侯中军博士谈关于燃料电池汽车相关问题

　　最近不少由国外回来的朋友告诉我，燃料电池汽车有许多新进展，需要引起我们的关注。前不久遇到大连新源动力股份有限公司暨燃料电池国家工程研究中心的侯中军博士，与他交谈受益匪浅，更觉得有必要将国内外有关进展情况与他的观点向大家做一个介绍，对我们研究与制定有关燃料电池汽车发展战略与政策有参考。我整理了几个自认为重要的问题，请侯博士做个书面回答，现在发表在这里，与大家一起讨论。 1，有人说，国内外政府和产业界对燃料电池汽车实现产业化的预期有所下降。情况是这样吗？ 侯中军答：在大约十年前，由美国政府推动，带动世界多国推出了燃料电池在汽车领域的产业化规划，进而推动了各大汽车开发商进行燃料电池汽车产业化的工作。客观上讲，当时的规划轻视了诸多技术、产品和市场转化过程中的关键问题，对技术进展、基础设施、市场培育过程等问题估计比较乐观，当这些问题遇到障碍时，客观上影响到政府及产业界对燃料电池汽车产业化的预期。比如，美国政府近两年就削减了燃料电池技术在汽车领域的研发项目资助，而保留了燃料电池在固定式发电领域及商用叉车项目资助。 另一方面，汽车动力的电气化革命是一个复杂的系统工程，既涉及到技术本身的发展水平，也涉及到电动汽车（纯电动汽车、燃料电池电动汽车）基础设施（电池的充电站、燃料电池的加氢站），同时还涉及到市场导入到成熟的推动及用户消费习惯的改变等，任何技术的最终产业化应用都不可能几年内一蹴而就。通过十年来燃料电池汽车产业化的推进过程，以及近两年来热火朝天的纯电动汽车汽车化工作的经验，政府及产业界目前越来越理智的看待新能源汽车，包括燃料电池汽车的产业化进程。技术和产业界目前已基本达成共识，即燃料电池汽车在远程、重载等领域仍具有良好的应用前景，应持续投入开发下去。比如，德国政府仍大力支持戴姆勒公司、日本政府支持丰田、本田、日产等公司，在燃料电池汽车技术研发及加氢设施建设等方面继续推进产业化进程。 我国的情况是国家通过科技部863项目持续支持燃料电池汽车的技术研发工作，“十二五”期间为保持我国电动汽车技术制高点，继续保持了对燃料电池汽车的支持力度。从产业界来看，即使在“十五、十一五”燃料电池汽车全球产业化热潮期间，我国汽车工业界并没有在燃料电池汽车方面有过多投入，反而进入“十二五”后，在燃料电池汽车产业化趋于理性化的大背景下，上汽集团制定了燃料电池汽车发展的五年规划，以新源动力为燃料电池技术产品供应商，开始投入大量资金研发燃料电池汽车，这也势必大大推动我国燃料电池汽车技术、产品的快速发展，向产业化目标坚实推进。 综上，个人认为目前政府及产业界对燃料电池汽车产业化的预期不能讲有所降低，而是趋于理性化，这实际上更有利于燃料电池汽车技术的发展过程，有利于逐步解决燃料电池汽车市场化应用所需面临的各种技术和经济问题。 2，能不能介绍一下国际上燃料电池汽车产业化的计划与进展情况？ 侯中军答：截至目前燃料电池汽车技术发展大致经历了两个阶段，大约1990年~2005年期间，各大汽车公司逐步关注并分别进行了第一轮燃料电池汽车（FCV）的开发，比如戴姆勒、福特、丰田、本田等公司分别基于加拿大Ballard公司燃料电池电堆开发第一代FCV，通过各种燃料电池汽车示范项目验证了第一代技术，主要特征是燃料电池功率密度可以满足汽车动力要求，寿命在2000~3000小时范围，同时成本比较高；2005年以后，燃料电池汽车技术进入到第二个发展阶段，经过第一轮的开发应用，各大公司纷纷开发出自己的燃料电池电堆技术，并且大幅提高了功率密度，而设计寿命也纷纷达到5000小时的产业化目标要求，并且燃料电池汽车成本大幅下降。 德国戴姆勒公司目前开发燃料电池B级车,主要性能已经达到传统内燃机汽车水平，该车计划2014年量产，2017年实现成本的进一步下降。 日本丰田公司所开发燃料电池SUV车性能也已经达到传统内燃机汽车水平，该车计划2015年达到5万美元/辆，并进入到市场导入阶段。 日本本田公司的FCX clarity轿车和美国通用公司的Equinox SUV也都达到传统内燃机汽车水平，成本较大幅下降，都在积极进行市场应用推动，与戴姆勒、丰田的市场计划相似。 3，与纯电动汽车比较，燃料电池汽车有什么竞争优势？如果蓄电池技术进一步得到提高，人们可以安全地使用比能量高于150Wh/kg，甚至200Wh/kg的电池时，发展燃料电池汽车还有必要吗？ 侯中军答：纯电动汽车与燃料电池汽车主要差别在于作为主动力的化学电源不同，以锂离子电池为代表的蓄电池与氢燃料电池的技术差异也导致纯电动汽车与燃料电池电动汽车的若干不同，这个问题重点针对能量密度进行讨论。 蓄电池的能量直接存储在电极材料中，通过充电过程将电能转化化学能，放电过程又将化学能转化为电能，充放电为电化学反应循环；而氢燃料电池的能量物质为氢气，存储在电池外部的储罐中，电极只进行起到催化电化学反应作用，并不储能，而充放氢过程是物理过程。 因此氢燃料电池电源的能量密度取决于储罐储氢量，从这个角度氢燃料电池电源更容易通过提高储罐氢容量而提高整个电源系统能量密度。实际发展情况是，目前国际上燃料电池汽车大都采用70MPa氢罐，储氢能力可达到6%wt，储氢系统基本在100kg左右，即车载储氢为6kg左右（假设有效放氢量为5kg），又每克氢可释放26.8Ah电量，燃料电池以0.7V典型工作电压计，每克氢可释放约19Wh电能，则目前车载储氢系统可发电量约为5kg*19wh/g=95kWh，储氢系统加燃料电池系统共约300kg，则燃料电池电源系统总能量密度约为316Wh/kg；而目前车用锂电池系统能量密度基本低于100wh/kg。因此燃料电池电源系统能量密度高于锂电池电源，这在整车性能上意味着燃料电池汽车具有更长的续驶里程，目前实际发展现状也是如此，各大公司燃料电池B级轿车续驶里程基本达到500km以上，基于锂电池的纯电动轿车续驶里程基本低于200km。基于上述分析，即使150~200wh/kg高能量蓄电池开发成功后，燃料电池系统能量密度仍占据优势。 另一方面，由于锂离子电池充电通过电化学反应进行，伴随发生的能量转化消耗更多热量（即电能转化为电池化学能存储时，同时放出较多的热量），而燃料电池电源系统氢气填充是气体压缩过程，放出的热量较小。因此锂电池充电过程必须以较慢的速度进行，否则过多的热量会带来电池安全性问题，通常理想的充电时间要几个小时，而燃料电池系统充氢过程则可以在几分钟内完成，而能量加注时间直接影响到汽车实际应用的便捷性。从这个角度看，即使锂离子电池能量密度大幅提高，如果充放电速度问题无法解决，则在能量加注时间方面燃料电池电源仍具有优势。 当然，上述讨论并非强调燃料电池系统与锂离子电池系统的优劣，只是通过目前在能量密度方面的对比，分析燃料电池电池车用领域的特点。锂离子电池由于直接存储与输出电能，能量载体为电，所以使用过程中与电网的结合较容易，而燃料电池能量载体为氢气，基础设施建设难度更大。总之，燃料电池电源系统与锂离子电源系统技术上各有特点，应用中有适合各自特点的市场空间，各有其发展空间。 4，不言而喻，燃料电池汽车最主要的核心技术是燃料电池技术，经过十五、十一五两个五年计划的努力，我也亲眼目睹我国车用燃料电池技术的进步。但是，我知道至少有两个瓶颈问题：寿命与成本距汽车产业化的要求甚远。您们的看法如何？目前有什么进展吗？ 侯中军答：燃料电池汽车产业化是一个循序渐进的过程，很难确定何种状态算是达到产业化要求，目前通常参考美国能源部颁布的三方面指标，即：燃料电池电堆性能2kW/L、寿命5000小时和成本低于30$/kW。如果达到上述指标燃料电池汽车可以满足实际应用要求，从而实现产业化进程。下面分别说一下寿命和成本的情况。 关于寿命： 正如第二个问题中所述，燃料电池汽车第一阶段示范应用期间，燃料电池寿命大体在2000多小时。由于汽车运行过程中，负载动态特性强烈，而燃料电池汽车多采用纯燃料电池动力，对燃料电池的功率响应要求高于燃料电池反应物质（氢、氧）的供应能力，这种情况下燃料电池材料加速衰减，影响到电池的寿命。之后各大汽车公司纷纷将整车动力设计为燃料电池与蓄电池的电电混合动力系统，以燃料电池为主动力，这样通过蓄电池辅助降低了对燃料电池的动态特性要求，同时对燃料电池和系统进行了必要的改进和优化，基于这些改进已经可以实现燃料电池5000的运行寿命。美国UTC Power开发的燃料电池系统在大巴车上实现了近10000小时的运行寿命；欧洲“Cute二期示范”项目中，燃料电池实际运行寿命大于4000小时寿命；GM、Toyota、Honda公司燃料电池轿车设计寿命都到达5000小时，目前在进行实际道路运行验证；戴姆勒公司的三辆燃料电池B级车更是通过全球环游的方式证明其在各方面达到了应用要求。而随着燃料电池汽车的不断应用优化及燃料电池材料技术的快速发展，车用燃料电池耐久性技术进步提高将更为显著。因此燃料电池寿命问题目前已不是制约燃料电池汽车产业化的主要问题。我国燃料电池汽车开发进程应继续加强研发和应用验证，通过系统的优化和工程化水平的提高，尽快缩小与国外先进水平的差距。 关于成本： 不可否认，目前的燃料电池汽车成本仍比较高，是燃料电池汽车产业化需要面临的两个主要问题之一（另一个是氢气基础设施问题）。 如果以年产50万辆规模计，根据美国能源部报告， 2008年燃料电池系统成本约为55$/kW，根据国际氢能与燃料电池伙伴组织（International Partnership for Hydrogen and Fuel Cell in the Economy）报告，2008年燃料电池系统成本为美国73$/kW、中国130$/kW、韩国66$/kW；日本丰田汽车公司的燃料电池SUV车2010年成本削减至1000万日元（约13万美元），并宣称2015年达到5万美元。 如何看待燃料电池成本高的问题呢？一方面，大家都清楚的通过量产可以将成本大大降低；另一方面，燃料电池中Pt催化剂是成本的重要组成部分，而Pt的成本是无法通过量产来降低的，因此降低Pt用量是燃料电池汽车降低成本的关键。目前Pt用量国际较先进的水平是0.8~1.0gPt/kW，比如GM目前的Equanox燃料电池车采用100kw电堆，用Pt量为80g，下一步计划降至0.3gPt/kW，即每辆车降至30gPt。而目前传统内燃机汽车尾气净化器中Pt或P档等贵金属用量在每辆车3~5g，如果进一步将催化剂降低至0.03g/kW，则每辆燃料电池汽车Pt用量可降至3g，则与传统车贵金属用量相当，从而解决成本问题。这一目标的实现必须通过燃料电池电催化剂技术进步实现，目前研究人员正在研究新型结构的低Pt用量催化剂，以实现这个目标。 新技术或新产品的产业化进程并不是以技术完全成熟为起点的，也就是说燃料电池汽车不一定在成本降到与传统车相当时才有产业化的可能。当燃料电池汽车解决可靠性、耐久性等问题（2015年前）就可能进入市场导入期，市场份额由少到多，此时成本可能相对较高，比如比传统车贵一到两倍，通过技术进步、量产、产业链逐步形成等方式，燃料电池成本逐步降低到传统车水平。