衣宝廉院士:氢源和燃料电池汽车的示范运行

发布时间: 2017-11-19 作者:中国国际氢能及燃料电池技术应用论坛

我们一定要用副产氢,这是一个基本原则,你也不要用天然气重整制氢,你要做研究可以,但是我想从盈利角度、从大规模示范角度,我们应该用副产氢

2017燃料电池汽车产业发展高峰论坛暨中国国际氢能及燃料电池技术应用论坛上,中国工程院院士兼中国科学院大连化学物理研究所研究员,衣宝廉院士分享了燃料电池大规模示范运行与氢源的研究分析:

燃料电池车要能够大规模示范运行状态,还有几个阶段要走:一是燃料电池车的可靠性和耐久性要达到要求,也就是说小车要达到5000小时。大巴要达到一万小时,另外要通过安全规范的设施,就是实现结构、电和氢的安全,这是一个基本的要求,达不到这个要求不可能进入大规模的应用。

二是车的售价,在考虑政府补贴以后,应该与锂电池车和燃油车接近,可以稍贵一点,但是不能贵的太多。像过去一辆大巴卖到200万美元,我们开始搞示范运行的时候,联合国设的是200万美元,从戴克公司买的。

三是有充足的氢燃料供给。加氢站能够满足车加轻氢的要求,不能产生加氢焦虑。

四是既然有政府补贴,燃料电池生产企业和燃料电池大规模示范运营单位都应该做到有一定的盈利,只有盈利了,到十四五才能减少补贴,逐渐地甩掉补贴。这是我认为的基本条件。

下面就讲讲燃料电池原料,燃料电池的工作方式是内燃机的,所以说它既具有电池的优点和内燃机的优点,也具有他们的缺点,比如说最主要的缺点就是有几百节电池的一次性问题,这是搞燃料电池必须解决的核心问题,这是跟电池那边来的。与内燃机相似的是,它的系统比较复杂,有供氢系统、供空气系统、排水系统、排液系统,就不像锂电池那么简单,一块东西装到里面就行了,所以系统比较复杂。

但是它既有一致性问题又这么复杂,为什么还一定要搞它?有人说它是终极型汽车,最后的汽车形态,因为它有一个突出优点,燃料电池有两大优点,一是能量比较高,每公斤可以达到一个千化小时这是什么概念,现在我们的锂离子达到了150到160,十三五末要达到200到300,那么燃料电池是1000了,比它高的多了。转化效率比较高。化学能到电池能的转化效率能达到60%左右,内燃机20%左右,所以它的效率比较高,有这个优点,所以人们才要搞它。

燃料电池车的结构,有两类,一类是征程式的,燃料电池给锂电池充电,这种车的性能主要决定于锂电池,燃料电池就作为充电机,是燃料电池车的初级形式,我认为从最后发展这种车是要被淘汰的,但是在过渡阶段是有它的优势的,因为燃料电池的工况比较简单,所以基寿命比较长。

燃料电池和二次电池的混合叫电量混合,按丰田的形式先把燃料电池升压,小车升到300伏左右,大巴升到600伏左右,再跟二次电池进行混联来推动电机,这是一个普通形式,这两边是基本结构,我们就不详细说了。

把燃料电池车和燃油车比,就是用油箱、氢瓶来代替,内燃机用燃料电池发电机来代替,得到的最大好处就是零排放,排放的产物仅仅是水,其他的方面,续时历程、舒适性,所有的使用都跟燃油车是一致的,所以它是容易受用户的接受的,不像现在的锂电池车,还得充电,这是独道的一个优点。

把这三种车市场上跑的,燃油车、锂电池车和燃料电池车相比的话,燃料电池车的主要优点就是续时里程长、零排放、功率力度比较高,特别是适合于大卡车、公交车,续时里程长,动力性能比较好,加注时间比较短,这是燃料电池车的优点。

那么锂电池车在室内运行是比较适合的,那么混合动力和燃料电池就可以跑远了,功率也比较大,这是燃料电池最大的优点,零排放。

国家一直是支持燃料电池车的发展,因为从十五开始,万部长做我们中心专家组的组长,他就提出三种生恒电动车的发展战略,三种是三种车,锂电池车、燃料电池车和混合动力车。三恒是电池,包括锂电池和燃料电池,还有电控,就是控制系统,还有电推进,包括电机升压系统,所以这三种生恒车,政府是一直支持的。

对燃料电池最大的优点,补助费比较高,商用车补助30万,燃料电池大坝和中型火车补助50万,这个补助还是比较高的。但是如果要做重型卡车,重型卡车燃料电池的功率要达到150千瓦,要达到这个功率,补助50万是不够的。所以说这个补贴仅仅适合于公交车和商用车,要搞型卡车燃料电池功率达到150到300千瓦的时候,我看应该特殊考虑,我们支持这种新型车的发展。后来有一些搞征程式的又提意见,说我功率不到30千瓦,所以在十三五期间,他们又增加了一条,每千瓦补助6000块钱。

发展计划,这个是专家组认为到2030年可以到百万量,按现在的趋势也有可能。看来燃料电池在我们国家搞过的示范运行,这些示范运行有一个特点,对经济没有要求,只要你跑起来,能跑住就是好东西,就能得到表扬,暂时不考虑清洁问题,我下面讲的,我们这次从现在开始再考虑清洁问题。我们国家有200余辆燃料电池车进行了示范运行,累计运行里程是11万公里,性能接近国际水平,但是成本和耐久性有待于改善。

上海的比比特,2008年的奥运会有23辆燃料车,20辆轿车,3辆大巴。2009年有16辆轿车到美国参加了在加州搞的示范运行。2010年有一辆大巴参加了新加坡的试行会,有196辆燃料电池车参加了上海世博会的示范运行。这是参加北京奥运会示范运行的燃料电池轿车,它的燃料电池功率是50千瓦过载到60千瓦。额定工况的效率是49%,实际整个的效率达到50%到60%,因为车都是大马拉小车,一般是用在1/3功率的时候,运行时间非常长。

这是上海世博会,196辆,有100辆观光车这个比较小,都是5000瓦的。有90辆轿车,有60辆是国产中国做的,有30辆是美国通用的。有6辆大巴,6辆大巴有3辆全是我们自己做的,3辆是购买巴拉德的电堆我们配的系统。运行情况,这90辆轿车60辆跟通用的车辆性能差不多,但是人家的可靠性比我们好一些。

从6辆大巴来看,我们自己全部国产的是好一点,买巴拉德电堆跟我们配的系统还有点不适应。所以说,别以为有了电堆就能装出好的发动机。辅助系统跟二次电池的匹配,也是很重要的一个事情,这是整车厂跟做燃料电池发动机的单位要认真对待的事情。因为现在燃料电池电堆寿命的延长,我认为主要贡献不是材料的改进,而是在控制测料和系统方面的改进,从芝加哥不到1000小时三辆大巴都垮掉的话,到现在达到1万、5千,主要是控制测料和系统方面的改进。最根本的是电电混合,完事控制高电位,其次就是控制停车处清空界面,最后控制样机水管理。有这么些措施上去,你的发动机电堆的寿命,才能达到5千、1万小时。

这是在北京801路进行的燃料电池客车示范运行,这是国产的我们是80千瓦的燃料电池电堆,买戴克的是200多千瓦燃料电池发动机,但不是电电混合的,所以他的耗型比我们高的多,因为当时我们问戴克,你为什么不搞混合动力、电电混合,他的回答是我们在考验燃料电池。现在全世界都用了电电混合的车辆,这种车辆是对的,因为燃料电池的动态响应不由你,所以各用所长,燃料电池的功率密度比较高,能量密度比较高。所以,锂电池的响应态相应非常好,把两个合起来是一个上升。

大连化物所开发的金属双锂板燃料电池电堆,他已经达到体积比功率3个千瓦,跟国际水平比较接近。这是新源动力利用大连化物所的技术组装的,燃料电池电堆,化物所是裸堆,这已经把巡检、一系列控制的东西都装在里面了。这个达到每立升1.85千瓦,比国际水平2.5-3立升还是低一点,这个达到实用化的电堆。这种电堆上海上汽用它装了荣威750轿车,这边荣威750的性能。

这个车参加了上汽主导的2014年的创新征程愿景,三类新能源车:混合动力车、燃料电池车和锂离子电池车。考察这种新能源车对中国环境的适应性,包括西藏、青海,包括南方沿海地区和北方,分两路南路和北路运行。

北路从上海出发经过大连,到大连的时候,因为他的发动机是新源动力做的,有个交钥匙工程。到北京万部长再看这辆车,通过青岛和连云港这一条线,整个示范运行说明这三种新能源车,都适应在中国这个地理环境下运行,特别是燃料电池车,我们当时很担心在西藏能不能跑起来,因为西藏的氧能动就是10%左右,在我们这是21%,那高的很。所以,在西藏还没加增压器,燃料电池功率有所减少,但是跑的还是可以。这增加我们在全国推广燃料电池车的信心。

这是新源在上一个型号里进行改进型号,可以做到负20度启动。上汽用它装了荣威950,已经在漠河一带已经跑了,可以在负20度下储存和启动。

现在国内的竞争焦点是负30度,为什么?因为2022年的冬奥会在张家口召开,燃料电池要到张家口运行。所以,你要做到负40度储存,负30度启动,现在国内两个燃料电池发动机的生产单位,北京的亿华通和大连的新源动力,已经能做到负30度启动。我认为这样在冬奥会用燃料电池已经没有问题了,锂电我估计也不会有太大的问题,但是性能衰减必须得克服。

这是第二个改进型号,这个是装商用车的,前面两个是装车用车的。这个现在已经达到5000小时示范运行,达到了轿车寿命的要求。最近他们有一个报道,他们不但做到负30度启动,电堆的品控率,已经达到每立升2.5千瓦左右,很快向3千瓦进军。他用这个发动机装了V80这种车(商用车),准备要装100台在上海进行示范运行,发动机已经定了。

宇通搞了三代燃料电池大巴车,也搞了七八年了,而且还建了加氢站。所以,在大巴车方面有很好的基础,第一代、第二代、第三代,三代大巴车,对续驶里程可以达到500公里,加氢时间5-10分钟。这个在国内还是相当高的、相当不错的。

在奥运会期间,北京福田利用神力的发动机,主要是福田欧辉氢燃料电池客车,现在神力已经被亿华通收购,所以整个来说都是亿华通的。这是亿华通的燃料电池电堆情况,它用这个电堆已经给中植装了氢燃料客车,也给飞驰装了氢燃料电池客车。负30度启动,跟氢源一样了。所以这种发动机都至少能够在张家口冬奥会期间跑起来。

上面介绍的基本上都是国产的,下面介绍一下广东国鸿在胡永华书记的推动下,2015年6月30日,引进巴拉德技术,主要是膨胀石墨双机半来制备燃料电池发动机。新源动力的测试部部长到他们单位,来组织这个工作,也是我的博士生,所以他们的情况我基本清楚。他们已经有28辆燃料电池11米的城市客车,今年5月份开了示范运行的启动会,因为它是第三批联合国环境开发署示范支持的。我们发展中国家的燃料电池汽车示范的城市,一共5个,最南边的是佛山,北边就是尤搞,尤搞是在今年的11月份启动,然后就是郑州,还有北京和上海,一共5个城市,每家运行都要上百辆。所以这种示范运行我们应该要求有经济指标考核。

那么燃料电池的安全性,它有结构安全,跟燃油车是一样的,主要多出来是氢安全和电安全,氢安全在开放空间内,燃料电池是非常安全的,因为氢的比重比较小,所以车火苗是向上跑,不像汽油车在车的周围走,所以燃料电池在开放空间里面是非常安全的。

在密闭空间,比如说把车库建到楼下,一般我们不支持在地下室里面,因为燃料电池车里面装了氢气,你在停车场里面除了房顶上要加氢传感器检测,还要用抽风机把氢气排除以外,还要应付特殊情况下的氢的排除。比如说地震要发生了有报警了,还有恐怖袭击,还有着火,你这个要在很短的时间内,把你氢罐当中的氢全部排除,这个要有专用的排空的管道,而且有排空的充足。这个就复杂一点。

所以我们希望燃料电池车能够在低温储存和启动方面多下一些工夫,就放在室外,它最安全,比燃油车安全的多,所以氢安全现在主要是在密闭空间里问题比较多。

结构安全基本解决了,电安全可以用两用电池车的安全,但是燃料电池也有它的特殊性,目前为止还没有达到一致性。比如说撞车了,你切断氢气的同时,燃料电池还有200多伏的,就像丰田这么做,还有200多的高压,在大巴上要伤人的,尽管它的电量很少,但是也有问题。怎么来解决在撞车的同时,将燃料电池的电压达到40伏以下的安全电压,这件事情我们搞燃料电池的认为可以做到,但是我们采用哪条路线,比如说你切断氢的时候就放电,电堆可能损害,你搞惰性气体,还有一个残存秒级的高压,会不会对人造成威胁,所以这些东西要做实验的,我觉得电安全的问题,燃料电池特殊的电安全我们要进行研究。

我们通过上述这些示范运行,万部长在6月份长春未来出行和谐年会未来出行分会场,万部长指出氢燃料在寿命、可靠性、使用性上基本达到车辆要求,中国初步掌握了相关核心技术,基本建立了具有自主产权的燃料电池和动力系统集成平台,下面我们要加强协同创新,加快推进氢燃料产业的发展。也就是说我们现在走到了大规模示范的阶段,但是是商业化,也不是产业化。

那么我们看,通过对车的部分,我的观点是这样,我们国内现在有两条路线,一条是以新能源动力为代表的自主研发,这部分应该进一步提高可靠性和耐久性,降低电堆成本和容量,这是要加紧做的。另外以广东国鸿引进的路线,我们希望消化吸收,并创新,比如说解决巴拉德电堆不能在零下储存和启动的问题。所以它现在到北方来怎么办,用一个大罩,停进来以后罩着电堆,得有个尾巴,尾巴得有试电给它加液,靠这种办法,这种办法是对设施要求的难度太大,没有解决零下储存的问题,这是必须要解决的问题。巴拉德对这个事情不负责任,因为引进的时候没有这个要求。

二是我们要加速发展我们的电堆系统,我们现在的电池系统造价,基本由这几部分构成:燃料电池的电堆,加上一些阀件、检测装置这部分,基本上是出来一份,空压机、氢型泵还有氢瓶,又算一份,1比1。比如说30千瓦的电堆,现在是40万到50万,氢瓶加上空压机再加上氢型泵也要到40到50万。所以说我们这部分应该大幅度给降下来,这样整个电堆发动机系统的成本就大幅度下降。

再一个我们要进行燃料电池的安全标准,配合大规模示范运行,要加快的出台,而且有一些还要做一些实验,所以我们在标准方面,今年的11月份,在大连一起开两个会,一个是燃料电池的标委会,一个是电动车的标委会,两个标委会基本上都在大连开,而且同一个时间进行交流,把这个事情做好。

下面讲一下氢源,我国的优势是有大量的廉价的副产氢,这个是美国也没有、日本也没有、欧盟也没有,所以他们的氢很贵,我们的氢非常便宜。我们现在的工业副产氢大概有1000万吨,主要有交通汽的、合成氨的、甲醇的释放和露天的,这个副产氢非常多,所以你想一千万吨,一辆大巴一天用40公斤到头了,我们开100万辆车。

而且这个氢非常便宜,把交流气通过变压气来提纯纯氢,每平方1.03元。如果是路检副产氢,还不到一块钱,因为路检副产氢的净化非常容易。另外我们可再生能源发展比较快,现在基本上是世界第一了,我们的弃水、弃风、弃光也非常严重,目前电网还承受不了全部的水、风、光都上网,要把这些电用于电解还能做300万吨的氢。所以两个加起来1300万吨,中国的副产氢,因为重化工工业主要在中国,60%在中国。第三类电解水就不说了,现在搞大概是碱水电解,支持发展的纯水电解,最终是固体氧化物燃料电池的电解,效率越来越高。固体氧化物能达到百分百。这个欧洲已经开始示范运行了。

核心问题是什么,有副产氢的地方跟汽车运行的燃料电车运行的地方不是一个地方,要把有氢的地方的氢运到加氢站,所以说氢的储运是一个关键环节。这是各种储型方式,液氢、高压储型、金属储型,现在又出来一个金属闸,就是有机闸门化合物储氢,这个也有一定的竞争优势。液氢适合于大量储存,主要是在液化过程中耗能比较大,特别是适合于洲际之间的氢能运输。

高压瓶储氢车,我们国内的二型就是35兆瓦已经批量生产了,70兆瓦的还在研发过程中。储运,如果是小规模的储氢距离的200公里以内,每天运输10吨,这里包括加压费、存储设备的折旧费,每公斤的氢大概是2块钱左右。用储型材料储氢,仅仅目前金属储型材料有1%到2%,适合于原地储氢,很安全,但是它不适合于运输,因为它比较重。所以真正要长途运输,还是鱼雷车,用高压氢的方法。

闸化合物储氢,是最新发展的一个东西,这个闸化合物不管吸氢还是不吸氢、脱氢状态跟柴油差不多,所以这种办法有它可取之处。有氢态和无氢态基本上差不多,一个黄一点,一个白一点,可以长压吸氢,但是脱氢要在200度。200度脱氢耗能,大概是氢的能量的17.5%。

还有一个问题,负15度这种东西就凝固了,所以太冷的地方还不能用,这是一个值得探索的氢的储运方式,因为你要用一个高压鱼雷车,里面那么多高压的瓶子在用,那个瓶子跟我们装在车上不一样,这么粗,有十几米长,还挺吓人的。我在上世纪70年代运氢的时候,要夜间、警车开道,那阵做航天燃料电池,那得申报批下来,你得提前一个月申报,而且是夜间还得警车开道才能用。所以液态储氢要能成了,跟运柴油一样,这是有一定的优势。它的两个要点,一是耗能,一个是负15度、负20度它就凝聚了,凝聚了就得加液才能放出。

美国最近因为用纳米铝来做氢气,跟铝块不一样不结块,它是适用于无人机,特殊应用的,特别是军用电源的氢气。

从长远角度,光解水制氢,现在还在研发阶段,效率能够达到2%、3%,从长远角度这个是肯定最后走到光解水制氢,现在很多院士,像我们说的李蔡院士、南京大学的周志刚院士都在攻这个课题。

加氢站,国家规定大于200公斤的加氢站建成以后补助400万,原来说是要1400万建的,我现在了解下来是1000多万,国家补助400万,自己拿600万左右。但是这个我希望能够通过引进和创新关键设备应该把这个价格往下降。加氢站目前全世界有270多个,那是它的分布状况,加州是最好的,美国加州有30个,还准备建30个。30个里面有15个在运行,可以商用加氢。我们国家有8.5个加氢站,有8个真正的加氢站,有1个加氢站,北京有2个、上海2个、广州1个、深圳1个,还有一个移动加氢站。

宇通、新源动力有一个,亲一动力不但有还带有实验,可以光解水制氢、可以太阳能制氢都建过,因为这个是863的项目,所以这个加氢站可以做各种实验。宇通还有一个加氢站,企业自己建的,国家给400万的补助。

所以氢的费用大概是这样,如果我们要采用副产氢或者是气风等电解水制氢,每标方生产氢的费用低于1.5元,我的意思是要用弃风、弃光这个电,现在谈的价钱是给了1毛钱,电费就是1毛钱,要不它白扔,一毛钱嘛,一立方、一标方是5度电,就是5毛钱,那个1块钱是折旧的。那么11.2标方就是1公斤,所以说加上鱼雷车的运费,总费用每公斤在20块钱左右。

我们考虑加氢站的建设的折旧费和运营费,每公斤氢也不会高于30块钱,现在一公斤氢可以跑100公里在小车上,与6、7升的汽油是相当的,按现在的油价就是40到45块钱,所以你低于40块钱就盈利,大于45块钱就持平,50块钱以上就要赔一点。

所以我认为我们在国内进行大规模燃料电池示范运行,氢源是会盈利的,但是首先你要找到副产氢,你别自己用电解水制氢,就是一度电5毛钱,那么生产一标方氢,还2.5元呢,你再设备折旧各种加上就是15块钱,你10标方就是50块钱下来,别的都没有。

所以我们一定要用副产氢,或者是可再生能源的弃风、弃光的电解水,用这样来搞示范运行,这是一个基本原则,你也不要用天然气重整制氢,你要做研究可以,但是我想从盈利角度、从大规模示范角度,我们应该用副产氢。我们那边副产氢在点天灯或者是在做发电,最好用发电,你这边还在用电去做,这个不划算,所以我希望能够把大规模示范搞起来。

这样的话我就提出个建议,一是我们选在大巴车和物流车开始示范,就是商用车。二是选在靠近副产氢和弃风、弃光、弃水的地点进行大规模试点,减少氢的运输距离。三是对三种氢的运输路线,就是说高压氢、固态属氢和闸门化合物属氢优缺点进行考察,找到适合自己的运输方法,因为将来运输费用是很高的。四是通过大规模示范运行与电动车、汽油车从运行成本的角度进行对比,证明氢燃料电池车商业化的可行性,你运行要不赚钱,那就没有可行性。五是对燃料电池车的可靠性、耐久性进行考核,提出改进意见,确保燃料电车的出勤率达到燃油车或者是锂电池车的水平。如果你出勤率就50%你还是赔偿,两辆车才顶一辆车,出勤率一定要大于90%,至少达到锂离子电池车,这件事情在奥运示范和上海世博会示范都没有达到90%以上,晚上有时候还要修的。所关我们一定要提高可靠性和耐久性,来保证燃料电池车在大规模示范当中的出勤率。

谢谢大家

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