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程振彪:氢燃料电池汽车真的成本高、不安全吗?

来源:中国汽车新闻网 | 2016-10-24 11:35:17
10月19日,牛一龙发表了《重磅!为什么说燃料电池汽车是新能源汽车最具战略意义的突破口》文章

10月19日,牛一龙发表了《重磅!为什么说燃料电池汽车是新能源汽车最具战略意义的突破口》文章,东风汽车公司原副总工程师、资深汽车情报专家程振彪及新书《燃料电池汽车——新能源汽车最具战略意义的突破口》进行简要说明,经“新浪看点”平台推荐后在行业引起强烈反响:一天多时间阅读量就达到36000多人次,有汽车企业高管留言希望程老讲课的,有希望程老推荐人才的,也有希望当面求教与交流的。

有赞同的,比如氢燃料电池才是最好的绿色能源,燃料电池确实比纯电的可用性更高,更值得推广,废物利用率也更好!

也有质疑的,比如:液态氢大规模制造以及安全性问题,单说电制氢再转化动能的效果肯定不如电池充电放电再带动电机效率高,高性能电池技术突破在即,还有必要去发展这种低效复杂危险的技术吗?加氢站成本大于电站且危险?

对此,程振彪通过“E车汇”表示,感谢大家对他本人、新书尤其是对新能源汽车发展的关注,正是有不少人对世界燃料电池汽车的发展现状和进步不了解,所以他才写书公开传播,看到不同意见更说明本书出版的必要性。

此外经程老提议,我们将为本篇文章评论点赞数最多的前五名读者,每人送出《燃料电池汽车——新能源汽车最具战略意义的突破口》一本,以答谢一直以来支持“E车汇”的朋友。现将本书相关主要观点摘录如下:

新能源汽车的终极解决方案

氢燃料电池(电动)汽车的关键所在和奥妙之处,在于它的动力来源——(氢)燃料电池近乎完美和非常理想的工作原理与机制,其名义上叫电池,而实质上是一种基于电化学原理,将作为“燃料”(此所指燃料已不是传统意义上的燃料,因为它并未“燃烧”,因此,要加引号)的氢和空气中的氧化剂反应生成的化学能转换成电能的发电装置(或者称为“氢气发电机”)。

燃料电池早期主要应用于航天和军事目的,后来,鉴于其巨大的潜在优势和应对日趋严重的交通环境污染,人们又研究将之应用于汽车而作为动力装置。经过数十年,尤其是自20世纪90年代以来,科技人员扎扎实实的埋头探索和反复试验研究,如今,世界上氢燃料电池汽车的技术进步飞快,成果显著,大大超出国内许多人的预想,已经显露出光明的发展前景;在(纯)电动汽车关键技术障碍久攻不破的困扰下,的确给人们带来一种“眼前一亮”的感觉。

在世界汽车工业界多年艰难尝试了多种新能源汽车技术方案之后,依据氢燃料电池汽车表现出来的无以伦比卓越的环保性和很高的能效,再参照对全球正在酝酿兴起的第三次工业革命的预判,学界有人甚至断言,氢燃料电池汽车很可能是世界汽车的最终发展目标和新能源汽车的终极(解决)方案。该项革命性的技术成果对人类未来经济社会将产生的重大影响和广阔的发展前景,已被世界一些具有敏锐眼光的科学家所认识。据称,最近,一个由18位顶尖科学家团队——世界经济论坛新兴技术跨界理事会,评选出全球未来最具发展潜力的、诸如无人机、新一代机器人、3D/4D打印等等的十大新兴科技。其中,氢燃料电池汽车位居榜首(见2015年第六期《中国经济报道》)。

燃料电池潜在的远大发展前景,不仅为汽车业界人士所认识,而且也受到航空界的青睐。意大利都灵理工学院成功研制出世界首架燃料电池飞机,并在柏林航展上展出。在此之前,该架飞机已在汉堡试飞成功(见2012年9月15日《环球时报》)。2012年,在汉诺威工业博览会上,德国航空航天中心也展示了其研发的燃料电池飞机(见2012年4月28日《科技日报》)。同样,鉴于其巨大的优越性,燃料电池潜艇也是目前世界各军事大国研发的热点之一。

过去,在我国城乡许多人的代步工具都使用燃油摩托车,后来被蓄电池(电动)自行车所取代。基于燃料电池的巨大优越性及清洁可再生能源的快速发展,未来,传统的蓄电池(电动)自行车也可能会被氢燃料电池(电动)自行车替代。据报道,最近法国普拉格马工业公司推出了世界首款被命名“阿尔法”的氢燃料电池(电动)自行车,法国邮政总局已表示有意订购之。普拉格马公司宣称,其将在2016年首批量产100辆“阿尔法”自行车,2017年将增加至1000辆,每辆售价约2300欧元,不会超过眼下顶级传统电动自行车,以后大批量生产售价更会大幅下降。

氢燃料电池汽车的主要优势

一.基本优点

装备以质子交换膜式为代表的氢燃料电池汽车的主要优点,在很大程度上归功于燃料电池非常理想的工作原理(机理)。可以说,其在保持和扩大纯电动汽车优势的同时,又摈弃了后者固有的缺陷和不足。

1、极好的环保性。

就车辆本身而言,在行驶过程中,只排放纯净水而无其他任何有害物质;同时,这也很符合大自然的循环规律,汽车运行工作的副产品——水,虽然以目前的状况看,汽车使用者还不能直接回收利用,但排入到大自然中总归还是要被利用(例如再次电解水制氢等等)。从能源的全寿命周期看,如果汽车使用的氢燃料是来自工业废气等副产品以及通过可再生清洁能源而制取,那么车辆总的排放污染也是很低、很少的。在全球环境污染加剧、气候变化异常的严峻局面下,促使人们现在把发展新能源汽车的目光聚焦到氢燃料电池汽车上,说到底是更看重其卓越出众的环保性。

2、能源效率特别高。

从车辆的动力装置——氢燃料电池的工作原理上来审视,其产生的动力不经热机过程,不受热力循环限制,基本上没有热释放和热能损失。因此,能源转换效率高,为60%~70%,甚至更高,大致是内燃机的2~3倍。从这个角度上来认识问题,大力发展氢燃料电池汽车也是我国破解能源困局的有效之策和重要举措。

3、氢能资源丰富。

向燃料电池提供的燃料——氢,来源和分布都十分广泛,理论上讲,在宇宙质量中,约有75%的氢元素。地球上的氢也几乎无处不在,无处不有,制取氢的资源丰富,途径多样,亦可谓取之不尽,用之不竭。从现实可采用的技术手段上讲,既可以用包括风、太阳能等清洁可再生能源电解水制氢,也可利用光直接解水制氢、阳光生物(例如仿照植物光合作用)制氢、废物利用制氢等等。

4、乘坐舒适度高。

燃料电池汽车与传统汽车相比,动力系统不存在机械振动和热辐射等问题,不仅可保证汽车有关零部件有更长的使用寿命和更高的可靠性,而且汽车运行平稳,噪声轻,汽车的舒适性极佳。

二.与纯电动汽车相比的独特优点

基于燃料电池工作原理的科学、合理性,氢燃料电池汽车就从根本上避免了纯电动汽车的若干重大缺陷,例如续驶里程局限和易着火的安全隐患等等。

1、续驶里程的局限小,补充能量快。

前面已经提到,纯电动汽车的续驶里程之所以较短,在于其蓄电池存储的能量有限。而燃料电池汽车的所谓电池,只“发电”并不蓄电,装在氢罐(或容器)里的氢才是车辆存储的能量,只要将氢源源不断的提供给燃料电池,则驱动系统就能获得足够的电能而驱动汽车行驶。这也就是说,氢燃料电池汽车的续驶里程并不取决于“电池”而取决于车载储氢罐所存储氢的多少。据有关科技资料显示,氢的能量密度很高(大致为1 kWh),约是汽柴油的2~3倍,更约是车载锂离子电池的10倍(大致是100~200 Wh);5公斤的氢储量可支持氢燃料电池汽车连续行驶400公里以上,而要达到相同的里程数,纯电动汽车则要搭载约半吨多重的锂离子电池(与之相比,氢燃料电池堆则要轻很多)。

由此可见,纯电动车上的能量有很多都被电池的自重消耗掉了,很不经济,也不科学合理(见2014年7月18日《中国工业报》)。氢燃料电池汽车除上述的独特优点外,其补充能量的速度也很快,几分钟之内,就能给氢罐充满至达到最大续驶里程(400多公里乃至更多)的氢气量,与传统汽车加油一样方便快捷。而如前所述,纯电动汽车“慢速充电”需要7~8个小时,“快充”也要半个多小时,充一次电也只能连续行驶150~200公里。通过这种对比,还使人们看出一个重要问题,就是在推广普及纯电动和氢燃料电池汽车时都需要建立基础设施的情况下,氢燃料加注站的设置密度要比纯电动汽车充电站的密度低很多,这将会带来一系列的节省和产生积极的社会效应。

2、电池安全性高,对环境友好。

氢燃料电池由极板夹着很薄的电解膜构成。在电解膜一侧的阳极上,氢被诸如铂一类的催化剂分解为电子与质子。质子可以穿过电解膜,与空气中的氧生成水蒸汽排出,而电子则统统被电解膜拦下,集中起来生成电流。这一过程是在物质的原子水平上发生的,从理论上讲,基本上没有热辐射,就是在实际的应用工作过程中,电池的温度最高也不会超过100℃,如果再采取一些冷却措施,则温度会更低。由于燃料电池失能甚微,即使隔膜裂了也不会发生爆炸。加之电池组件是固态材料构成,由此也就从根本上避免了类似于纯电动汽车因电池热失控和溶液(剂)泄漏等而导致的安全隐患,可获得高的安全性。

要说氢燃料电池汽车在安全方面还有什么薄弱环节的话,储氢装置(或容器)可算得上是一个需要认真对待的东西(下面将涉及),但因已经有比较成熟的技术可以应用,氢燃料电池汽车的安全性基本上与传统汽车的相当,并无特别之隐忧。关于氢燃料电池在全寿命周期内对环境的影响,就整体而言,其构成材料基本上没有毒性,在制备、使用和回收处理环节,不存在对环境的污染问题。当然,这主要还是理论认识。在世界范围内,氢燃料电池汽车尚处在少量示范运用的阶段,积累的实践经验少,若大量使用时,燃料电池究竟对环境是否会产生明显的负面影响,还要由实践来回答。 

氢燃料电池汽车存在的主要问题与难点

尽管氢燃料电池汽车具有如上所述的诸多优点,但因其是一个完全创新型、革命性的技术产品,不可避免的会有一些不完善和需要改进的地方,特别是在21世纪初叶及之前的早期(或者说前期)阶段,还存在以下主要问题与难点。

1、燃料电池发动机技术性能需大幅提高

早期阶段,燃料电池发动机的技术性能欠佳,需要极大改进才能满足实际使用要求,主要涉及以下几个问题。

一是燃料电池的功率密度较低,整个燃料电池发动机输出的功率受到局限;并且,由于其动态响应较慢,在汽车均速行驶时问题尚不突出,而工况改变时,如在加速或爬坡需要更大功率的情况下,就显得很困难,影响到汽车的正常使用。

二是燃料电池发动机的耐久性较差,使用寿命较短。在前期阶段,国际上燃料电池发动机的使用寿命普遍不超过3000小时(美国能源部制定的、可满足正常使用要求的2020年目标为5000小时),与实际应用的要求还有不少差距;燃料电池汽车行驶4~5万公里后,功率即下降约40%,与传统内燃机普遍可保证汽车行驶50万公里以上相比,还逊色得多。

三是燃料电池发动机的环境适应性较差,尤其是低温情况下起动比较困难(纯电动汽车也有这种弱点),不能很好满足天气寒冷时的汽车正常使用要求。

2、系统可靠性要求高

为使燃料电池发动机具有足够大的输出功率而驱动汽车,需要把成百上千(乃至更多)个单体燃料电池集成于一体,构成燃料电池堆,不仅要求每个部件都具有一致的质量,而且串联作业时也不允许有任何的差错。如果单体电池间由于水、热、压力、燃料供应以及膜的情况的不同而出现性能上的差异,那么电池堆内部就会出现不平衡性,从而影响电池发动机的正常工作。例如燃料电池的核心部件膜电极制备,其可靠性要求就很高,需要高度关注单片膜电极制备的均一性和膜电极批量生产的一致性等。

除此之外,燃料电池发动机还比较复杂,由许多不同的部件或单元组成,它们之间也要有完美的匹配。总之,燃料电池发动机系统技术含量高,创新的潜力大,系统可靠性要求也很严苛。

3、氢燃料电池汽车制造成本高

在氢燃料电池汽车的前期发展阶段,根据不同的科技文献资料的粗略估计,氢燃料电池汽车的成本是传统汽车的数倍乃至10倍。尤其是质子交换膜燃料电池,要使用价格昂贵的铂金属催化剂,不仅导致电池成本高升,而且还要受到铂金属矿产资源有限的约束,因为世界上铂矿储量不多。

4、氢燃料供应是大难题

氢燃料电池汽车的燃料供应等基础设施,与传统汽车的完全不同,需要从头建起(当然,也可以利用现有加油站的部分设施进行改造,但终究要从头来),是一个庞大复杂的系统和网络,将经历一个较长的时期才能逐步建立形成。并且,在氢燃料供应的各个环节上,都要进行技术创新和一定的投资。其中,以下问题需要重点解决。

首先是氢的制取。比较理想的、符合可持续发展要求的制氢途径:一是本着“废物利用”和“循环经济的”原则,通过工业(比如化工、钢铁行业等)副产品和煤层气(俗称瓦斯)等制氢;二是通过清洁可再生能源电解水制氢;三是通过阳光直接分解水制氢。经由这三种途径而经济的大批量制氢,需要进行技术创新才能突破各种障碍。

其次,需要通过技术进步而获得安全可靠的管道输送氢和车载储氢的技术解决方案。就车载高压储氢而言,为使储罐能存储更多氢以保证汽车有长的行驶里程,就得提高储罐的压力,由此,就要确保罐的高压安全性和密封性。若车载容器内是液态氢,则需要有足够低的局部环境温度等等,同样涉及一系列的安全问题。

再者,从理论上分析,虽然加氢站的设置密度没有纯电动汽车充电站的那么高,但建设起来却比后者要复杂,牵涉面也更广些。

氢燃料电池汽车技术总体进步超出预期

最近几年,尤其是自全球爆发金融危机和世界汽车产业受到较大冲击的时期以来,当我国采取各种措施旨在刺激传统(汽柴油)汽车恢复高增长态势之际,国际上有不少国家和跨国汽车公司,却埋头对氢燃料电池汽车核心技术进行攻关,尽最大努力以创新而驱动汽车产业继续发展,从根本上化解前进道路上遭遇的困难与障碍。进步呈突飞猛进之势,其成果无论从质还是量上来看,均远远超过前十年的。

总括来看,可以肯定地说,现今,氢燃料电池汽车寿命已远超商业化预期,主要指标与传统汽车相接近,而远远超过纯电动汽车,整车成本成倍下降,售价已至市场所能接受的程度(考虑到政策优惠因素)。中国工程院院士衣宝廉认为,从世界范围看,现在燃料电池汽车存在的主要(技术)问题已基本解决。

决定氢燃料电池汽车“前途和命运”的关键所在,即核心部件燃料电池堆及燃料电池发动机,其技术近年取得革命性重大突破:电堆功率密度大幅提升,据有关资料称,现今国际先进水平已经达到3kW/L(丰田新上市的燃料电池汽车的该指标甚至比此还要高),超过美国能源部曾经制定的、可实现产业化和商业化的2020年规划指标要求;燃料电池发动机技术性能(包括可靠性和稳定性等)得到全面改善和提高,系统使用寿命普遍达到5000小时免维护运行(个别企业甚至达到8000小时和更多,美国联合技术公司氢燃料电池大客车的使用寿命为1.2万小时),这也是美国能源部至2020年要达到的规划指标;燃料电池发动机的冷起动温度已经达到-30℃,一些企业的车型在极其寒冷的北极进行实地测试也没有出现什么问题,完全满足美国能源部2020年规划中的相关指标要求。这意味着,氢燃料电池汽车的特殊难题——冷起动技术瓶颈已经破除。

现今,国际上燃料电池产业链各个环节均已实现产业化,技术性能和质量都已达到实用化、商业化要求。同样,一直困扰氢燃料电池汽车发展的成本高昂问题也获得根本性解决。美国能源部的有关报告显示,国际上从事燃料电池汽车研发的主流企业,其燃料电池发动机系统的成本,现今与21世纪初相比下降80%~95%,比价格大致为49美元/kW(按年产50万台计算),这已非常接近内燃机的30美元/kW。车载储氢技术也获得重大突破,氢储罐压力由上一代车型的35Mpa升级到70Mpa,由此大大提高了汽车的续驶里程。而氢的获取对燃料电池汽车来说,也并不是什么难事,已有多种成熟技术可供选择。

由于成本大幅度下降,国际主流企业即将推出最新一代的氢燃料电池汽车预定售价,已与同类型混合动力汽车的相近或相当,算是很有竞争力了。

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