清华李建秋教授：我国燃料电池产业发展的趋势和建议丨厚势汽车

2018 年 5 月 2 日 厚势李建秋

本文转载自：中国电动汽车百人会

清华大学教授李建秋

尊敬的徐冠华部长、干勇院士、吴志新主任，各位专家，上午好！很高兴有这个机会向大家汇报行业发展趋势和建议。

目前各整车企业在燃料电池发动机和燃料电池轿车的开发方面都已经形成了相关的体系，从图中可以看到这些发动机的参数。我们认为目前国际上前四位的丰田、本田、奔驰和现代都已经在这里了。商用车方面稍微有点不一样，我们对比了轿车的发动机和商用车的发动机，可以看到轿车强调的是功率密度，耐久性做到 5000 小时可以满足整车的寿命，但商用车方面的耐久性将会达到 20000 小时，功率密度是比较低的。我们也对全球燃料客车的情况做了对比，客车的发动机基本上除了丰田用的就是 MIRAI 金属双极板发动机，其他几家用的还是石墨双极板。

最近两年国际上在卡车方面也开始了。Nikola-One 提出了燃料电池和封闭驱动的重卡牵引车的概念，也推动了国际上燃料电池卡车的研发。日本日野卡车用的是 MIRAI 的两套动力系统，丰田也在美国推出了 30 吨八级卡车，巴拉德也在做类似的卡车，还有其它方面的环卫车，可以看到国际上在燃料电池重型车辆方面已经开始研发了。

去年通用汽车推出了 SURUS 军用无人驾驶燃料电池车辆通用底盘平台的概念，我们认为这个概念也是非常好的。可以看到这种车是没有驾驶室和方向盘的，燃料电池、发动机和氢系统都在底盘的下面，是无人控制的。这样的通用无人平台既可以作为普通货物的运输车，也可以将来在战场上用来救护，所以用途是很广泛的。

我们对国际上的这些车辆本身的性能进行了对比，有的数据不一定完全准确，因为我们是通过各种渠道收集来的。我们想给大家一个最深的印象：特斯拉是纯电动的，2 吨的车跑 400 公里；现在燃料电池车可以控制在 1.8 吨，能跑 600 ~ 700 公里。日产车的数据是五年前的，五年前就停止了燃料电池车的开发没有跟进，后面的都是最近五年新开发的车。不进则退，最近五年燃料电池车的技术是一年比一年进步。2014 年底丰田推出了 MIRAI，2016 年推出 Quality，到现在现代推出 NEXO 车，驾驶的感觉是一辆比一辆好，这是我们总的印象。

这样的发展情况下，我们也对全球燃料电池的发展趋势有了一个根本的判断。这种判断更多的是给投资人讲的。今天参会的很多人对这个行业还不是很了解，所以我们想在这里和大家做一点宣传。氢燃料电池大家都不太熟悉，还是需要多宣传。如果到 2020 年，按照 20 万台/年的产量，燃料电池系统的成本大概是 7000 美元，大数就是 4 万元人民币，满足欧 VI 排放的传统发动机也就是这个价格。除了燃料电池还有储氢、电池、变速箱和驱动系统，加起来动力系统是 1.5 万美元，加上 1 万美元的附件和其它成本，整车大概是 2.6 万美元，也就是 15 ~ 20 万元人民币。传统内燃机 B 级车的价格，如果让你买一个 3 分钟加满氢气就可以跑 500 公里，天南海北零下几十度启动也没有问题的车，你愿不愿意买呢？我想老百姓还是愿意买的，这就是将来的发展趋势。

现在铂的载量还在进一步下降。目前关键材料领域是 1 千瓦不到 0.1 克铂，也就是 100 千瓦的发动机大概不到 10 克的铂。全球已经投产的发动机当中，做得最好的是本田的 Quality 发动机，12.5 克铂的载量，丰田和奔驰的发动机是 20 克铂。现在国内做传统内燃机排放后处理的企业，它们铂的用量，如果要做到欧 VI 的排放也要几十克铂。这两个已经拉平了，这样的形势之下燃料电池贵金属的用量和成本不再是问题。

基于这样的国际形势，结合张进华秘书长做的技术路线时候我们判断下一步的重点是怎样把产量提升上去，要通过上量做好降低成本。耐久性方面也要有突破，我们预计客车到 2020 年大概会有 5000 ~ 10000 辆商用车，这是 2014 年做的判断，三年以后的 2018 年我们还是维持这个判断。2017 年我们统计了全国燃料电池商用车接近 1000 辆，就是几家合起来，包括大化所和亿华通的，未来几年还是会继续发展。通过前面 1000 辆左右的量，产业链整合以后，各个环节的成本下降很快。

关于耐久性也有一个材料领域发展的技术路线图。首先是把膜本身的稳态寿命提高到 3 万小时，同时针对车用工况，包括停机、温度循环、电堆不一致以及膜的机械耐久性，现在可以做到 5000 ~ 6000 小时。下一步到 2020 年的目标是做到 1 万小时，其中主要的工作是在机械膜的破裂、电堆的不一致性和温度的不循环方面开展。

我们努力的方向是到 2025 年达到 2 ~ 2.5 万小时的实际工况寿命。现在预计是可行的，因为对 2020 年 1 万小时的耐久性基本上已经有解决的方案。下一步是到 2025 年的 2.5 万小时。2.5 万小时是什么概念？就是公交车每天 17 个小时可以跑 8 年，和整车同寿命，耐久性也不是问题，所以从现在到 2025 年主要的工作就是降低成本、保证寿命。

我们可以参考一下日本，日本最近发布了燃料技术发展路线图，里程基本上就是 800 ~ 1000 公里。让我感到比较惊讶的是，日本在金属板的轿车电堆功率密度已经做到了 3 千瓦/升，认为将来可以做到 9 千瓦/升，也就是说燃料电池在材料和工作过程领域还有很大的潜力。且不说怎样达到 9 千瓦/升，我们还没有看到详细的报道，至少日本的同行已经把这个目标提出来了。

现在我们大负荷发电的时候，一般燃料电池曲线是小负荷的时候电压高，大负荷的时候电压低，额定功率时是 0.5 ~ 0.6 伏之间，效率在 0.6 伏时不到 50%。日本提出通过催化剂和材料的改进，将来在额定的发电电压可以提到 0.85 伏，这是很有挑战的一项工作。我们知道现在怠速电压是 0.9 ~ 1 伏左右，如果从 0.9 ~ 1 伏要拉到大电流的话，大电流会有压降和扩散的各种极化下降，但是到 2040 年下降的幅度很小，大概是 0.85 伏，要在催化剂和材料技术领域做很多的工作才能做到。图中这里的万指的是日元，可以看到也是比较低的。我认为日本在燃料电池方面还是引领全球发展的，2018 年到 2040 年燃料电池还有很大的增长空间。

下面讲一讲我们国家燃料电池的体系能力建设。以前我们只是讲研发比较多，因为以前大企业跟进得少，一般讲体系的话都是针对大企业来讲的，学校或者小的研发企业很难健全这个体系。最近一两年我们一汽、上汽和长安这些整车企业，包括重汽和潍柴这些国内主流的行业已经开始动了，这让我们感到特别欣慰。在这样的形势下，2017 年已经有接近 1000 辆的产量，我们行业面临的是怎样进行体系化的建设。我们也想请相关的领导和专家在这些方面开展体系化的建设工作，大概是六个方面：

首先是机理分析和过程优化体系，主要是在基础领域，尤其是在材料和传热传质领域。日本的 MIRAI 我们已经看到了，现在我们还没有做到 3 千瓦/升，金属双极板大概是 2 千瓦/升，石墨双极板大概是 1 千瓦/升，将来在材料工作过程当中还是有很多工作可以做的。

其它的是电堆设计和集成制造领域、部件配套和测试评价、整车应用与售后保障、氢能供给和安全运维。李所长讲得非常好，氢的安全运维体系是不可或缺的一环，我认为氢能源方面作为可再生能源的储能系统，我们的认识是相同的。

最后一个体系是行业缺人缺得厉害。现在行业当中相互之间挖人，存量就这么多，要挖的话就是涨工资了，但是这点人是撑不起这个行业的，所以我们在两年前向北京市科委建议，必须在北京的大学当中有做催化剂材料的立项，通过科委的支持给大学老师几百万的项目，让这些老师能够把学生带出来。去年、前年和今年科委都陆续立了一批项目，就是专门支持高校做机理分析和电堆设计。课题不大，也不可能做到产业化，但主要的目标是让这些高校为行业培养人。现在燃料电池行业太缺人了，所以我们把动力电池和燃料电池结合在一起，起的名字叫做电化学动力人才培养体系。以前汽车系培养的人主要是以发动机、变速箱、传动、底盘这样的人为主，但是现在我们搞动力的需要增加电化学这一块的能力，具体包括催化剂载体、膜和膜电极。

武汉理工大学的潘牧老师是第三方的，我们在这方面也是有基础的。分区诊断和检测方面，过程优化非常重要的第一步是模拟计算，就是传热传导行不行。我认为最关键的是怎么评价仿真和模拟计算，一定要能够测到不同地方物质的组分。过去我们花了很大的精力来做检测平台，现在可以做到内燃机用高压传感器看到里面压力的曲线一样，我们可以看到电堆流到不同的地方，加了传感器以后能够看到那个地方的气体组分和温度。

电堆集成方面也有很多制造方面的问题。怎么提高金属双极板和石墨双极板的制造效率，还有相应发动机的外围配套。现在我们国家外围的配套还很不健全，这既是挑战也是机遇。我们做了空压机的调研，以空压机为例子，国内外有蜗杆式空压机，还有罗茨式空压机，这是丰田的 MIRAI 自己做的，但现在更多用的是高速离心式空压机，就是 8 ~ 12 万转，然后用空气轴承，电机和压气机直接一体化系统。这方面对我们国家现在还是一个挑战，高速机和离心压气机也有人做，但是三个轴承连在一起的还是没有人做，国际上是有人做的。

动力系统、售后服务和整车方面都不详细说了，包括运维体系等等。

最后我想强调的是，电化学动力学的人才培养体系既涉及到传统内燃机的流动和传热学科，也涉及到动力电池的电化学和材料学科，还涉及到 DC/DC 变换器，就是电力电子电传动学科。现在我们是在很认真地考虑清华汽车系动力方向的人才培养怎样在传统的燃烧、传热、传质的基础上把电化学、电力电子的课程纳入进来。我们已经在课程和人才培养方面做了实质性的改革，这些就是今天我向大家汇报的。

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