中國儲能網(wǎng)訊：當(dāng)前，國內(nèi)外主要的整車企業(yè)都在進行燃料電池汽車開發(fā)。清華大學(xué)研究團隊也長期從事燃料電池汽車關(guān)鍵技術(shù)研究。今天，我們邀請了清華大學(xué)車輛與運載學(xué)院李建秋教授談?wù)勅剂想姵仄嚨默F(xiàn)狀與發(fā)展趨勢。
當(dāng)前，從國內(nèi)外發(fā)展情況看，國際上主要的整車企業(yè)都在進行燃料電池轎車開發(fā)。表1是目前已經(jīng)發(fā)布燃料電池轎車的主要參數(shù)，其中最具代表性的是豐田Mirai，總產(chǎn)量已超過10000臺，它將會在2020年東京奧運會上進行示范。此外，在2018年平倉奧運會上，現(xiàn)代的NEXO也進行了小規(guī)模示范，取得了很好效果。除了圖1所提到的企業(yè)，寶馬也宣稱明年將推出燃料電池跑車。針對乘用車空間緊湊的特點，目前已發(fā)布的燃料電池轎車的動力系統(tǒng)集成度不斷提高。例如本田、奔馳所開發(fā)的燃料電池系統(tǒng)，已經(jīng)可以在空間上直接替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機。
圖1 全球典型燃料電池轎車性能比較
需要注意的是，當(dāng)前轎車領(lǐng)域在全球范圍內(nèi)仍然是純電動車占主流，絕大多數(shù)企業(yè)銷售的純電動車遠超燃料電池汽車，誕生了像特斯拉這樣的明星企業(yè)。即使是燃料電池最堅定的支持者豐田，近期也與比亞迪在電池領(lǐng)域達成合作，因此轎車也就是乘用車的發(fā)展趨勢仍以純電動為主。雖然目前純電動發(fā)展速度較快，但從成本來看，將來燃料電池在轎車上仍然會有應(yīng)用，這主要有以下兩個原因。
第一是儲能成本。目前動力電池的儲能成本大約是1000元/度電，轉(zhuǎn)換成用氫來儲，一度電大概只需要不到100塊錢。因此對于能耗大的車輛，需要車載儲能多的車輛，燃料電池汽車就有優(yōu)勢。換句話說，在長續(xù)駛里程、重載、能耗高的車輛，燃料電池汽車的相對優(yōu)勢就突顯出來了。
第二是環(huán)境因素。在中國北方地區(qū)，比如張家口這樣冬季時間比較長的區(qū)域，純電動在冬天會面臨采暖和驅(qū)動雙重用電壓力，這導(dǎo)致續(xù)時里程顯著變短，目前沒有很好的辦法可以解決這個問題。但對于燃料電池汽車，由于其廢熱可用于采暖保溫，在極寒環(huán)境下無需額外耗能，不存在冬季“里程焦慮”問題。加上燃料電池汽車儲能本身就有優(yōu)勢，從這個角度來看，北方地區(qū)燃料電池轎車仍然會有比較大規(guī)模的應(yīng)用。
圖2 燃料電池轎車成本預(yù)測
可以預(yù)測，未來隨著燃料電池商用車的規(guī)模不斷擴大，當(dāng)成本逐步降低、基礎(chǔ)建設(shè)不斷完善，燃料電池可能在五座以上SUV、MPV等大型乘用車上殺一個“回馬槍”，實現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。
在商用車領(lǐng)域，全球燃料電池商用車方興未艾。車型越做越大，續(xù)時里程越做越長，發(fā)動機功率也越做越大，在續(xù)航里程、環(huán)境適應(yīng)性、重量、成本等方面也越來越接近傳統(tǒng)柴油車配置。美國Nikola公司正在研發(fā)的Nikola One、Nikola Two燃料電池重卡，同時使用了燃料電池+分布式輪邊驅(qū)動技術(shù)，綜合成本將比傳統(tǒng)柴油動力與新型純電動力更低，計劃在2020年完成研發(fā)投入市場。清華大學(xué)團隊目前也正在開發(fā)類似產(chǎn)品，目前正在裝車，預(yù)計會在今年年底正式發(fā)布，這款重卡的多項技術(shù)均達到了國際領(lǐng)先。
圖3 Nikola公司下一代燃料電池重卡
在軍用領(lǐng)域，通用汽車與燃料電池企業(yè)巴拉德正在開發(fā)一款無人車輛通用平臺：SURUS，該平臺具有很好的靜默性能。既可以做貨運、救護，還可以用來發(fā)電，具有很好的適應(yīng)性。雪佛蘭公司2016年為美軍開發(fā)了氫燃料電池皮卡“科羅拉多”，現(xiàn)已完成超過五百萬公里測試。由于燃料電池產(chǎn)物是純凈水，在沙漠環(huán)境下可以直接供士兵生活使用，受到了軍隊的青睞。
圖4 美國通用汽車研發(fā)的燃料電池皮卡與無人作戰(zhàn)平臺
近年來，燃料電池客車示范運營大幅推動了燃料電池技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。下圖比較了國外典型的城市客車燃料電池系統(tǒng)，對標國際一流水平，目前中國已掌握了100千瓦級大功率發(fā)動機制造技術(shù)與動力系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)，建有國際上最大的燃料電池客車車隊，氫耗、成本等關(guān)鍵指標在國際上處于領(lǐng)先水平。
圖5 商用車燃料電池系統(tǒng)
圖6 全球典型燃料電池客車
調(diào)研發(fā)現(xiàn)，隨著燃料電池技術(shù)不斷成熟，燃料電池在國防領(lǐng)域的應(yīng)用快速升溫，全球各國軍方普遍認為，國防領(lǐng)域是燃料電池極佳的應(yīng)用場景。上文所提到的兩款軍用車只是美軍燃料電池應(yīng)用中的幾個例子，此外，美軍還將燃料電池用于水下潛行器與大型無人機動力系統(tǒng)開發(fā)。德國和法國已將燃料電池用于潛艇動力開發(fā)，挪威將燃料電池用于艦船動力開發(fā)，也有研究團隊將空冷燃料電池用于小型無人機動力開發(fā)。
圖7 燃料電池在軍用領(lǐng)域的應(yīng)用
近期，國內(nèi)已開始開發(fā)基于純電平臺的船舶。未來，如果將儲能電池替換為燃料電池，儲能密度與成本將會顯著改善，燃料電池在船舶動力上具備顯著優(yōu)勢?？梢灶A(yù)見，未來燃料電池在大載荷、長距離運載工具上將會普遍應(yīng)用，現(xiàn)在才剛剛開始。
從潛在技術(shù)挑戰(zhàn)來分析，隨著鉑的用量慢慢下降，未來制造1kW燃料電池將小于0.1克，鉑的成本也會慢慢降下來。目前，大家普遍認為燃料電池本身的問題會逐步突破，不再是將來的主要技術(shù)瓶頸，但氫能基礎(chǔ)設(shè)施會對它的推廣應(yīng)用形成比較大的挑戰(zhàn)。為解決這個問題，日本曾做了很詳細的規(guī)劃，希望加快氫能基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。日本規(guī)劃發(fā)布的時間大概是2012年左右，目前看氫能基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)整體進度低于預(yù)期，在具體執(zhí)行中有很多實際困難，這需要引起我們的重視。我國當(dāng)前也有類似問題，盡管最近這幾年氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷升溫，但總得來說進度仍然偏慢。為了加快建設(shè)進度，美國目前建有油氣混合站，這些經(jīng)驗可以學(xué)習(xí)。
清華大學(xué)研究團隊長期從事燃料電池汽車關(guān)鍵技術(shù)研究，目前專門承擔(dān)了國家科技部的燃料電池客車課題。課題主要研究燃料電池公路客車，滿足在冬奧會活動中張家口到北京的高速長距離通勤需求，主要研究發(fā)動機、動力系統(tǒng)、大容量儲氫、測試與整車研發(fā)示范，最終將開發(fā)完成時速80~90公里、續(xù)時里程達到500公里的公路客車。
圖8 續(xù)駛里程500km的燃料電池公路客車與大功率燃料電池系統(tǒng)
（國家重點科技專項項目資助的研發(fā)成果）
項目近期完成了100千瓦燃料電池發(fā)動機的研發(fā)與測試工作，現(xiàn)在完成了聯(lián)調(diào)并準備裝車，預(yù)計年底將在福田客車上測試。這臺燃料電池發(fā)動機的電堆功率達到137千瓦，凈功率超過105千瓦。除了空壓機，所有零部件都是國內(nèi)配套研發(fā)，目前國產(chǎn)空壓機也正在技術(shù)攻堅，預(yù)計明年整套系統(tǒng)都可以實現(xiàn)國產(chǎn)化配套。
現(xiàn)階段，膜電極仍是燃料電池最具挑戰(zhàn)性的部件。通過之前幾年的技術(shù)積累，研究團隊預(yù)計再通過一年左右時間即可實現(xiàn)國產(chǎn)化。屆時，國產(chǎn)商用車大功率發(fā)動機的整個技術(shù)鏈和產(chǎn)業(yè)鏈就完整了。
圖9 高壓氣氫儲供系統(tǒng)與液氫儲供系統(tǒng)技術(shù)對比
為滿足冬奧運營需求，動力系統(tǒng)方面進行了大量創(chuàng)新，包括燃料電池直驅(qū)構(gòu)型，無動力中斷換擋雙電機驅(qū)動系統(tǒng)等。此外，系統(tǒng)匹配的動力電池也均完成了低溫性能驗證。在儲氫方面，70MPa三型瓶已完成樣品研制，正在進行認證。如果在今年年底或明年年初完成驗證，即可在張家口使用70兆帕進行示范，這是2020年冬天大規(guī)模示范應(yīng)用的重要前提，也是為2022年冬奧會做技術(shù)鋪墊。
清華大學(xué)團隊還開發(fā)了500升液氫儲氫系統(tǒng)，目前剛完成液氫與燃料電池發(fā)動機的聯(lián)調(diào)測試。一個500升的液氫罐可以存儲32公斤的液氫，換算成70MPa儲氫概要用五到六個瓶子，在體積與重量方面液氫有非常大的優(yōu)勢。
圖10 燃料電池物流車
在燃料電池汽車的核心部件——燃料電池發(fā)動機方面，清華大學(xué)和億華通密切合作，研發(fā)了多款燃料電池發(fā)動機產(chǎn)品，其重要性能指標已達到國際先進水平。如圖11所示，其特點是Smart and small（智能化和小型化），額定功率60kW的燃料電池發(fā)動機重量只有120kg，在體積和重量功率密度方面已超過了傳統(tǒng)柴油發(fā)動機水平。該發(fā)動機完全基于我國自主研發(fā)的零部件配套體系，是面向城市公交和物流的主流產(chǎn)品。下一代產(chǎn)品是將現(xiàn)有體積和重量功率密度再提高一倍，燃料電池系統(tǒng)的功率密度將達到1kW/kg、2kW/L的水平。
圖11 億華通發(fā)布的新一代燃料電池發(fā)動機
清華大學(xué)目前和豐田合作，成立了氫能燃料電池聯(lián)合研究中心，重點針對燃料電池的成本和耐久性兩個關(guān)鍵問題開展研究。在實車應(yīng)用方面，清華大學(xué)團隊針對張家口環(huán)境，完成了客車整車綜合熱管理技術(shù)開發(fā)，進一步提高了整車效率，氫耗僅相當(dāng)于國外示范車型的70%。同時，團隊今年完成了第三代物流車開發(fā)，整個燃料電池動力系統(tǒng)已完全不再占用貨艙空間，發(fā)動機、儲氫、電池、電驅(qū)動全部在底盤上，重量跟傳統(tǒng)柴油機的動力系統(tǒng)相當(dāng)，續(xù)時里程在400~800公里水平。
在重卡方面，清華大學(xué)牽頭聯(lián)合多家企業(yè)和研究所，承擔(dān)北京市重點科技項目，研發(fā)35噸級和49噸級的燃料電池重卡。針對35噸級重卡，團隊目前正在進行總裝。團隊為此已攻克了100千瓦的大燃料電池發(fā)動機、60~100kg級別的大容量液氫儲供系統(tǒng)、國際先進的雙輪并裝輪轂電機驅(qū)動的電動橋。從國際范圍來看，目前全球只有清華大學(xué)團隊所研發(fā)的重卡動力系統(tǒng)同時使用這三項前沿技術(shù)，達到持續(xù)高速、高效率、低能耗和長續(xù)駛里程。一次加氫續(xù)駛里程達到800~1000km，整車重量和傳統(tǒng)柴油車相當(dāng)，在動力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)方面已開始處于全球前列。目前項目研發(fā)進展順利，關(guān)鍵零部件已完成研發(fā)測試，正在開展整車集成，今年年底將開展測試和評價。
圖12 燃料電池重卡研發(fā)進展
燃料電池重卡所使用的雙輪并裝的輪轂電機的電動橋，把電機直接放在輪轂中間，去掉傳統(tǒng)驅(qū)動橋的主減速器、差速器等零部件，取消橋中間的“大鼓包”，直接象一根扁擔(dān)把輪轂電機電動輪串裝在兩邊，使得整個電動橋加起來比傳統(tǒng)的驅(qū)動橋重量還要輕，峰值轉(zhuǎn)矩超過18000Nm，傳動效率比傳統(tǒng)機械驅(qū)動橋高8~10%左右，在性能指標上達到了國際先進水平，屬于動力系統(tǒng)的革命性技術(shù)。針對重型卡車，在續(xù)時里程500公里情況下，燃料電池重卡動力系統(tǒng)的重量和成本將明顯優(yōu)于純電動重卡，這也與國外的分析結(jié)果一致。未來，團隊將重點提高燃料電池系統(tǒng)功率密度，延長系統(tǒng)耐久性。
圖13 新能源汽車與可再生能源系統(tǒng)
目前，光伏發(fā)電已可平價上網(wǎng)，隨著光伏技術(shù)在戈壁、沙漠等場景大量應(yīng)用，光伏發(fā)電加上電解水制氫具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。氫能作為一種儲能技術(shù)，具有鋰電所無法比擬的大容量、低成本、長存儲周期等優(yōu)點。未來光伏發(fā)電等可再生能源發(fā)電，再把電能給電動車充電或電解水制氫來儲能，使得可再生能源發(fā)電和制氫成為車用能源的生產(chǎn)基地。國家的交通能源體系也將由現(xiàn)在的柴油、汽油、煤油，通過天然氣過度發(fā)展到氫和電，逐步降低二氧化碳排放，實現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展，以降低能源依賴進口的風(fēng)險，走出一條有中國特色的應(yīng)對氣候變化的新能源和新能源汽車發(fā)展之路。
