清華大學教授 李建秋
尊敬的徐冠華部長、干勇院士、吳志新主任，各位專家，上午好！很高興有這個機會向大家匯報行業(yè)發(fā)展趨勢和建議。
目前各整車企業(yè)在燃料電池發(fā)動機和燃料電池轎車的開發(fā)方面都已經(jīng)形成了相關(guān)的體系，從圖中可以看到這些發(fā)動機的參數(shù)。我們認為目前國際上前四位的豐田、本田、奔馳和現(xiàn)代都已經(jīng)在這里了。商用車方面稍微有點不一樣，我們對比了轎車的發(fā)動機和商用車的發(fā)動機，可以看到轎車強調(diào)的是功率密度，耐久性做到 5000 小時可以滿足整車的壽命，但商用車方面的耐久性將會達到 20000 小時，功率密度是比較低的。我們也對全球燃料客車的情況做了對比，客車的發(fā)動機基本上除了豐田用的就是 MIRAI 金屬雙極板發(fā)動機，其他幾家用的還是石墨雙極板。
最近兩年國際上在卡車方面也開始了。Nikola-One 提出了燃料電池和封閉驅(qū)動的重卡牽引車的概念，也推動了國際上燃料電池卡車的研發(fā)。日本日野卡車用的是 MIRAI 的兩套動力系統(tǒng)，豐田也在美國推出了 30 噸八級卡車，巴拉德也在做類似的卡車，還有其它方面的環(huán)衛(wèi)車，可以看到國際上在燃料電池重型車輛方面已經(jīng)開始研發(fā)了。
去年通用汽車推出了 SURUS 軍用無人駕駛?cè)剂想姵剀囕v通用底盤平臺的概念，我們認為這個概念也是非常好的?？梢钥吹竭@種車是沒有駕駛室和方向盤的，燃料電池、發(fā)動機和氫系統(tǒng)都在底盤的下面，是無人控制的。這樣的通用無人平臺既可以作為普通貨物的運輸車，也可以將來在戰(zhàn)場上用來救護，所以用途是很廣泛的。
我們對國際上的這些車輛本身的性能進行了對比，有的數(shù)據(jù)不一定完全準確，因為我們是通過各種渠道收集來的。我們想給大家一個最深的印象：特斯拉是純電動的，2 噸的車跑 400 公里；現(xiàn)在燃料電池車可以控制在 1.8 噸，能跑 600 ~ 700 公里。日產(chǎn)車的數(shù)據(jù)是五年前的，五年前就停止了燃料電池車的開發(fā)沒有跟進，后面的都是最近五年新開發(fā)的車。不進則退，最近五年燃料電池車的技術(shù)是一年比一年進步。2014 年底豐田推出了 MIRAI，2016 年推出 Quality，到現(xiàn)在現(xiàn)代推出 NEXO 車，駕駛的感覺是一輛比一輛好，這是我們總的印象。
這樣的發(fā)展情況下，我們也對全球燃料電池的發(fā)展趨勢有了一個根本的判斷。這種判斷更多的是給投資人講的。今天參會的很多人對這個行業(yè)還不是很了解，所以我們想在這里和大家做一點宣傳。氫燃料電池大家都不太熟悉，還是需要多宣傳。如果到 2020 年，按照 20 萬臺/年的產(chǎn)量，燃料電池系統(tǒng)的成本大概是 7000 美元，大數(shù)就是 4 萬元人民幣，滿足歐 VI 排放的傳統(tǒng)發(fā)動機也就是這個價格。除了燃料電池還有儲氫、電池、變速箱和驅(qū)動系統(tǒng)，加起來動力系統(tǒng)是 1.5 萬美元，加上 1 萬美元的附件和其它成本，整車大概是 2.6 萬美元，也就是 15 ~ 20 萬元人民幣。傳統(tǒng)內(nèi)燃機 B 級車的價格，如果讓你買一個 3 分鐘加滿氫氣就可以跑 500 公里，天南海北零下幾十度啟動也沒有問題的車，你愿不愿意買呢？我想老百姓還是愿意買的，這就是將來的發(fā)展趨勢。
現(xiàn)在鉑的載量還在進一步下降。目前關(guān)鍵材料領(lǐng)域是 1 千瓦不到 0.1 克鉑，也就是 100 千瓦的發(fā)動機大概不到 10 克的鉑。全球已經(jīng)投產(chǎn)的發(fā)動機當中，做得最好的是本田的 Quality 發(fā)動機，12.5 克鉑的載量，豐田和奔馳的發(fā)動機是 20 克鉑。現(xiàn)在國內(nèi)做傳統(tǒng)內(nèi)燃機排放后處理的企業(yè)，它們鉑的用量，如果要做到歐 VI 的排放也要幾十克鉑。這兩個已經(jīng)拉平了，這樣的形勢之下燃料電池貴金屬的用量和成本不再是問題。
基于這樣的國際形勢，結(jié)合張進華秘書長做的技術(shù)路線時候我們判斷下一步的重點是怎樣把產(chǎn)量提升上去，要通過上量做好降低成本。耐久性方面也要有突破，我們預計客車到 2020 年大概會有 5000 ~ 10000 輛商用車，這是 2014 年做的判斷，三年以后的 2018 年我們還是維持這個判斷。2017 年我們統(tǒng)計了全國燃料電池商用車接近 1000 輛，就是幾家合起來，包括大化所和億華通的，未來幾年還是會繼續(xù)發(fā)展。通過前面 1000 輛左右的量，產(chǎn)業(yè)鏈整合以后，各個環(huán)節(jié)的成本下降很快。
關(guān)于耐久性也有一個材料領(lǐng)域發(fā)展的技術(shù)路線圖。首先是把膜本身的穩(wěn)態(tài)壽命提高到 3 萬小時，同時針對車用工況，包括停機、溫度循環(huán)、電堆不一致以及膜的機械耐久性，現(xiàn)在可以做到 5000 ~ 6000 小時。下一步到 2020 年的目標是做到 1 萬小時，其中主要的工作是在機械膜的破裂、電堆的不一致性和溫度的不循環(huán)方面開展。
我們努力的方向是到 2025 年達到 2 ~ 2.5 萬小時的實際工況壽命?，F(xiàn)在預計是可行的，因為對 2020 年 1 萬小時的耐久性基本上已經(jīng)有解決的方案。下一步是到 2025 年的 2.5 萬小時。2.5 萬小時是什么概念？就是公交車每天 17 個小時可以跑 8 年，和整車同壽命，耐久性也不是問題，所以從現(xiàn)在到 2025 年主要的工作就是降低成本、保證壽命。
我們可以參考一下日本，日本最近發(fā)布了燃料技術(shù)發(fā)展路線圖，里程基本上就是 800 ~ 1000 公里。讓我感到比較驚訝的是，日本在金屬板的轎車電堆功率密度已經(jīng)做到了 3 千瓦/升，認為將來可以做到 9 千瓦/升，也就是說燃料電池在材料和工作過程領(lǐng)域還有很大的潛力。且不說怎樣達到 9 千瓦/升，我們還沒有看到詳細的報道，至少日本的同行已經(jīng)把這個目標提出來了。
現(xiàn)在我們大負荷發(fā)電的時候，一般燃料電池曲線是小負荷的時候電壓高，大負荷的時候電壓低，額定功率時是 0.5 ~ 0.6 伏之間，效率在 0.6 伏時不到 50%。日本提出通過催化劑和材料的改進，將來在額定的發(fā)電電壓可以提到 0.85 伏，這是很有挑戰(zhàn)的一項工作。我們知道現(xiàn)在怠速電壓是 0.9 ~ 1 伏左右，如果從 0.9 ~ 1 伏要拉到大電流的話，大電流會有壓降和擴散的各種極化下降，但是到 2040 年下降的幅度很小，大概是 0.85 伏，要在催化劑和材料技術(shù)領(lǐng)域做很多的工作才能做到。圖中這里的萬指的是日元，可以看到也是比較低的。我認為日本在燃料電池方面還是引領(lǐng)全球發(fā)展的，2018 年到 2040 年燃料電池還有很大的增長空間。
下面講一講我們國家燃料電池的體系能力建設(shè)。以前我們只是講研發(fā)比較多，因為以前大企業(yè)跟進得少，一般講體系的話都是針對大企業(yè)來講的，學?；蛘咝〉难邪l(fā)企業(yè)很難健全這個體系。最近一兩年我們一汽、上汽和長安這些整車企業(yè)，包括重汽和濰柴這些國內(nèi)主流的行業(yè)已經(jīng)開始動了，這讓我們感到特別欣慰。在這樣的形勢下，2017 年已經(jīng)有接近 1000 輛的產(chǎn)量，我們行業(yè)面臨的是怎樣進行體系化的建設(shè)。我們也想請相關(guān)的領(lǐng)導和專家在這些方面開展體系化的建設(shè)工作，大概是六個方面：
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首先是機理分析和過程優(yōu)化體系，主要是在基礎(chǔ)領(lǐng)域，尤其是在材料和傳熱傳質(zhì)領(lǐng)域。日本的 MIRAI 我們已經(jīng)看到了，現(xiàn)在我們還沒有做到 3 千瓦/升，金屬雙極板大概是 2 千瓦/升，石墨雙極板大概是 1 千瓦/升，將來在材料工作過程當中還是有很多工作可以做的。
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其它的是電堆設(shè)計和集成制造領(lǐng)域、部件配套和測試評價、整車應用與售后保障、氫能供給和安全運維。李所長講得非常好，氫的安全運維體系是不可或缺的一環(huán)，我認為氫能源方面作為可再生能源的儲能系統(tǒng)，我們的認識是相同的。
最后一個體系是行業(yè)缺人缺得厲害。現(xiàn)在行業(yè)當中相互之間挖人，存量就這么多，要挖的話就是漲工資了，但是這點人是撐不起這個行業(yè)的，所以我們在兩年前向北京市科委建議，必須在北京的大學當中有做催化劑材料的立項，通過科委的支持給大學老師幾百萬的項目，讓這些老師能夠把學生帶出來。去年、前年和今年科委都陸續(xù)立了一批項目，就是專門支持高校做機理分析和電堆設(shè)計。課題不大，也不可能做到產(chǎn)業(yè)化，但主要的目標是讓這些高校為行業(yè)培養(yǎng)人?，F(xiàn)在燃料電池行業(yè)太缺人了，所以我們把動力電池和燃料電池結(jié)合在一起，起的名字叫做電化學動力人才培養(yǎng)體系。以前汽車系培養(yǎng)的人主要是以發(fā)動機、變速箱、傳動、底盤這樣的人為主，但是現(xiàn)在我們搞動力的需要增加電化學這一塊的能力，具體包括催化劑載體、膜和膜電極。
武漢理工大學的潘牧老師是第三方的，我們在這方面也是有基礎(chǔ)的。分區(qū)診斷和檢測方面，過程優(yōu)化非常重要的第一步是模擬計算，就是傳熱傳導行不行。我認為最關(guān)鍵的是怎么評價仿真和模擬計算，一定要能夠測到不同地方物質(zhì)的組分。過去我們花了很大的精力來做檢測平臺，現(xiàn)在可以做到內(nèi)燃機用高壓傳感器看到里面壓力的曲線一樣，我們可以看到電堆流到不同的地方，加了傳感器以后能夠看到那個地方的氣體組分和溫度。
電堆集成方面也有很多制造方面的問題。怎么提高金屬雙極板和石墨雙極板的制造效率，還有相應發(fā)動機的外圍配套。現(xiàn)在我們國家外圍的配套還很不健全，這既是挑戰(zhàn)也是機遇。我們做了空壓機的調(diào)研，以空壓機為例子，國內(nèi)外有蝸桿式空壓機，還有羅茨式空壓機，這是豐田的 MIRAI 自己做的，但現(xiàn)在更多用的是高速離心式空壓機，就是 8 ~ 12 萬轉(zhuǎn)，然后用空氣軸承，電機和壓氣機直接一體化系統(tǒng)。這方面對我們國家現(xiàn)在還是一個挑戰(zhàn)，高速機和離心壓氣機也有人做，但是三個軸承連在一起的還是沒有人做，國際上是有人做的。
動力系統(tǒng)、售后服務和整車方面都不詳細說了，包括運維體系等等。
最后我想強調(diào)的是，電化學動力學的人才培養(yǎng)體系既涉及到傳統(tǒng)內(nèi)燃機的流動和傳熱學科，也涉及到動力電池的電化學和材料學科，還涉及到 DC/DC 變換器，就是電力電子電傳動學科?，F(xiàn)在我們是在很認真地考慮清華汽車系動力方向的人才培養(yǎng)怎樣在傳統(tǒng)的燃燒、傳熱、傳質(zhì)的基礎(chǔ)上把電化學、電力電子的課程納入進來。我們已經(jīng)在課程和人才培養(yǎng)方面做了實質(zhì)性的改革，這些就是今天我向大家匯報的。
