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氢燃料电池汽车——汽车动力的革命
2018-5-25
来源:未知
点击数: 1954          作者:未知
  • 新能源汽车是当今汽车技术发展的重要方向之一,而氢燃料电池技术作为新能源汽车技术的重要组成部分,在《中国制造 2025》、《国家创新驱动发展战略纲要》和《能源技术革命创新行动计划(2016-2030 年)》等国家、部委制定的各项发展战略和相关政策中获得了高度重视,氢燃料电池技术是中国汽车低碳化发展的重要方向。

    有专家认为中国氢燃料电池汽车已经开始逐步进入产业化阶段,但是与发达国家相比,中国氢燃料电池汽车技术研发与产业化仍有很漫长的路要走,为此,《汽车技术》杂志、《汽车工艺与材料》杂志和《汽车文摘》杂志主编联合采访了李骏院士,就氢燃料电池汽车技术和产业化相关话题进行了访谈。

    李骏 1989 年毕业于吉林大学汽车学院(前身为吉林工业大学),获内燃机工学博士学位,同年就职于中国第一汽车集团公司长春汽车研究所,2000 年后历任中国一汽技术中心总工程师、技术中心主任、集团公司副总工程师、中国第一汽集团有限公司总工程师。2013 年当选中国工程院院士,2017年 12 月当选中国汽车工程学会理事长。

    期刊主编:李院士您好,很高兴您能接受我们的采访。据报道 2017 年是中国氢燃料电池汽车进入产业化的元年,能否请您谈一下,发展氢燃料电池汽车的重大意义?

    李骏院士:我认为发展燃料电池汽车的战略意义重大。首先,中国对国际社会做出了庄严的承诺,2015 年 12 月中国政府签署了《巴黎协定》,承诺控制 CO2 排放,从而控制温室气体排放和保护环境。

    另一方面中国对进口石油的依赖度已经超过了 70%,这是最新的数据,化石燃料的能源供应模式不可持续。过度消费化石燃料也带来了严重的环境污染问题,包括严重的雾霾,其中的颗粒物、二氧化硫、氮氧化物等污染物严重影响人类健康。从长远的可持续发展的战略角度看,氢燃料电池技术的研发对于中国低碳化、可持续的、清洁能源发展战略意义重大。国内外的研究机构普遍认为全球能源发展迈入了氢能时代,相关研究机构也呼吁发展氢经济和氢能源产业,不仅对汽车工业,对其他氢能源的使用者也会受益匪浅。氢燃料电池汽车的最大优点是零排放、能量转换效率高、续驶里程长、加氢时间短,这是其未来发展的最大优势。

    此外,2015 年国务院发布了《中国制造 2025》规划,其中提出要大力推动重点领域突破发展,继续支持电动汽车、燃料电池汽车发展的战略目标。国务院 2016 年发布了《国家创新驱动发展战略纲要》,在纲要的战略任务中提到,发展引领产业变革的颠覆性技术,不断催生新产业、创造新就业,提出开发氢能、燃料电池等新一代能源技术。国家发改委和国家能源局在《能源技术革命创新行动计划(2016-2030 年)》中,也将氢能与燃料电池技术创新列为重点任务之一,明确把制氢、储氢、加氢站、氢能分布式发电和氢燃料电池作为研发、攻关和创新战略方向,把大规模制氢技术、氢气储运技术、氢燃料电池技术列为行动目标。

    总之,就是要打造利于环境的氢生态、氢能源、氢技术、氢产业和氢军事一系列与氢相联系的氢经济与氢社会。

    期刊主编:国际上氢燃料电池汽车发展现状是什么样?

    李骏院士:国际上氢燃料电池汽车技术的发展比较早。美国能源部早在 2002 年就发布了氢能愿景,规划在 2030 年实现批量成熟技术应用。2014 年日本也发布了《氢能源白皮书》和《氢能/燃料电池战略发展路线图》。2003 年欧盟制定《欧盟氢能路线图》,发布了氢能与氢燃料电池技术发展愿景与规划。

    近年来,由于各国的高度重视,发达国家氢燃料电池技术已经从产品研发与示范运行逐步进入产业化推广阶段。目前国际上具有代表性的产品包括丰田的 Mirai、本田的 Clarity 以及现代的 ix35 等已经实现量产化的典型燃料电池汽车,2017 年销量超过 3000 辆,占当年燃料电池汽车全部销量的几乎一半,其他车企如戴姆勒、大众、宝马等也预计将在近期推出量产的燃料电池车型。

    期刊主编:我们国家与美国、日本和欧洲在氢燃料电池技术研发上有哪些差距?

    李骏院士:经过「十五」、「十一五」和「十二五」的科技攻关,通过产学研联合项目,中国燃料电池汽车技术取得了一定的发展,在燃料电池关键材料,如双极板、膜、催化剂等方面有了基本研发能力,在系统集成、系统控制和氢能基础设施方面也有了一定的进展,特别是在 2008 年北京奥运会、2010 年上海世博会等重大活动上进行了示范展示,获得了一定的经验和公众展示效果。当然中国氢燃料电池技术与发达国家相比仍有很大差距,主要体现在以下几个方面:

    一是在氢燃料电池的双极板、膜电极组件、膜与催化剂等关键材料技术方面仍有一定差距,比如催化剂 Pt 用量,国内普遍水平为 0.6 g/kW,而目前国际实际应用水平可达到 0.25 g/kW。而交换膜在国内仍处于开发阶段,没有进入产业化。在膜电极组件方面,目前国内最大电流密度为 1.5 A/cm^2,而目前国际先进水平接近 2.5A /cm^2。

    二是主要零部件成本居高不下,成为产业化的障碍。如膜电极组件成本约为 2000 元/kW,而国际水平已经达到了 16 美元/kW,大约是 100 元人民币。

    三是整个电堆总成体积功率密度低、成本高,仍需要深度技术创新。国内电池堆体积功率密度约为 2.2 kW/L,而国际水平为 3.0 kW/L 或更高。因为核心零部件(膜、催化剂等)还主要依赖进口,目前国内燃料电池电堆成本约为 3000 元/kW,而国际单台套成本已低于 1000 元/kW,按几十万台套规模批量计算的话约可以达到 22 美元/kW。

    期刊主编:在材料和制造技术方面我们有哪些创新的空间?

    李骏院士:刚才谈到燃料电池核心零部件,其中也应该包括关键制造技术与材料技术方面的创新,当然我们这方面与发达国家也存在很大差距,这也是燃料电池产业化面临的障碍,国内各大主机厂也在开始这方面的研究。

    发达国家这方面的做法值得我们学习,如 2017 年美国能源部就膜电极组件、金属双极板、催化剂、膜和气体扩散层技术以及低成本储氢罐等关键零部件制造技术,组织大学、研究机构和主机厂进行了燃料电池技术经济分析项目,对上述核心零部件在制造潜力和创新力方面进行评估,对核心零部件进行了制造工艺流程分析和操作分析,如双极板的冲压成型、激光焊接和涂层工艺技术分析,其中成本分析中双极板 1 万台套可以做到每套 2.25 美元,10 万台套的成本已经可以降到 1.9 美元,降幅达到了 18%。

    技术经济分析还包括如核心零部件对未来投资需求分析,对创造就业岗位的分析,对于国家氢能经济发展的促进作用等。美国能源部对于燃料电池核心零部件的竞争力也做了分析,预计在双极板、膜和压力容器处于世界领先地位。

    期刊主编:氢燃料电池汽车也是一个庞大的系统工程,也涉及到共性技术,我们在行业上如何解决这些共性技术问题?产学研如何更好紧密结合?

    李骏院士:首先由中国汽车工程学会发起,成立了国际氢能燃料电池协会,目前主要发起人有:联合国开发计划署、丰田汽车、戴姆勒投资公司、本田汽车、加拿大巴拉德动力系统公司、上海汽车、中国一汽、美国阿贡国家实验室等公司和研究机构。通过合作创新、信息共享,开展燃料电池汽车和氢基础设施示范推广活动;研究探讨燃料电池汽车的商业化模式;完善相关激励政策体系和标准法规建设;通过国际信息交流平台和媒体宣传等方式,开展科普宣传和知识普及等活动,促进全球燃料电池汽车的技术进步和商业化推广。

    第二,国家科技部等部委积极推进燃料电池核心技术科技攻关,成立了多个项目,由企业牵头,联合主要供应商、研究所和大学共同就共性问题进行科技攻关,解决科学和工程技术问题,如 2017 年由一汽牵头的高比功率燃料电池发动机项目研发,组织了包括东风汽车、同济大学、上海电驱动、大连化学物理研究所等国内从事燃料电池研发与生产的企业、高校、科研院所及零部件公司共同参与,打造燃料电池发动机产品平台。通过这样的合作项目,使我国的燃料电池汽车技术达到国内领先、国际先进水平,并可在行业内推广应用。

    第三,通过这样的大项目会派生出很多小项目,如双极板、催化剂、气体扩散层技术和储氢罐等核心零部件的技术攻关,包括制造技术与质量保障方面等产业化发展的技术瓶颈攻关。

    第四,「十三五」交通领域科技创新专项规划中提出深入开展燃料电池汽车核心专项技术研发,推进加氢基础设施和示范考核技术发展,制定车用 70 MPa 氢瓶四型瓶标准,进行燃料电池及燃料电池发动机创新,建立测试评价平台,提出发展无人机燃料电池、氢燃料,提出突破燃料电池汽车重点专项技术。

    期刊主编:氢燃料电池汽车产业政策方面有哪些可以促进行业发展的举措?

    李骏院士:2016 年 12 月国务院颁布了「十三五」国家战略性新兴产业发展规划,从国家层面上设立总体目标,提出推进氢燃料电池汽车产业化,规划到 2030 年,氢燃料电池汽车达到 100 万辆级。为实现上述目标必须开展氢燃料电池新技术研发,特别是要加强跨学科、跨领域的基础材料与过程机理研究,系统推进氢燃料电池汽车研发与产业化。到 2020 年,实现氢燃料电池汽车批量生产和规模化示范应用。

    为实现上述发展目标,国家各部委相继提出了各项政策,推动氢燃料电池技术的发展和产业化进程。如 2018 年 2 月,财政部、工信部、科技部联合发展改革委制定了补贴标准,氢燃料电池乘用车最高补贴 20 万元/辆,氢燃料电池轻型客车、货车定额补贴上限 30 万元/辆,大中型客车、中重型货车定额补贴上限 50 万元/辆。

    此外交通运输部对氢燃料电池汽车免征车辆购置税,财政部、国家税务总局也提出对氢燃料电池免征消费税。总之,国家的政策倾斜会大力促进氢燃料电池汽车研发和产业化进程。

    期刊主编:氢燃料电池汽车被认为是汽车能源动力的革命,您认为这会给汽车产业带来什么样的变化?

    李骏院士:氢燃料被认为是未来可能代替传统内燃机动力的替代能源,由于它具有无与伦比的竞争优势,发展燃料电池技术是中国能源多元化的重要选项之一。从产业的源头制氢、运输、储存、分销、加氢站建设,到核心零部件研发与产业化,需要很多工作,与传统汽车产业链比有很大的不同,当然这是个渐进的过程。应从国家层面统筹规划氢气制取、运输、存储、分销和使用。在加氢站建设方面也与传统的加油站不同,这方面应该对标欧洲,从上而下制定全国加氢站规划路线图。

    在氢燃料电池汽车产品与制造技术创新方面,也应加强共性技术研发、培养创新主体。由于氢燃料电池技术的复杂性和产业链长的特点,需要政府和行业学会牵头研发机构、大学、整车企业和零部件公司共同合作。

    氢燃料电池汽车的另一个影响就是移动的「发电机」,即氢燃料电池汽车也可以作为发电机,通过回输电能调节大电网波谷,因为电动车约有 90% 的时间处于非行驶状态,将燃料电池汽车接入智能电网,这对未来的电网也会有重大影响。

    期刊主编:为更好发展氢燃料汽车产业,在人才规划和培养方面,我们应该如何做?

    李骏院士:可以通过国家科技部燃料电池联合项目、氢燃料电池协会等,建立氢燃料电池发动机开发体系,形成氢燃料电池技术标准、开发流程,培养燃料电池人才队伍,促进我国氢燃料电池汽车的快速发展。

    我们叫「四出」,即出技术、出体系、出能力、出人才。我们刚才谈到氢燃料电池技术开发与传统的内燃机技术开发又不同,需要跨学科,需要不同领域的技术专业人才,通过前瞻科研项目来培养我们的领军人才。

    编辑整理:厚势分析师伊龙马

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