàn)之后，石油革命，柴油汽油推動(dòng)機(jī)械動(dòng)力。現(xiàn)在和將來(lái)應(yīng)該是氫電的革命，完全脫離二氧化碳的排放，應(yīng)對(duì)氣候變化。而我們國(guó)家在這塊是非常有優(yōu)勢(shì)的，為什么呢？因?yàn)槲覀儑?guó)家三分之一的國(guó)土面積是戈壁和沙漠，這些地方完全可以用來(lái)產(chǎn)生風(fēng)能和電能，把它變成我們可再生能源的生產(chǎn)基地。去年我們國(guó)家進(jìn)口了4.6億噸原油，我們?nèi)绻麄鹘y(tǒng)的能源是要依賴進(jìn)口的，反而將來(lái)如果把它轉(zhuǎn)變成可再生能源，我們可以把進(jìn)口的壓力降下來(lái)。同時(shí)，又沒(méi)有二氧化碳的排放，應(yīng)對(duì)氣候變化也是很好的一條路徑，所以從我個(gè)人來(lái)講，非常支持張家口搞可再生能源，剛才王副市長(zhǎng)講了，700萬(wàn)千瓦的可再生能源，足以可以支撐京津冀氫能和燃料電池汽車和純電動(dòng)車的發(fā)展。
我的匯報(bào)就到這里，謝謝大家。
