清華大學(xué)李建秋：我國(guó)燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)和建議
圖為清華大學(xué)教授李建秋發(fā)表主題演講
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在中國(guó)電動(dòng)汽車百人會(huì)論壇（2018）的“燃料電池產(chǎn)業(yè)化路徑與政策環(huán)境”主題論壇上，清華大學(xué)教授李建秋發(fā)表主題演講。
以下為演講實(shí)錄：
尊敬的徐冠華部長(zhǎng)、干勇院士、吳志新主任，各位專家，上午好！很高興有這個(gè)機(jī)會(huì)向大家匯報(bào)行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)和建議。
目前各整車企業(yè)在燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的參數(shù)。我們認(rèn)為目前國(guó)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(diǎn)不一樣，我們對(duì)比了轎車的發(fā)動(dòng)機(jī)和商用車的發(fā)動(dòng)機(jī)，可以看到轎車強(qiáng)調(diào)的是功率密度，耐久性做到5000小時(shí)可以滿足整車的壽命，但商用車方面的耐久性將會(huì)達(dá)到20000小時(shí)，功率密度是比較低的。我們也對(duì)全球燃料客車的情況做了對(duì)比，客車的發(fā)動(dòng)機(jī)基本上除了豐田用的就是MIRAI金屬雙極板發(fā)動(dòng)機(jī)，其他幾家用的還是石墨雙極板。
最近兩年國(guó)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(dòng)的重卡牽引車的概念，也推動(dòng)了國(guó)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(dòng)力系統(tǒng)，豐田也在美國(guó)推出了30噸八級(jí)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(guó)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(tái)的概念，我們認(rèn)為這個(gè)概念也是非常好的。可以看到這種車是沒有駕駛室和方向盤的，燃料電池、發(fā)動(dòng)機(jī)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(tái)既可以作為普通貨物的運(yùn)輸車，也可以將來在戰(zhàn)場(chǎng)上用來救護(hù)，所以用途是很廣泛的。
我們對(duì)國(guó)際上的這些車輛本身的性能進(jìn)行了對(duì)比，有的數(shù)據(jù)不一定完全準(zhǔn)確，因?yàn)槲覀兪峭ㄟ^各種渠道收集來的。我們想給大家一個(gè)最深的印象：特斯拉純是純電動(dòng)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(jìn)，后面的都是最近五年新開發(fā)的車。不進(jìn)則退，最近五年燃料電池車的技術(shù)是一年比一年進(jìn)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(duì)全球燃料電池的發(fā)展趨勢(shì)有了一個(gè)根本的判斷。這種判斷更多的是給投資人講的。今天參會(huì)的很多人對(duì)這個(gè)行業(yè)還不是很了解，所以我們想在這里和大家做一點(diǎn)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(tái)/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(dòng)機(jī)也就是這個(gè)價(jià)格。除了燃料電池還有儲(chǔ)氫、電池、變速箱和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，加起來動(dòng)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(jī)B級(jí)車的價(jià)格，如果讓你買一個(gè)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(dòng)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(shì)。
現(xiàn)在鉑的載量還在進(jìn)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克的發(fā)動(dòng)機(jī)大概不到10克的鉑，全球已經(jīng)投產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)中，做得最好的是本田的Quality發(fā)動(dòng)機(jī)，12.5克鉑的載量，豐田和奔馳的發(fā)動(dòng)機(jī)是20克鉑。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)做傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)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(gè)已經(jīng)拉平了，這樣的形勢(shì)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(guó)際形勢(shì)，結(jié)合張進(jìn)華秘書長(zhǎng)做的技術(shù)路線時(shí)候我們判斷下一步的重點(diǎn)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(yù)計(jì)客車到2020年大概會(huì)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(gè)判斷。2017年我們統(tǒng)計(jì)了全國(guó)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(huì)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(gè)環(huán)節(jié)的成本下降很快。
關(guān)于耐久性也有一個(gè)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(shí)，同時(shí)針對(duì)車用工況，包括停機(jī)、溫度循環(huán)、電堆不一致以及膜的機(jī)械耐久性，現(xiàn)在可以做到5000-6000小時(shí)。下一步到2020年的目標(biāo)是做到1萬小時(shí)，其中主要的工作是在機(jī)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(dá)到2-2.5萬小時(shí)的實(shí)際工況壽命。現(xiàn)在預(yù)計(jì)是可行的，因?yàn)閷?duì)2020年1萬小時(shí)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(shí)。2.5萬小時(shí)是什么概念？就是公交車每天17個(gè)小時(shí)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(rèn)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(dá)到9千瓦/升，我們還沒有看到詳細(xì)的報(bào)道，至少日本的同行已經(jīng)把這個(gè)目標(biāo)提出來了。現(xiàn)在我們大負(fù)荷發(fā)電的時(shí)候，一般燃料電池曲線是小負(fù)荷的時(shí)候電壓高，大負(fù)荷的時(shí)候電壓低，額定功率時(shí)是0.5-0.6伏之間，效率在0.6伏時(shí)不到50%。日本提出通過催化劑和材料的改進(jìn)，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(xiàng)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(huì)有壓降和擴(kuò)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(rèn)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(zhǎng)空間。
下面講一講我們國(guó)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?yàn)橐郧按笃髽I(yè)跟進(jìn)得少，一般講體系的話都是針對(duì)大企業(yè)來講的，學(xué)校或者小的研發(fā)企業(yè)很難健全這個(gè)體系。最近一兩年我們一汽、上汽和長(zhǎng)安這些整車企業(yè)，包括重汽和濰柴這些國(guó)內(nèi)主流的行業(yè)已經(jīng)開始動(dòng)了，這讓我們感到特別欣慰。在這樣的形勢(shì)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(jìn)行體系化的建設(shè)。我們也想請(qǐng)相關(guān)的領(lǐng)導(dǎo)和專家在這些方面開展體系化的建設(shè)工作，大概是六個(gè)方面：
首先是機(jī)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(dāng)中還是有很多工作可以做的。
其它的是電堆設(shè)計(jì)和集成制造領(lǐng)域、部件配套和測(cè)試評(píng)價(jià)、整車應(yīng)用與售后保障、氫能供給和安全運(yùn)維。李所長(zhǎng)講得非常好，氫的安全運(yùn)維體系是不可或缺的一環(huán)，我認(rèn)為氫能源方面作為可再生能源的儲(chǔ)能系統(tǒng)，我們的認(rèn)識(shí)是相同的。
最后一個(gè)體系是行業(yè)缺人缺得厲害。現(xiàn)在行業(yè)當(dāng)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(diǎn)人是撐不起這個(gè)行業(yè)的，所以我們?cè)趦赡昵跋虮本┦锌莆ㄗh，必須在北京的大學(xué)當(dāng)中有做催化劑材料的立項(xiàng)，通過科委的支持給大學(xué)老師幾百萬的項(xiàng)目，讓這些老師能夠把學(xué)生帶出來。去年、前年和今年科委都陸續(xù)立了一批項(xiàng)目，就是專門支持高校做機(jī)理分析和電堆設(shè)計(jì)。課題不大，也不可能做到產(chǎn)業(yè)化，但主要的目標(biāo)是讓這些高校為行業(yè)培養(yǎng)人。現(xiàn)在燃料電池行業(yè)太缺人了，所以我們把動(dòng)力電池和燃料電池結(jié)合在一起，起的名字叫做電化學(xué)動(dòng)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(dòng)機(jī)、變速箱、傳動(dòng)、底盤這樣的人為主，但是現(xiàn)在我們搞動(dòng)力的需要增加電化學(xué)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(xué)的潘牧老師是第三方的，我們?cè)谶@方面也是有基礎(chǔ)的，分區(qū)診斷和檢測(cè)方面，過程優(yōu)化非常重要的第一步是模擬計(jì)算，就是傳熱傳導(dǎo)行不行。我認(rèn)為最關(guān)鍵的是怎么評(píng)價(jià)仿真和模擬計(jì)算，一定要能夠測(cè)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(cè)平臺(tái)，現(xiàn)在可以做到內(nèi)燃機(jī)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(gè)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(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的外圍配套。現(xiàn)在我們國(guó)家外圍的配套還很不健全，這既是挑戰(zhàn)也是機(jī)遇。我們做了空壓機(jī)的調(diào)研，以空壓機(jī)為例子，國(guó)內(nèi)外有蝸桿式空壓機(jī)，還有羅茨式空壓機(jī)，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(jī)，就是8-12萬轉(zhuǎn)，然后用空氣軸承，電機(jī)和壓氣機(jī)直接一體化系統(tǒng)。這方面對(duì)我們國(guó)家現(xiàn)在還是一個(gè)挑戰(zhàn)，高速機(jī)和離心壓氣機(jī)也有人做，但是三個(gè)軸承連在一起的還是沒有人做，國(guó)際上是有人做的。
動(dòng)力系統(tǒng)、售后服務(wù)和整車方面都不詳細(xì)說了，包括運(yùn)維體系等等。最后我想強(qiáng)調(diào)的是，電化學(xué)動(dòng)力學(xué)的人才培養(yǎng)體系既涉及到傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的流動(dòng)和傳熱學(xué)科，也涉及到動(dòng)力電池的電化學(xué)和材料學(xué)科，還涉及到DC/DC變換器，就是電力電子電傳動(dòng)學(xué)科。現(xiàn)在我們是在很認(rèn)真地考慮清華汽車系動(dòng)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(xué)、電力電子的課程納入進(jìn)來。我們已經(jīng)在課程和人才培養(yǎng)方面做了實(shí)質(zhì)性的改革，這些就是今天我向大家匯報(bào)的。
（根據(jù)發(fā)言整理，未經(jīng)本人審閱）
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