钜大LARGE | 点击量：889次 | 2019年01月17日
燃料电池汽车在冬天的续航里程要比夏天还长？
1月11日-1月13日，以“汽车革命与交通、能源、城市协同发展”为主题的中国电动汽车百人会论坛（2019）在北京钓鱼台国宾馆举行。本次论坛以“汽车革命与交通、能源、城市协同发展”为主题，围绕汽车零排放和电动化变革、能源转化及传统能源公司转型、未来交通和出行变革图景、下一代汽车关键技术发展、汽车智能化和网联化趋势、核心供应链培育、汽车生产组织方式变革、国际创新对接、产业政策调整等热点问题进行研讨。
在1月13日上午进行的《主题峰会3：燃料电池汽车产业化的路径与保障》上，清华大学氢能燃料电池团队负责人李建秋教授发表了主题演讲。
以下是演讲实录：
尊敬的衣宝廉院士，尊敬的欧阳老师，王海江老师，尊敬的各位专家、各位领导，大家上午好！刚才衣老师把国内外的情况都做了简单介绍，郭副市长也把张家口，还有欧阳老师补充的，张家口的战略意义都非常清楚了，下面就是怎么落实，撸起袖子加油干就行了。所以今天我就汇报一下我们在氢能燃料电池方面研究的进展情况，偏技术一点，也对后面的趋势做一个判断。
我们都知道燃料电池系统我们俗称为发动机，包括了单体、电堆、系统，系统里面包括了氢气系统、空气系统、冷却系统、功率输出控制系统等等。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
我们这个团队在欧阳老师的指导下，前面已经做了十多年了，从2015年开始逐步在各种车型上推广应用。目前我们取得了几个主要的进展在这里给大家汇报一下：
第一，我们把流场的设计跟我们的流道里面气体浓度的测量结合起来。因为你要提高电堆的功率密度，就必须要能够知道它的浓度分布是不是合理，所以在这些关键的技术上面，我们首创了国际上的沿着通道，就是流道方向的哪个点在什么样的工况下、气体浓度的组分是什么样的，我们有一个比较大的突破，这样你就能看到，沿着气体浓度的方向，我们把模型跟测试结果匹配标对完反过来再做改进的设计，就能够预测我们的性能。我认为这个是我们真正取得很大突破的地方，就像传统内燃机一样，你有缸内的压力传感气，你能看到燃烧的压力是怎么样升高的，反过来你就可以改你的燃烧室。如果没有这个闭环设计的手段你是提高不了的，所以这块是我认为我们近期很大的进展。
第二，我们提出了双循环系统。我们现在知道一般阳极再循环大家用的比较多，我们现在把阴极再循环也用上，双循环，就是阳极和阴极同时再循环，通过阴级再循环，防止电压过电位，低速的快速启动、湿度的控制都有很好的效果，在这方面国际上我认为我们也是首创，量产的发动机用双循环系统。这是在实验室里做的，这是10千瓦时电堆的双循环台架，那边是30千瓦的双循环。通过双循环能够在冷启动的时候缩短60%的时间。
第三，下大力气进行整个发动机的系统集成，各个部分怎么设计、怎么模块化，同时在发动机控制上面我们提出了含水量闭环自适应的控制。我们都知道，如果你的车要能够适应春夏秋冬不同的湿度、不同的温度，而且又有不同的功率变化，水是它生成的产物，含水量的控制是非常关键的，一般如果你不闭环，要么就是磨缸、要么就是水淹，实际上是失稳的，我们在怎么样实现水的闭环方面做了很多工作，像丰田做到，整个电堆的含水量闭环，我们现在可以做到，除了整个堆，每片的含水量我们都可以看到，一个堆比如说300片，你这里面每片的含水量是什么样的我们都能知道、都能看得清楚，通过这个技术能够提高对电堆工作状态的诊断。
第四，动力系统方面，我们实现了电电混合动力，通过这个实现它的长寿命。
第五，在整车的氢安全方面，我们已经做了十多年，安全是始终要保证的，所以我们在系统设计上怎么样保证系统的安全也做了很多的工作。
第六，针对耐久性，我们也做了很多方面的研究工作。有的已经开始应用了，有的还没有，因为耐久性特别像我们的木桶效应，40几项措施里面，如果有一项你处理得不好，这个堆的耐久性可能就不行，所以必须所有的综合措施都得加上来，包括在材料领域、在系统领域、在发动机控制领域，在整个动力系统的领域应该怎么样，再把它通过我们动力系统的循环，把它还原到我们测试台架上的测试标准，最后通过像右下角这个红线是我们燃料电池的动态工况，这样的动态工况下到底能承受多长的寿命，我们现在基本上做到了1万小时的耐久性。后面基于材料方面的改进，比如膜电极的材料要能够超过3万小时，在应对将来到2025年膜电极材料要达到4万小时，不同的车用循环对照下来，能够做到2万—2.5万小时，到2025年我们的判断，基本上可以做到跟整车同寿命。
基于整套的，从电堆到发动机、到动力系统，再应用到整车上，目前已经开始产业化，并且有不同的企业已经开始进行相关的测试和验证。这个是福田的车在张家口崇礼，低温适应性的情况，证明我们整个燃料电池车可以在零下25度的环境下运行，发动机本身在实验室里已经可以做到零下30度启动，但是我们在实际车辆应用，还是会用动力电池和燃料电池相互配合的关系帮助它快速启动。
同时刚才欧阳老师的观点我们是很认同的，如果我们对燃料电池汽车解决了它的低温环境适应性的话，本身整个车辆在低温的环境下运行是非常好的，为什么呢？因为我们的燃料电池，比如一个60—80千瓦的燃料电池发动机，它的输出废热，就像我们传统的柴油机一样是有余热的，这个废热大概也是60—80千瓦，这60—80千瓦如果夏天的时候要通过散热系统专门散掉，如果是冬天的话，就只需要，比如说你可以拿它来给乘客舱采暖、给动力电池保温，所以整个车辆在冬天的时候，乘客舱的温度是可以控制的比较好的，而且它不用消耗燃料电池或者动力电池自己的电量来维持这个温度。
所以，我们说燃料电池汽车是可以做到冬天如果加了整车的综合热管理可以跟夏天一样长的续驶里程，纯电动是做不到这一点的，纯电动一定要消耗存储电池里的热量来残热，不管是PTC的加热还是好的制热空调，都是要消耗电量的，消耗动力电池的电量就意味着你的车冬天的续驶里程会变短，但是燃料电池不会，燃料电池夏天的时候需要消耗电量来给空调供电，而在冬天的时候只需要用废热给乘客舱保温和采暖。所以从理论上讲，冬天的里程应该比夏天还长，这个我们正在跟宇通和福田，如果张家口夏天不用开空调的话，冬天和夏天的里程是一样长的。这个也是我们坚持在张家口的原因，张家口是我们在北方地区新能源汽车真正跟传统燃油车同样续驶里程的一个很好的试验点。
高原环境我们也进行了测试，车辆从北京开到张家口，将来可能还会开到比如说唐古拉山等等更高原的，看看我们燃料电池发动机，现在我们国内也是很少做的，燃料电池发动机里面也有空压机，空压机在高海拔的环境下是不是也有环境适应性的问题，但是张家口因为海拔高度还不算很高，1千多米，这个现在测试结果是没问题的，当然现在就开始产业化了。
所以客车和物流车现在基本上我认为已经进入大规模产业化阶段，就是说性能完善，比如功率大一点、电池多一点、热管理做的完善一点，我们学校就慢慢的要再往前走一步，就是利用物流车和商用车，把我们整个燃料电池发动机产业链完善了之后，发动机的成本就会下降，同时刚才衣院士讲的我们也是非常认可的，发动机的功率密度和降低成本，功率密度上去了、成本下来了之后，下一个我们就会杀个回马枪，就是进入轿车领域。在北方地区，燃料电池轿车我们认为仍然有它强大的生命力，现在我们正在跟北汽，今天北汽领导也有在座，我们已经做了两轮，这个是最新的一轮，现在已经可以跑了，这样轿车我们肯定是要干的。同时，我们也在跟青岛四方干有轨电车，用的就是我们客车的电电混合动力系统。现在第一辆车在四方佛山南海正在示范，车已经可以跑了。所以我认为，有轨电车将来也是重要的应用场景，传统的有轨电车需要带个“辫子”，要有供电轨道，要么上面有供电电缆，要么有第三轨，我们刚开始不知道，后来一问，它的供电这套基础设施，包括电网、电站、供电轨一公里要3千多万，我现在把燃料电池在线发电，就是一辆车增加几百万，把燃料电池系统装到车上去，不要这个供电轨了，这两个轨道是不带电的，这个建设成本大大降低。而且有轨电车，只需要在始发站建一个加氢站就行了，所以这个我们认为下面还有发展的空间。我们现在给它的氢系统配的35或者70兆帕的，将来如果配上液氢系统，我这个有轨电车一天跑下来都没有问题。当然我们青岛四方去年也拿了个奖，就是氢能燃料电池的。
再汇报一下我们正在干的工作，这个是北京市科委给我们的项目，我们现在也在国内寻求合作伙伴，我们整车企业看谁感兴趣，主要是针对我们重卡的领域。因为燃料电池发动机是可以做到功率偏大的，而且一会儿我会有一个经济性的分析，就是说在重卡领域，纯电动相比来讲，没有燃料电池这么有优势，我们前面也做了市场的调研，我们有这个长途的客运比如省际物流1千公里的，一般是6×4的半挂拖车，现在是柴油机改成LNG，就是下面两个气罐的这种，还有一种针对城市里的城建车辆，比如渣土、水泥搅拌，8×4的这种，35吨级的，城市建设，像北京公转铁，铁路把基础建设运到车上，渣土城建车辆就把它运到工地，这种车辆现在纯电动电池占的比重比较高。我们基本上，第一个车型就是针对8×4的，这个项目我们现在正在做，我们会研发发动机、动力系统，现在不知道哪个整车感兴趣，加入我们一起来做，现在福田是我们的一个合作伙伴，下面也有其他的合作伙伴感兴趣，如果感兴趣回头可以来找我。
我们基于原有的纯电平台、LNG的平台来做这个工作，我们将采用液氢的系统，不再采用气氢了，比如举个例子，这是我们的一个初步的方案，我们燃料电池的功率大概会做到160—200千瓦，就是保证在长途的公路八九十公里可以持续开，加一次氢气1千公里，并且我们会采用先进的电动轮技术，就是电机是直接在轮毂里面的，就是先进的分布式电驱动技术、大功率燃料电池发动机技术、先进的液氢储氢技术，包括它的综合能量管理。昨天我们欧阳老师的报告有一个预测，大概重卡2030年左右会成熟，我们要有一个提前量，我们现在就开始要做初步的研究了。
第二部分，下一步燃料电池汽车的发展会怎么样。
刚才衣院士也介绍了相关的情况：第一，要保证它的效率。比如我们现在额定电压一般是0.6V左右，0.65V，将来慢慢通过材料水平技术进步慢慢会提高的，我们知道反应电压越高效率就越高。第二，成本。我们认为2025年左右大概是3千—5千元，2030年会降到1千元，1千元是什么概念呢？像12米公交，一般用50—60千瓦的发动机，1千/千瓦大概5—6元，这个钱的成本已经低于我们国6柴油机的成本了，所以将来燃料电池还会有显著的成本下降。
这是我们做的一个预测，不一定对，黑色的目标是2014年的时候，我们那个时候判断的，每个阶段我们指标大概能够实现什么样的水平，去年我们做了一个中期的评估，看我们达到了什么样的水平，大家可以看到，2018年的时候我们已经实现2.0千瓦/升，而且2.0千瓦/升，不是指峰值功率密度，指额定功率密度，比如像一般轿车上面，3.0千瓦/升、3.1千瓦/升，那个指峰值功率密度，30秒，额定的功率密度现在国内外的大概1点几到2左右，就是像大连新源大概1.9，大概是这个水平。铂载量0.4，成本大概1万元，耐久性基本上做到了1万小时。可以看到，蓝色的目标是基于2018年取得的成果和国内外的形势，重新做的目标，功率密度、低温性能，这些我们都做了向上修正，对于轿车的续驶里程我们也做了向上修正，包括耐久性也做了向上修正，我们关键技术这几年做的，而且我相信，现在我们因为大企业大量的加入，将来燃料电池汽车的技术进步还会呈加速的趋势，到2025年我们大概可以做到3—4千瓦/升，零下40度，系统的成本会降到2千—3千元，到2030年会降到1千元。所以，尤其是我们北方地区，还是要坚持走燃料电池的路线，从大车开始，甚至高车。如果到2025年我们做到2千元/千瓦，轿车比如50千瓦也就10万元，我想一个整车加起来卖25万左右B级车是可以的，所以我认为将来还是会有很好的潜力。
国际上也有不同的预测，这是各个国家做的预测，燃料电池增长的幅度都会越来越大的，而且从我们国内的情况来看，我认为燃料电池在商用车领域替代的速度会进一步加快。因此，我们不断的调整这个目标，还是坚持2020年左右我们国内会达到年产1万辆的目标。
液氢我们想给大家讲这个故事，大家也看到了，今年可再生能源与氢能的专项里面就出现了液体储供氢技术课题的指南，这也是应对形势的变化。大家可以看到，从燃料罐的体积跟燃料罐的重量，液氢35、70兆帕都是有优势的，也是离传统燃油车的燃油能量密度最近的。液氢当然液化是需要能量的，我们也跟高压的气氢做了一个比较，在中等规模的液化，1公斤氢气液化大概是10—15千瓦时的电量，到2030年，由于液化工艺的改善，可以做到7公斤，大家可以看到，你把氢气加压到70兆帕，加压也是要6千瓦/公斤的，这样等到2030年前后，液氢的单位能量能耗就跟气氢接近，但是液氢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优势。气氢现在70兆帕大概是5%的重量比左右。而且可以看到，这是日本岩谷的液氢输运，在储存方面都是液氢的储罐，所以我认为我们国内，在储运方面、输运方面，液氢先做起来，我们团队更加激进一点，国外我们也分析了，像美国的尼古拉1，他们重卡的概念现在实测还没有出来，但是他也用的液氢的方案。
我们比较一下燃料电池重卡跟纯电动重卡的对比，假设3千元/千瓦，一个160千瓦的燃料电池发动机大概50万，氢系统大概18万，18万其实是有富余的，LNG的储罐不会要18万，LNG跟液氢LH罐的整个系统，除了温度更低之外，整个系统是非常类似的。因此，我也配电电混合动力系统，我要有12万、60度电，它跑500公里这是没有问题的。右边，我们按照比如重卡100公里大概200度电，这样500公里的续驶里程大概1000度电，按照现在系统能量密度160瓦时/公斤，大概6吨多。其他的我认为都不变的话，动力系统的成本可以看到，燃料电池是90万，那边是110万，这是我们30元/千瓦算出来的结果。刚才我讲了，如果我们按照1000元/千瓦，这个成本会更低。所以，重卡燃料电池我认为有先天的优势，从它的重量、从成本都会有优势，这个就是现在北京市科委支持我们正在搞的，科委给我们提了一个要求说，第一，你必须跟福田这个整车单位合作，第二，你必须拉一个北京不是整车的企业合作，我们就想跟哪个企业合作，比如东风、一汽感兴趣我们一起来做，整车、底盘、集成到时候我们一起来做。
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