清华张剑波:汽车电动化进展中燃料电池汽车的挑战与机会

发布时间: 2017-11-21 作者:汽车氪整理

随着续时里程的增强,燃料电池系统的复杂性变化不大,但是锂离子电池的系统复杂性变化加大,需要大型长途的整个系统的提升和成本提高。所以两种车型是有各自的优势

清华大学汽车系张建波教授主要从事燃料电池、车用锂电池等新能源汽车关键技术的基础研究,曾在日产创建了用高紧密仪器进行催化剂研究的电化学实验室,在中国国际氢能及燃料电池技术应用云谈上,就汽车电动化现在的进程状况,及燃料电池汽车面临的挑战做出了分享:

2010年当时我还在日产汽车公司参与日产凌风这款车的开发,当时日产雷诺就提出了一个零排放汽车的战略,以求跟丰田、本田有所区别。他们的基本思路就是将来二氧化碳的排放必须要降低到燃油汽车的10%以内,按传统汽车左边这个图,虽然还有一定的空间,但是绝对也达不到10%的这目标,必须得配合零排放的汽车,燃料电池和锂离子电池。最早的时候燃料电池是更加优先,但是到2009年因为全世界范围的金融危机,让日产两面作战这种战略无法继续推行,因为每年都要花100亿日元,在单个车种上,如果两个就是200亿美元,一个公司很难承受,所以后来就选择锂离子电池汽车作为率先突破,1967年以来销售,到2015年售出21万台,到今年2月份的数据,日产雷诺销售了42万台。

2015年开始,欧洲出现禁售内燃机的时间表,先是德国,这是内燃机发明汽车的国家,也是他们的重要支柱产业,也是世界上重要的汽车销售市场,议会就通过决议,当然还没有法律效应,到2030年禁售内燃机,在此之前挪威、荷兰更加激进,2025年禁售,中国也是最近说要讨论禁售时间表。今年7月份,沃尔沃声明作为第一个高端品牌脱离内燃机,到2019年就不再销售纯内燃机,混合动力还可以做,纯电动是它重要发展的方向。所以这是第一个厂家明确声明要脱离纯内燃机。

这么多年来,为什么现在欧洲出现这种动向,背后是新能源汽车销售的时机成果,从2010年开始销售,到2016年这是累计销售量的统计:第一个100万辆销售是在2014年,用了5年时间。第二个100万辆用了两年时间,销售量在迅速的攀升。到这个时候人们已经不再质疑IEV2012年重新更新的路线图或者说是对未来的预测,到2020年将会有一个比较重要的转折,传统的内燃机销售量就要稳定的下降,新能源要迅速的上升。

中国在电动化的历程中,应该说表现的非常抢眼,从规划上我们就比较早,《2012年到2020年长期的产业规划》就提出了非常重要的发展目标。刚提出的时候大家心里也都没有信心,到2015年50万辆到底怎么实现,没有多大的信心,但是到2015年就实现了,当然中间会有一些鱼龙混杂,但是目标实现了。现在到2020年实现500万辆,大家已经没有太多的疑问。到2015年中国电动汽车的销售占据整个汽车销售的超过1%,这是一个重要的里程碑。再一个可喜的是2016年中国在电动汽车的销售量占据世界的一半,自然就是第一了。中国的表现非常抢眼。

燃料电池汽车兼具内燃机和电动汽车的优点。比如说续时里程长,很迅速的可以再充氢,另外在不同成型的大小有广泛的适用性,再一个对天气不敏感,全天候的运动员。同时也是有电池电动汽车的优点零排放,瞬间就可以得到大的功率,行驶非常安静,能源来源非常广泛,可以不依赖于国外的适用。这是主流汽车公司的共同的一种认知,往往把燃料电池作为终极的环境友好车辆,不改变用户目前的习惯,而且有很多节能减排的好处,所以把它作为终极的地位来看待。

比如说在2009年,整个行业都一片肃杀的时候,七大汽车公司就发出一个联合声明,当时世界各地包括政府和民间都更加看好的是电池电动汽车,包括美国的再生法案,也把很多的资金投到电池产业,希望重新振兴美国的制造业,从电池着手。但是在当时的背景下,七大汽车公司联合起来又鼓吹呼吁燃料电池,说2015年要实现小批量的销售,什么样的程度?10万辆。后面陆续电动汽车不断地普及提高,但是各个汽车公司还是不断发出一些消息,也就是三大汽车联盟,刚才七大是联合发出声明,现在纷纷组成联盟,也发出一些什么时候推出车辆的计划,希望公众不要忘记了燃料电池这种车型。

2017年1月在瑞士建立了一个氢能联合会,要进一步把燃料电池往下去推。现在的实际情况怎么样?这是DOE的数据,5月在美国开的一次会上报告,燃料汽车主要市场就是美国和日本,分别也就是1800台和1500台。合起来就3600台左右在整个世界,所以燃料电池的理想很丰满,但是现实有点骨感。

燃料电池汽车面临着什么挑战?我从几个方面:一是技术本身的竞争力有多强,它的竞争技术EV的变化,再有基础设施、商业模式,从几个方面来分析一下面临的挑战。

从技术本身,这也是DOE给出的一张图,六大指标,从DOE的说法,效率65%基本快达到了,功率密度,作为系统来讲功率密度和比功率基本上达到了,低温启动,零下负20度30秒启动也达到了,丰田甚至在负37度的情况下也能达到。

现在剩下两个问题,距离耐久性5000小时,还有一段距离;在成本方面,离目标成本还有相当的距离。而且这两个东西是互为关联的,你多放一点好的材料,多放一些铂金,耐久性自然会提高,但是成本就会上去,要同时满足挑战会更大一点,这是车辆技术上的问题。

另外来自竞争技术,就是电池电动汽车这些年迅猛发展,对燃料电池原来的设想的构成了一些冲击,从第一代电池电动汽车2010年开始到现在,已经要进入第二代,第一代续时里程大概是160公里,第二代到2016年、2017年续时历程都在三四百公里。续时里程原来电池电动汽车的劣势,曾经是燃料电池汽车鼓吹的强势,但是电池电动汽车在迅猛的逼近。锂电2013年是日本的里程表,在美国或者是中国基本上都借鉴。到2020年左右,一公斤250瓦时的锂电电池就要问世了,到2030年一公斤500瓦时的,这些电池装上车以后一次充电500公里,也就在眼前了。所以燃料电池续时里程长的优势再渐渐的被锂电电动汽车所侵蚀。

另外锂电方面依然有很多其他相关的技术,像无线充电在研究,如果无线充电逐渐得到普及,我也不需要装很多电池,到处充电也可以解决里程问题。现在也让人感到不安或者是喜人的消息,超快式充电,原来的快速充电是50千瓦两小时充完80%,特斯拉弄出一个快速充电是120千瓦,现在到了350千瓦,欧洲有四大汽车厂商,要首先推出400台这样的快充电,美国的DOE也有专门的研究计划,超快速充电,这个东西如果是建成的话,那么电池汽车的里程问题就不是什么问题,而燃料电池的里程优势就荡然无存。

从锂电的温度来看,低温下性能不好是一个问题,现在也有一些问题,热管理技术在发展,比如说一个华人科学家王朝洋老师在《Nature》上发表这么一篇文章,在电池里面放上一个镍片,这样20秒钟就可以从零下20度升到零上,这个技术已经被宝马和国内一些电池企业和汽车企业所购买,在冬季希望能够进行示范运行。

从用户习惯来看,燃料电池原来主张的是不改变用户的习惯,充一次加一次氢500公里,不需要经常去充电,没有里程焦虑,但是用户习惯不是可以改变的,你说那共享单车,还有欧洲现在已经比较盛行的Cartogo、Carshare,这个东西慢慢普及以后,原来基于传统汽车产业的商业模式的思维是不是有可能过时,这对燃料电池也是一个挑战。

车辆本身有很多问题,氢源、加氢站可能面临的问题更大,丰田的蔚来这款车从性能上讲没有什么问题了,但是如果买到车不能全国自由的航行,那么用户购买起来就会受到影响。加氢站本身的技术安全性应该没有问题了,在东京塔下面有一个加氢站,旁边就是幼儿园,然后是居民区。加氢站是加油站是放在一起的,所以从技术上应该说没有问题,问题是它的商业模式,就是成本还非常高,维护起来还非常花费零部件或者是人力,有一种估算,要回收的话大概有几十年、上百年,一个原因就是氢气价格不可定的很高,另外早期用氢量也有限,所以加氢站回收这么慢,大家的积极性也是很受影响的。

DOE关于燃料电池的经费也有所缩减,最下面2016年、2017年单位是1000美元,到今年申请的减半了。其中只有1/3是放在燃料电池,2/3是放在加氢。

还有商业模式上,燃料电池和锂电有很大的不同,进入的门槛,燃料电池要高的多,比如说强电系统,锂离子电池非常清晰,有个锂电池,一个电机、电控就行了,燃料电池的强电系统就复杂的多了。燃料电池上面肯定要带一个锂电同时再加一个燃料电池系统,两套系统都要去进行控制。

再看燃料电池放大以后是右侧的系统,三个流体都要进行管理,这种相互的协调有很多工程实践上的困难,现在电池电动汽车像农村的或者是一些乡镇企业买来电池、买来电机凑或一下都能行驶起来,燃料电池没有几家能够开动,这是一个很大的问题。为什么各个主要汽车公司对燃料电池情有独钟,长期都认为它是终极的环境友好型汽车,跟准入门槛比较高也有关系,如果燃料电池是将来的技术,那么传统的这些汽车公司可以继续独享这种垄断的利润,如果锂离子电池汽车大家都能做,那么垄断性利润就很难保证。再有更大的范围,都从可再生能源开始,有了电充上就能用,燃料电池还要经过很多中间的环节产生氢气、储存氢气、运输氢气、加储氢气等等,这个产业链显得非常的漫长。

燃料电池有没有机会,我们从几个方面来看。王安石有一个《望飞来峰》有这么一句话,不畏浮云遮望眼,只缘身在最高层。要站的高才能看的远,有时候人需要站的高,有时候得往下去找基本不变的东西,就是物理本质,我们看一下电池技术的本质有哪些极限,温度的敏感性,低温下放不出电,充电中间那个图更难,硬充会吸里,有老化、有安全隐患。再往右边就是低温下要使用的话单体一致性会很快地恶化。

锂电池高温下老化会加快,出现局部热点,再来个引发热失控,更有安全上的隐患。所以锂电池到现在是一个适合温带使外的一种车型、寒带、热代都有很大的问题,燃料电池这方面温度、适应性是天然的就有优势。

第二就是新型的电池体系,比如说锂控电池,它的理论值和实际值怎么看,文献中公布的都是一些理论值,一次充电跑一千公里这是什么意思,它把空气测认为是趋值不近,就不算了,就算金属块它的能量,这个当然是可以这么算,实际上空气测反应要生成过氧化锂、超氧化锂,这个东西是要把缝隙给堵塞的。那堵塞以后取之不尽、用之不竭的东西就没法再供给了。所以锂控电池的能量限制来自那个空隙,不来自于你装了多少锂,这是能量方面。

车辆不仅需要能量还需要工艺,那么大一块锂块放在那儿,表面积很小,这样产生的功率就非常小,功率和能量很大程度上是一种不相矛盾的,你要大的能量需要大块的东西,你需要大的功率就需要细小的东西,所以从文献中或者是新闻报道中给人们的预期,一次充电1000公里那是理想状况下慢慢开才有可能,实际上还有很大的距离。

另外任何一个先进材料从实验室出来到小规模示范到产业化要十年时间,不是人们想象的很快就能完成的。锂电出现了一些非理性发展的苗头,这是个人感觉。比如说500公里超长运行,是不是真的广泛需求,可能有个别用户有这种需求,像特斯拉,满足部分用户的需求可以,是不是大家都按这条路去走,尤其是像中国,它的交通体系是点线面的结合,2000公里以上的飞机,1000公里左右的高铁,城市里面的就是普通的车,很适合,为什么要一个燃料电池或者是锂电跑个六七百公里,平时也不怎么用,再一个大的电池来回跑,不是一个很理想的一种做法。

另外大功率350千瓦,个别用户可能有这种需求,是不是普遍有这种需求,为了建这种大功率的电网,是不是要大量的升级?

第四点更本质的,锂电是一个热力学的封闭系统,没有物质的传输跟外围,燃料电池是开放的,刚才讲的三流体、两流体是开放的系统,这里面带来一个本质的区别,就是锂电是电化学能量储存和转换装置。燃料电池是能量转换装置,储存是放在氢气罐,有了这个本质的区别就可以进行功能的区分。把转换跟储存区分开来,我如果需要长的续时历程我氢气罐多加一些就可以了,燃料电池不需要有大的变化,但是锂电池这两个有一定程度可以分开,功率型的、能量型的但是只是小范围的分开,本质上解决不了这个问题。

这是丰田的报告资料,随着续时里程的增强,燃料电池系统的复杂性变化不大,但是锂离子电池的系统复杂性变化加大,需要大型长途的整个系统的提升和成本提高。所以两种车型是有自己各自的优势。这只是在车辆上,大概是50千瓦,100千瓦,24度电、50度电这样的一种级别的情况,如果功率再增加兆瓦,能量再增加兆度等等上去以后,可再生能源的时候,这两种系统的区别就更加清晰。这是可再生能源储能适合的各种技术范围,像锂电是在以天为单位还是比较适合蓝色的,对以周为单位或者是季节层级的变化都是很大功率的,这是氢占优的地位。如果将来可再生能源是人类共同的选择,这种需求越来越明显,这种氢的基础设施必然会建起来,建起来燃料电池是利用氢的最好的方式,燃料电池汽车作为其中的一部分,一定会有它的机会。

燃料电池技术自己也在不断地提高,发电特性从1889年—2006年不断地改进,催化剂、比功率也在提高,原来目标是每克铂金8千瓦,现在已经达到10千瓦,技术也是在迅猛的进步。耐久性这个客车能到2300小时,轿车也是在迅速提升。可选的车辆前三个大家比较熟悉,最近有一个新的成员戴姆勒,日产也在进行尝试SF系,用生物质燃料,主要面向巴西或者是生物质燃料比较丰富的地区。

汽车诞生之初也是多种技术竞争,最后是内燃机占据优势,百年以后应该说面临着新的变局,发明汽车的这家公司戴姆勒奔驰需要重新发明自己,这是他们提出的自动驾驶联网,共享电动化,也需要重新的发明自己。

电动化从轨道已经开始走向车辆,这是一个后续,车辆有三次浪潮,混合动力、纯电动、燃料电池都已经有了市场车型。将来应该是多种并行的机构,中间的燃料电池是黄色中间的,在续时历程和重量相当一部分是需要燃料电池来占据的,这里面中国和丰田的路线有一些不同,丰田的核心技术认为是混合电力,由此派生出上面的纯电动、插电式,下面的燃料电池,中国走了一个不一样的路程,当然经过了前面的摸索,先是十五计划,燃料电池汽车,混合动力汽车是十一五,十二五确定了纯电驱动电池电动汽车。将来在这个基础上再会发展出插电式混合动力,然后是插电式燃料电池汽车,应该是以商用车为主,在此基础上将来往乘用车上过度,混合动力也会有所发展。

问:锂离子电池材料方面的突破和一些局限性有什么见解?

答:大家研究的重点在后锂电,包括日本、美国。要达到充一次电走500公里的应该是后锂电,后锂电包含锂流或者金属空气电池这些方面,刚才也讲到这些是有潜力在储能方面有很大的突破,但是在车用上会有一些问题,功率和能量的兼顾。第二,从一些新的想法、从一个科学到技术到产品,至少要十年时间来考虑。

问:锂电材料对于充电时间的局限性是不是应该考虑到?

答:对于充电本身,锂电是一种嵌入拖出反应,这种反应本质上一个对温度比较敏感,二是有个扩散的速率问题,你的充电桩功率可以做的大一些,但是它接受的能力是有限的。锂电的区别是嵌入拖出体积储能,只要能量要求的高必然体积就大,燃料电池是表面积,表面积可以做的大,只要纳米化,表面积就可以做的大。锂电纳米化以后,整个体积就是零下。这也是两种材料不同的。

问:我们谈到锂电的时候,锂电池现在很多在讲充电、充电桩,还有一派观点讲换电,但是目前这种方式换电可以解决里程问题,您认为在换电这种技术方式主要面临什么问题?有没有可能实现解决这些问题?

答:锂电的充电,本质上是电化学的过程,燃料电池是一种物理的转换,高压区到低压区,所以非常快。那么锂电有没有物理的方式?那就是换电,整个电池换一下这就是物理的方式,可以做到非常快。这种思路在早期曾经得到过尝试,可以代表性的是美国的Better  Flays这样的公司,在以色列曾经进行过一些示范,后期中国也对这个感兴趣,也做了一些尝试。

一是备份,你的备份要多少,本来锂电就是一个很贵的东西,它是为了解决那个快充,引起早期能力特别弱,为了解决这个问题提出来备份的物理,但是成本是一个问题。

二是用户的规格统一,不同的车型、不同的公司电池的规格都不一样。但是对个别企业之内,小量的换电市场还有一定空间。

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