简析中国的燃料电池汽车产业:另一个时代

今年出台的《中国制造2025》规划纲要,国家明确提出将新能源汽车作为重点发展领域,未来国家将继续支持电动汽车、燃料电池汽车的发展。其中,燃料电池汽车的战略目标包括三个阶段,第一是在关键材料零部件方面逐步实现国产化;第二是燃料电池和电堆整车性能逐步提升;第三方面是要实现燃料电池汽车的运行规模进一步扩大,达到1000辆的运行规模。到2025年,制氢、加氢等配套基础设施基本完善,燃料电池汽车实现区域小规模运行。

燃料电池汽车也是电动汽车,可以在五分钟内给电池灌满燃料,而不是等上几个小时来充满电,这就是燃料电池汽车相比纯电动汽车的最大优势。在目前纯电动汽车遭遇充电慢、充电桩安放难、续航里程短等诸多问题的情况下,燃料电池汽车也被很多人看成另外一种替代传统汽车的可能。只不过“电池”是氢氧混合燃料电池,和普通化学电池相比,燃料电池可以补充燃料,通常是补充氢气。

作为汽车大国,中国发展燃料电池汽车,无疑具备相当优势。那么,中国的燃料电池汽车的研发情况如何?有哪些因素制约其产业化、商业化之路呢?

世界性潮流势不可挡

燃料电池汽车(fuel-cellvehicle,FCV)是一种用车载燃料电池装置产生的电力作为动力的汽车。与通常的电动汽车比较,其动力方面的不同在于FCV用的电力来自车载燃料电池装置,电动汽车所用的电力来自由电网充电的蓄电池。因此,FCV的关键是燃料电池。燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池,电就被奇妙地生产出来。

清华大学汽车工程系裴普成教授坦言,燃料电池汽车是电动汽车的一种,燃料电池汽车的续驶里程是其他电动汽车所不能相比的,燃料电池功率密度明显高于其他电池。

裴普成介绍,燃料电池有其自身的优势:从安全性上看,氢气比汽油还安全。举例来说,为汽油汽车和使用氢气燃料的汽车分别创造燃料泄露和着火条件,3秒时,汽油汽车下方漏油着火,而氢气则是迅速冲高在汽车上方着火。一分半钟,氢气燃料汽车的火已经熄灭,而汽油车火势正旺,最终只剩下车架。由此来看,氢气用做汽车电池燃料更为安全。同时,国内外很多研究机构也都做过氢气燃料电池的碰撞、泡水、跌落实验,都没有出现安全问题。氢气的特点是非常轻,泄漏之后迅速上升,只要有良好通风,就不会发生危险。裴普成教授逗趣地说,其实过去家用煤炉中百分之五六十是氢气。

从加气模式上看,氢气燃料电池也非常方便,只需要几分钟的时间就可以将氢气加满。因此在未来,燃料电池汽车可以像现在汽车加油一样在加气站添加燃料,这一点是普通电动车无法做到的。

“燃料电池用途广泛,既可应用于军事、空间、发电厂领域,也可应用于机动车、移动设备、居民家庭等领域。早期,燃料电池发展焦点集中在军事空间等专业应用以及千瓦级以上分散式发电上。而如今,电动车领域成为燃料电池应用的主要方向,市场已有多种采用燃料电池发电的自动车出现。近20多年来,燃料电池经历了碱性、磷酸、熔融碳酸盐和固体氧化物等几种类型的发展阶段,其研究和应用正以极快的速度在发展。”裴普成说。

由于常规能源的日渐匮乏和排放标准的日益严苛,燃料电池汽车将有效降低对常规能源的依赖,并减少碳排放。目前,发展燃料电池汽车已经成为世界的一大潮流。

商业化前景广阔

随着环境问题和能源问题的日益突出,新能源汽车成为世界各大汽车厂商及研发机构的研究热点,而在其中,燃料电池汽车以其高效率和近零排放的优势被认为具有最广阔的发展前景。

我国对燃料电池汽车的探索从很多年前就开始了。长期从事氢源燃料电池研究的中科院大连化物所,早在上个世纪90年代初期,就开始了对氢源质子交换膜燃料电池的研究。1996年底,这一研究得到国家科技部、中科院、国家自然基金委的经费支持,并在国家“九五”计划中立项。2000年,大连化物所研发出第一台质子交换膜燃料电池发动机,并与中科院电工所、二汽集团合作,组装出了一台燃料电池中巴车,于2001年进行了试运行。

美国、欧盟、日本和韩国都投入了大量资金和人力进行燃料电池车辆的研究,通用、福特、丰田、奔驰等大公司都已经开发出燃料电池车并在公路上运行。

近年来,我国在燃料电池汽车方面的投入进一步加大,北京奥运会、上海世博会期间都有燃料电池轿车和大客车进行了示范运行。燃料电池汽车已然成为世界的宠儿。

中国工程院院士衣宝廉介绍,燃料电池汽车已经走过数个阶段。第一阶段,科研人员攻关解决燃料电池在汽车启动后便很快衰减的问题。第二阶段,科研人员主要解决燃料电池的可靠性、耐久性等问题。“现在,应该说已经进入了第三阶段,主要是进一步降低成本和铂(Pt)的用量,同时加强加氢站的建设,实现燃料电池车的商业化。”

当燃料电池汽车进入市场,我们首先要考虑的是,这种燃料电池汽车的成本如何?和传统汽车相比有何优势呢?

按照美国能源部的估算,如果量产50万辆的燃料电池汽车,每台汽车的燃料电池的成本接近40美元,其价格将会大大降低。如果用户购买燃料电池汽车,按照100公里1公斤氢气来估算,费用约为20元人民币,比传统汽车加油的费用要便宜。

2014年5月,日本经济产业省发布《氢燃料电池车普及促进策略》,将氢燃料、氢燃料电池车相关的国际技术标准引入日本国内,并将其作为国内氢燃料电池车行业标准。这说明在国家层面,日本已经在大力推进燃料电池汽车。

“今年,丰田的未来车已经宣布实现了商业化,现在订货已经超过了1500辆。”衣宝廉指出,从国际上来看,燃料电池车现在正进入一个商业化的诱导期。

产业化必经之路

中国的燃料电池汽车何时能够迎来大规模的产业化?

衣宝廉说,电动汽车的关键能源动力技术包括电池技术、电机技术、控制器技术。这3项技术是电动汽车所特有的技术,也是一直制约电动汽车大规模进入市场的关键因素。

“世界上第一轮燃料电池汽车研发高潮在2000年左右,当时,美国、欧洲和日本的各大汽车生产厂家,都在加紧开发燃料电池技术,企业界尤其是各大汽车生产厂家看到燃料电池巨大的市场潜力,纷纷投入巨资组成联盟,进行燃料电池车的相关研究、试验与生产。各大汽车公司,包括奔驰、通用、丰田等都认为,到2004年燃料电池车将能够批量生产,实现产业化。但显然,燃料电池汽车的发展速度没有当初人们想象的那么乐观。”衣宝廉说。

从产业界来看,在“十五、十一五规划”燃料电池汽车全球产业化热潮期间,中国汽车工业界并没有在燃料电池汽车方面有明显投入,进入“十二五规划”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电堆供应商,开始投入大量资金研发燃料电池汽车。

在国家层面上,我国早已意识到燃料电池汽车的先进性。科技部连续出台了多个五年计划,对电动汽车技术的研发,包括燃料电池汽车以及氢能技术的研发给予了专项经费的支持。“就中国的燃料电池研发技术来说,在前面三个五年科技计划支持下,我们基本上掌握了零部件和平台技术,但是我们在规模化、标准化、一致性方面还不够。”清华大学教授李建秋说。

近年来,我国在燃料电池汽车的产业化道路上走出了重要的几步。

2003年8月7日,一辆安装燃料电池的桑塔纳2000轿车在同济大学校园内奔驰,顺利通过了科技部的验收。这是我国第一辆燃料电池轿车样车“超越一号”。

2004年10月,全部采用“863”项目承担单位自主研发关键零部件的“超越二号”参加了在上海举办的第六届必比登清洁能源汽车挑战赛,以5项优秀成绩征服国外汽车巨头。

2006年6月11日,在法国巴黎举行的第八届必比登清洁能源汽车挑战赛上,“超越三号”取得4个A的好成绩,拔得头筹,这标志着我国燃料电池汽车技术跻身世界前列。

“燃料电池汽车是真正意义上的零排放。此外,它能够有效利用工业废氢。”上汽集团燃料电池整车项目总工程师指出,上汽集团一直贯彻国家能源战略,瞄准汽车驱动电气化趋势,推动燃料电池汽车升级,“2014年,我们开发的荣威750燃料电池汽车参加了整个全国巡游,跑了接近1万公里,经受住了不同路况、气候、海拔的考验。”

李建秋指出,目前,在燃料电池汽车整车技术方面,我们仍然有三大关键技术需要攻克,“第一是纯电驱动技术;第二是整车的结构安全集成技术;第三是车载的氢能源核燃料电池的技术。未来这个行业应当从材料到单体、发动机、整车形成相应的配合关系。”

中国工程院院士陈清泰指出,中国的汽车产业发展到今天,应该有能力支撑前沿技术投入,关键是政府和企业的战略抉择。需要指出的是,替代性技术的成长往往需要较长的过程,目前燃料电池汽车的研发至少已经历了三四十年的时间,但是中国决不能抱机会主义的心态,必须加大关键技术的研发。

“如果我们国家的政策得当,未来5年内整个燃料电池汽车,包括客车和轿车这两类,在电池耐久性、PT用量等方面应该会有明显的突破。”李建秋表示,目前客车已经进入技术示范阶段,2020年前后会进入大量的推广阶段。对于轿车来说,由于现在还需要技术攻关,预计到2020年进入大规模产业化建设,2025年前后进入大规模产业化生产阶段。

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