中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)：為進(jìn)一步探討氫能在交通方面的發(fā)展，建立產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的生態(tài)體系，尋求其在交通、電力等領(lǐng)域的應(yīng)用與商業(yè)模式，清華大學(xué)、中國(guó)電動(dòng)汽車百人會(huì)與國(guó)際氫能委員會(huì)于2018年6月28日在清華大學(xué)舉辦“氫能產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展論壇”，邀請(qǐng)了來(lái)自國(guó)內(nèi)外政府與相關(guān)部門(mén)的領(lǐng)導(dǎo)、氫能產(chǎn)業(yè)研究的專家學(xué)者以及汽車、能源、等領(lǐng)域的企業(yè)代表就以上相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了深入交流。
中國(guó)科學(xué)院院士、清華大學(xué)教授歐陽(yáng)明高發(fā)表《清華新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)研究進(jìn)展》報(bào)告，內(nèi)容實(shí)錄如下：
尊敬的萬(wàn)主席、徐部長(zhǎng)，陳理事長(zhǎng)，各位嘉賓，大家下午好!剛才萬(wàn)主席已經(jīng)把全國(guó)整個(gè)氫燃料電池的情況都介紹了，所以我就不講總的情況了，我代表清華大學(xué)把我們做的工作介紹一下。
我的題目是“清華新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)研究進(jìn)展”。清華大學(xué)新能源汽車團(tuán)隊(duì)是國(guó)家新能源汽車科技專項(xiàng)的核心研發(fā)團(tuán)隊(duì)，也是中美政府間合作計(jì)劃清潔汽車研究聯(lián)盟的中方牽頭單位。
我們團(tuán)隊(duì)聚焦的是建立新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)平臺(tái)。不管是混合動(dòng)力、純電動(dòng)、燃料電池汽車，背后的核心技術(shù)都是動(dòng)力系統(tǒng)，包括發(fā)動(dòng)機(jī)、電池、電機(jī)、燃料電池。我們聚焦的就是這一核心。有了這些，我們既可以做純電動(dòng)汽車，也可以做混合動(dòng)力汽車，也可以做燃料電池汽車。
我們聚焦什么問(wèn)題呢?聚焦三個(gè)核心的科學(xué)問(wèn)題與技術(shù)瓶頸。對(duì)于動(dòng)力電池，就是熱失控導(dǎo)致的安全問(wèn)題，這是純電動(dòng)汽車或者動(dòng)力電池最大的瓶頸;對(duì)于燃料電池，我們重點(diǎn)研究性能衰減導(dǎo)致的壽命問(wèn)題;對(duì)于多能源混合動(dòng)力，我們重點(diǎn)研究?jī)?nèi)燃機(jī)燃燒導(dǎo)致的排放問(wèn)題。前面兩個(gè)我概括介紹一下，燃料電池稍稍詳細(xì)一點(diǎn)。
首先，動(dòng)力電池作為純電動(dòng)系統(tǒng)最基礎(chǔ)、最核心的部分，也是燃料電池中重要的組成部分。我們?cè)陔姵責(zé)崾Э胤矫孢M(jìn)行了比較全面的研究，建立了清華大學(xué)電池安全實(shí)驗(yàn)室，聚焦高比能量動(dòng)力電池?zé)崾Э貑?wèn)題。分別與日產(chǎn)、奔馳、寶馬、三星、SK、寧德時(shí)代新能源、廣汽、一汽、長(zhǎng)安等進(jìn)行了廣泛合作。
我們重點(diǎn)研究三個(gè)問(wèn)題：第一，是什么誘發(fā)的熱失控?第二，熱失控反應(yīng)機(jī)理及其防范技術(shù)是什么?第三，熱失控在整個(gè)電池系統(tǒng)，幾百、幾千只電池中間蔓延擴(kuò)展的機(jī)理，以及阻斷它的方式?
首先，在熱失控誘因抑制方面，我們研發(fā)了熱-機(jī)-電綜合管理系統(tǒng)(擴(kuò)展的BMS)，在國(guó)內(nèi)外一系列企業(yè)都得到應(yīng)用。第二，在熱失控反應(yīng)機(jī)理方面，我們發(fā)現(xiàn)了一些新機(jī)制，得出了一系列基本結(jié)論。首先，電池自生熱副反應(yīng)引發(fā)的禍?zhǔn)孜覀冋业搅?。熱失控溫度劇烈上?可達(dá)1千攝氏度/秒)的主反應(yīng)我們找到了——即正極釋氧與負(fù)極發(fā)生氧化還原反應(yīng)。觸發(fā)這個(gè)主反應(yīng)的情況比較復(fù)雜，我們正在一一進(jìn)行研究。在熱失控蔓延的阻斷方面，我們研發(fā)基于模型的熱失控蔓延抑制熱管理設(shè)計(jì)方法，基于這個(gè)方法，我們培育的創(chuàng)業(yè)公司——北京科易動(dòng)力，發(fā)明了高比能量鋰離子電池防火墻技術(shù)，利用這個(gè)技術(shù)，他們把動(dòng)力電池系統(tǒng)比能量做到了國(guó)內(nèi)最高，也比國(guó)際標(biāo)桿的特斯拉要高，現(xiàn)在已經(jīng)大批量的裝車。所配套的國(guó)產(chǎn)微型電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程做到300公里以上，而且已經(jīng)批量生產(chǎn)。目前寶馬公司在中國(guó)140家創(chuàng)新公司中間挑選出來(lái)的唯一一家電動(dòng)化合作伙伴公司，就是這家公司——科易動(dòng)力。
第二方面，關(guān)于多能源混合/增程動(dòng)力系統(tǒng)及其優(yōu)化控制概況。我們?cè)诨旌蟿?dòng)力方面一貫主張的是串聯(lián)式/增程式動(dòng)力系統(tǒng)(目前大家所熟知的日產(chǎn)的E—Power動(dòng)力系統(tǒng)就是這類系統(tǒng))。我們的工作包括三個(gè)方面：第一，燃燒系統(tǒng)。我們發(fā)明了基于缸壓傳感器的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放反饋控制理論與技術(shù);第二，在發(fā)動(dòng)機(jī)總成方面，我們建立了發(fā)動(dòng)機(jī)/電動(dòng)機(jī)總成(增程器或者叫功率跟隨器)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法?？梢允拱l(fā)動(dòng)機(jī)大部分運(yùn)行在高效區(qū)而不是原先的散在大的區(qū)域范圍;在動(dòng)力系統(tǒng)層次方面，我們研發(fā)了多能源一體化的混合/增程的動(dòng)力系統(tǒng)，從這張圖上可以看到，電路是一個(gè)并聯(lián)系統(tǒng)，有一個(gè)電池，同時(shí)有一個(gè)發(fā)電機(jī)組，兩者共同給電機(jī)供電。這個(gè)系統(tǒng)我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)模塊化、平臺(tái)化，并研發(fā)了系列化車型，包括油-電混合動(dòng)力客車，氣-電混合動(dòng)力客車，這些我們已經(jīng)在中車時(shí)代電動(dòng)等企業(yè)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用并推廣到國(guó)防軍工特種車輛。當(dāng)然我們也可以做燃料電池的氫-電混合動(dòng)力，下面介紹。這就是我要介紹的長(zhǎng)壽命燃料電池系統(tǒng)機(jī)理、模型與性能優(yōu)化研究。這是清華的燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的技術(shù)路線圖，第一個(gè)層次我們研發(fā)了燃料電池的混合動(dòng)力系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)是外協(xié)的;第二個(gè)層次，我們研發(fā)了燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)，燃料電池的電堆是外協(xié)的;第三步，我們研發(fā)成功燃料電池電堆，燃料電池膜電極是外協(xié)的?，F(xiàn)在，我們馬上要開(kāi)始燃料電池膜電極的開(kāi)發(fā)，已經(jīng)組織了國(guó)際一流的研發(fā)隊(duì)伍。我們層層深入，技術(shù)鏈逐環(huán)解耦，我們稱其為剝洋蔥模式。
首先看燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)。早期的燃料電池客車以燃料電池直接驅(qū)動(dòng)為主流技術(shù)路線。我們發(fā)明了能量混合型燃料電池混合動(dòng)力，燃料電池只提供車用的平均功率，而車用的峰值變化功率由動(dòng)力電池提供。這區(qū)別于豐田公司的功率混合型燃料電池混合動(dòng)力。我們還發(fā)明了Soft—run商用車燃料電池混合動(dòng)力功率分配控制方法，把劇烈變化的車用負(fù)載轉(zhuǎn)化成燃料電池功率基本不變，集中在穩(wěn)定的功率范圍，這樣使燃料電池的耐久性成倍提高。我們?cè)缭?007年就實(shí)施了國(guó)際首例燃料電池客車氫-電系統(tǒng)帶壓碰撞實(shí)驗(yàn)。我們關(guān)聯(lián)的公司研發(fā)的高壓氣態(tài)氫系統(tǒng)已經(jīng)形成了系列產(chǎn)品，并獲得國(guó)家頒布的特種設(shè)備安裝改造維修許可證。我們研發(fā)了整個(gè)燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)并與企業(yè)合作開(kāi)發(fā)了首批獲得國(guó)家產(chǎn)品公告的燃料電池城市客車。
這是我們從示范考核、應(yīng)用擴(kuò)展，到率先實(shí)現(xiàn)燃料電池客車成套商業(yè)化的路徑。2008年在奧運(yùn)會(huì)示范，2010年在國(guó)外新加坡示范，2011—2012年聯(lián)合國(guó)UNDP全球清潔城市示范。2016配合企業(yè)開(kāi)發(fā)的世界上首臺(tái)燃料電池有軌電車獲得國(guó)際氫能協(xié)會(huì)頒發(fā)的獎(jiǎng)勵(lì)。2017年，我們配合企業(yè)開(kāi)始燃料電池客車的商業(yè)化，第二階段，我們是做燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)。利用內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)電控技術(shù)優(yōu)勢(shì)，研發(fā)了氫氣電控噴射與陽(yáng)極再循環(huán)系統(tǒng)，發(fā)明了帶陰極再循環(huán)的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)空氣系統(tǒng)，。開(kāi)發(fā)了燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)和燃料電池專用DC/DC，可以直接利用交流阻抗反饋膜的含水量。我們實(shí)現(xiàn)了商用車燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)集成的技術(shù)突破，進(jìn)行了三代產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。我們培育了國(guó)內(nèi)首個(gè)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)上市公司億華通科技股份公司，并建立了北京燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)工程技術(shù)中心，率先獲得百臺(tái)級(jí)客車燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)銷售。目前，億華通科技股份公司的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)配套在燃料電池客車領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。目前的產(chǎn)品是我們完全采用自主電堆的新一代發(fā)動(dòng)機(jī)。今年前四個(gè)月生產(chǎn)了燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)150臺(tái)，預(yù)計(jì)全年銷售500臺(tái)左右。
第三方面，燃料電堆模塊研發(fā)。我們開(kāi)展了電堆的設(shè)計(jì)優(yōu)化，重點(diǎn)進(jìn)行了雙極板的研發(fā)。我們堅(jiān)持碳板技術(shù)路線，因?yàn)樽龅氖巧逃密嚨拈L(zhǎng)壽命燃料電池電堆。我們認(rèn)為，從長(zhǎng)壽命的角度衡量碳板還是有優(yōu)勢(shì)的，我們實(shí)現(xiàn)了石墨樹(shù)脂復(fù)合材料雙極板的自動(dòng)生產(chǎn)，現(xiàn)在正在建自動(dòng)生產(chǎn)線，使雙極板的成本大幅下降。我們深入研究了電堆工程熱物理與狀態(tài)辨識(shí)技術(shù)，對(duì)于電堆“水-熱-氣”狀態(tài)失衡影響壽命的關(guān)鍵難題，發(fā)展了基于模型的堆內(nèi)狀態(tài)估計(jì)與管理方法，并且開(kāi)發(fā)出新一代商用車燃料電池電堆，初步進(jìn)行了1千個(gè)小時(shí)以上的試驗(yàn)，壽命超出預(yù)期。
我們還進(jìn)行了電堆模塊的集成化工程開(kāi)發(fā)，以滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的各種要求。這是清華相關(guān)公司上海神力科技有限公司燃料電池電堆的系列產(chǎn)品，我們利用碳板實(shí)現(xiàn)了功率密度2千瓦/升(這對(duì)于碳板電堆而言，功率密度是很高的，豐田電堆功率密度3.1千瓦/升用的是是金屬板，我們從長(zhǎng)壽命的角度考慮，金屬板用于轎車只需要5千小時(shí)壽命，而商用車必須要達(dá)到1萬(wàn)小時(shí)以上，因?yàn)樯逃密囈话銇?lái)講運(yùn)行壽命要求更高)。
關(guān)于長(zhǎng)壽命我們有一個(gè)長(zhǎng)期發(fā)展技術(shù)路線圖。2020年的壽命目標(biāo)是1萬(wàn)小時(shí)，2025年大于2.5萬(wàn)小時(shí)。新研制的電堆壽命已經(jīng)接近1萬(wàn)小時(shí)這個(gè)目標(biāo)，所以2020年產(chǎn)品的壽命應(yīng)該會(huì)超過(guò)1萬(wàn)小時(shí)。
下面是關(guān)于產(chǎn)業(yè)化的情況，首先，清華基金控股的北京億華通科技公司，2004年以來(lái)致力于燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，實(shí)現(xiàn)中國(guó)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)批量生產(chǎn)，并具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和產(chǎn)品系列，2016年在新三板掛牌，實(shí)現(xiàn)中國(guó)氫能燃料電池公司在資本市場(chǎng)零的突破。
另外，我們有上海神力的電堆基地，實(shí)現(xiàn)了模壓石墨的雙極板批量生產(chǎn)，新一代燃料電池電堆的批量生產(chǎn)，同時(shí)建立了燃料電池電堆測(cè)試中心，面對(duì)全社會(huì)提供測(cè)試服務(wù)。還有張家口的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)基地和制氫基地。這是設(shè)在加拿大的研發(fā)基地，將率先在這里開(kāi)展膜電極研發(fā)。
最后我說(shuō)一下氫能燃料電池汽車的前景與挑戰(zhàn)。
這是奔馳公司給出的一個(gè)全方位的各種動(dòng)力系統(tǒng)的比較圖。橫軸是能源消耗，縱軸是碳排放。這是內(nèi)燃機(jī)、混合動(dòng)力。綠色的是純電動(dòng)，藍(lán)色的是燃料電池。從中間可以看出，如果以可再生能源為一次能源，在能耗方面純電動(dòng)應(yīng)該是更有優(yōu)勢(shì)的。如果以天然氣作為一次能源，燃料電池的能耗會(huì)有優(yōu)勢(shì)，但是二氧化碳仍然需要降低，要采取二氧化碳捕捉。所以，氫能是二次能源，節(jié)能環(huán)保效果與生產(chǎn)氫的一次能源有關(guān)，我們也不能說(shuō)氫能是終極清潔能源。氫是能源載體，最后的載體一定會(huì)有氫和電，不可能把電排除。
這是豐田公司給出的一張圖。橫軸是行駛的距離，縱軸是車輛的速度，它給出的是在長(zhǎng)距離重載運(yùn)輸方面是燃料電池的優(yōu)勢(shì)范圍。
這是現(xiàn)代給出的一張圖，就是面向2025年純電池汽車與氫燃料電池汽車的成本優(yōu)勢(shì)對(duì)比。圖上轎車的成本圖，燃料電池是紅色，純電動(dòng)是綠色?？梢钥闯觯?00—700公里之間，兩者的成本差不多。在500公里以內(nèi)，燃料電池轎車沒(méi)有成本優(yōu)勢(shì)。但是商用車用燃料電池在100公里以上就具備成本優(yōu)勢(shì)。所以，我們目前的基本結(jié)論是，鋰離子電池系統(tǒng)更適合替代汽油機(jī)，氫燃料電池系統(tǒng)更適合替代柴油機(jī)。這是我們?yōu)槭裁淳劢谷剂想姵厣逃密嚨木壒省?
說(shuō)一下市場(chǎng)的前景，首先我們認(rèn)為，市場(chǎng)要穩(wěn)扎穩(wěn)打，我們目前是從北方的寒冷地區(qū)商用車市場(chǎng)突破，這張圖是從北京到張家口的長(zhǎng)距離實(shí)驗(yàn)，這是在張家口交付的130輛大客車，面向的是2020年的冬奧會(huì)。我們認(rèn)為，在北方寒冷地區(qū)燃料電池相對(duì)純電動(dòng)更有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
第二個(gè)，如果燃料電池僅僅用于汽車，我認(rèn)為革命的意義是不大的，所以我們必須從能源革命的角度來(lái)看待燃料電池，逐步擴(kuò)展開(kāi)拓固定式氫-電能源市場(chǎng)，研發(fā)光-電-氫一體化微網(wǎng)系統(tǒng)。這張圖是清華正在建設(shè)的光電氫一體化的微網(wǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)。我們認(rèn)為，氫能燃料電池大有可為，而且跟儲(chǔ)能、純電動(dòng)汽車、光伏構(gòu)成綜合的高效清潔的而且分布式獨(dú)立的能源系統(tǒng)，將會(huì)給能源系統(tǒng)帶來(lái)革命性的變化。目前我們正與丹麥技術(shù)大學(xué)、日產(chǎn)、殼牌等合作，推進(jìn)這方面的工作。把中國(guó)光伏的優(yōu)勢(shì)、儲(chǔ)能電池的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，并把氫燃料電池結(jié)合進(jìn)來(lái)，光伏發(fā)電可以用電池儲(chǔ)存，也可以制氫，，最后做成一個(gè)面向未來(lái)能源互聯(lián)網(wǎng)的分布式獨(dú)立微網(wǎng)獨(dú)立能源系統(tǒng)。
當(dāng)前氫能技術(shù)落后于燃料電池技術(shù)，進(jìn)展比較慢，我們需要全鏈條各環(huán)節(jié)氫能科學(xué)與技術(shù)的新突破。這張圖是選自長(zhǎng)城汽車的一個(gè)研究，從能源生產(chǎn)、分配、運(yùn)輸、加注等等環(huán)節(jié)很長(zhǎng)、很復(fù)雜。目前存在能效偏低、成本偏高的問(wèn)題，大家必須聯(lián)合起來(lái)，把這些關(guān)鍵技術(shù)突破。推進(jìn)氫能燃料電池技術(shù)的規(guī)模商業(yè)化。
謝謝各位!
