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    赵福全对话余卓平:燃料电池应和纯电动互为补充

    对话嘉宾:余卓平,同济大学校长助理、新能源汽车与动力系统国家工程实验室主任

    核心观点摘录


    【氢气安全性并不比汽油差】

    在汽车上使用氢气与使用汽油相比,前者的安全性并不比后者差,车辆运行过程中是能够确保氢气安全使用的。真要是发生泄漏事故,汽油是弥漫性的,非常危险,而氢气不是这样。


    【燃料电池成本高昂的原因】

    目前燃料电池是很贵的,贵的原因主要是因为还没有实现大规模量产。降低燃料电池成本也有不少难点:例如,氢气和氧气的化学反应需要贵金属催化剂;燃料电池的性能衰减。


    【燃料电池汽车有望率先普及的应用场景】

    燃料电池汽车和纯电动汽车并不是竞争关系,而是互为补充。在中小型乘用车坚持以纯电动为新能源汽车发展方向的同时,大型商用车领域完全可以优先发展燃料电池汽车。


    【氢气是非常好的储能载体】

    在二次能源结构里,氢能是可以和电能形成天然互补的能源载体。中国的可再生能源很丰富,现在的问题在于电能的储存很困难,导致很多清洁的光电和风电都白白浪费了,而氢气恰恰是非常好的储能载体。


    【氢被归类于危险化工品不利于产业发展】

    氢气有时候不是作为能源、而是作为化工品被看待,这是全世界的普遍状况,在中国更为突出。按照现在的法规标准,氢气只能在化工区使用,因为它被归类于危险化工品。


    【中国发展氢能的迫切之处】

    第一,中国能源需求正在持续快速增长。随着国民经济的发展和生活水平的提升,中国的能源需求将不断增长,亟需缓解传统能源压力,以新的能源形式补足缺口;第二,中国当前的能源结构是以煤为主,结构过于单一,而且面临高碳压力。


    【氢气的能源定位需要国家战略支持】

    目前加氢技术和加氢站建设技术都已经成熟,但是加氢站的标准规范还不健全。我国只有在国家战略层面上明确氢气的能源定位,才能在法规和标准体系建设层面上有所发展和突破,从而最终解决加氢站建设的难题。


    对话正文


    赵福全:凤凰汽车的各位网友,大家好!欢迎来到凤凰汽车“赵福全研究院”高端对话栏目。我是本栏目的主持人、清华大学汽车产业与技术战略研究院院长赵福全。今天我们非常荣幸地请到了同济大学校长助理、新能源汽车与动力系统国家工程实验室主任余卓平教授。余老师,请和网友们打个招呼。

    余卓平:各位网友好!

     

    赵福全:余老师,您从事新能源汽车相关研究工作已有20余年,是中国新能源汽车发展的亲历者和参与者,也是本领域主要的学者之一。特别值得一提的是,您在同济大学辅助当时担任校长、后来担任科技部部长的万钢(现任中国科学技术协会主席),直接参与了很多重要的国家新能源项目,可以说为中国新能源汽车的发展做出了巨大的贡献。

    很多人以为新能源汽车就是指纯电动汽车,实际上中国把纯电动汽车、燃料电池汽车以及插电式混合动力汽车都定义为新能源汽车。今天主要想和您谈谈燃料电池汽车。燃料电池汽车从之前的很少有人问津到现在的备受关注,产业热度正在不断升温。那么,燃料电池汽车究竟是怎样一种产品?请您和网友做个简单的科普,给大家介绍一下燃料电池汽车的基本工作原理。

    余卓平:本质上,燃料电池与我们现在电动车上使用的动力电池完全不同。常规的动力电池能够把电能储存在其中,使用的时候再把电能释放出来。而燃料电池实际上相当于是一个发电机,其工作原理是电解水的逆过程。电解水是把水中的氢元素和氧元素分解开,这个化学反应是可逆的。如果让氢气和氧气发生化合反应生成水,在反应过程中就会产生电子流动从而形成电流,燃料电池就是这样一个发电装置。简单来说,燃料电池的工作原理就是将氢气作为燃料,与空气里的氧发生化学反应,进行发电。从概念上讲,氢气和燃料电池的关系就像煤炭和燃气轮机、石油和发动机的关系。

    燃料电池的一大优点是其环保特性。实际上,全球能源发展的总体趋势就是一个“减碳加氢”的过程——能源载体从柴草到煤炭、到汽柴油、再到天然气,可以看到这些能源载体中的碳元素越来越少,氢元素越来越多。现在全球都在致力于低碳发展,但目前所使用的主要能源的含碳量依然普遍较高。按照“减碳加氢”的理念,很多人认为氢气是未来的终极能源。需要注意的是,这不是指未来全球只用氢能源,而是从“脱碳”的角度来讲,“脱碳”到极致就没有碳元素,只剩下氢元素了,也就是说氢气代表着“脱碳加氢”的极致状态。

     

    赵福全:您谈到燃料电池的工作原理是氢气和氧气发生化学反应,产生电流而输出电能。那么作为动力系统,燃料电池的结构是怎样的?动力输出是如何实现的呢?

    余卓平:燃料电池与发动机工作原理不一样,不过在结构上又有很多类似的地方。发动机是一个完整的动力装置,燃油在发动机内燃烧,产生爆炸力推动活塞和连杆运转,将力转化成扭矩。而燃料电池不是一个完整的动力系统,它只是一个发电机。当燃料电池作为汽车动力源的时候,还需要电动机的配合,由电动机把电能变成扭矩。也就是说,燃料电池加上电动机,才是一个完整的动力装置。

    在汽车业内,我们常说燃料电池和发动机很像,甚至把它称为“燃料电池发动机”。有些人不理解,说燃料电池明明是发电机,为什么叫“燃料电池发动机”?这是因为在车辆工程领域的“燃料电池”,指的就是由燃料电池和电机组合而成的动力系统,从整个系统看,它确实相当于发动机。

    其实,发动机在本质上也是一个化学反应的装置,除了产生能量的燃烧室以外,还有空气供给系统、燃料系统、热管理系统等。而在燃料电池里也有类似的这三套系统,燃料电池也需要燃料系统,不同的是它的燃料是氢气而不是燃油;同时也需要有空气供给系统,不只是进气,燃料电池也会排放尾气,不同的是排放出来的气体远比发动机尾气清洁;此外也一样需要热管理系统。所以从车用动力源的角度来看,燃料电池和传统发动机相比,除了燃烧和发电的环节不一样,其他部分基本一致。

     

    赵福全:您刚才提到燃料电池时,总是限定于氢燃料电池,为什么一定要把“氢”和“燃料电池”绑定呢?燃料电池不能使用其他种类的燃料吗?

    余卓平:燃料电池的属性与所使用的燃料密切相关,车用燃料电池的主要能源就是氢气。就像发动机分为汽油机和柴油机一样,燃料电池也有很多种类。其中一类叫质子交换膜燃料电池,这种燃料电池的结构极其简单——两块极板中间夹一张质子交换膜,就组成了一个燃料电池单体,很多个单体组合在一起,就是一个电堆。质子交换膜燃料电池利用氢气和氧气反应直接发电。

    燃料电池中还有其他很多种类,例如固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池等,固体氧化物燃料电池不但可以用氢气作为燃料,还可以“吃粗粮”,也就是可以用天然气、甲醇等作为燃料。因为它能在高温下把碳氢化合物分解产生氢气,所以理论上只要燃料含有氢元素就可以用于固体氧化物燃料电池。

    不过,目前车用燃料电池的主流还是质子交换膜燃料电池,因为这类燃料电池使用纯氢作为燃料,排放零污染,这一点与汽车追求零排放的目标是契合的。如果使用固体氧化物燃料电池,以甲醇或天然气作为燃料时,那就和传统发动机一样有温室气体和污染物排放,因此还要开发相应的排气净化处理装置。

     

    赵福全:余老师刚刚和大家分享了燃料电池的基本工作原理,其核心部件是一个化学反应的发电装置,再与电机等其他零部件组合在一起构成动力源。回到我们汽车产业,燃料电池是什么时候开始应用的?

    余卓平:对汽车产业而言,我们接触到的燃料电池主要都是车用燃料电池。其实燃料电池研究是从电化学领域起步的,最初是电化学科学家研发出了燃料电池。而且燃料电池的使用最早也不是在汽车领域,而是在航天领域,为了能使卫星运行的时间更长,需要一个储能密度高的装置作为动力源,燃料电池能够满足这个需求,因此得以在航天领域应用。而汽车工程师们的贡献就是把这个科研成果变成了一个可用于车辆的产品。

    燃料电池在道路交通领域的首次应用可以追溯到上个世纪末。1994年,戴姆勒(当时称戴姆勒-奔驰)公司发觉燃料电池是未来车用动力一个非常好的方向,就开发出全球第一辆燃料电池汽车。当时那辆汽车的外观类似于金杯那样的小面包车,前面有驾驶座和副驾驶座,车厢内其他空间全部是燃料电池装置,包括储存的氢气和氧气,这套装置塞满了车辆后部空间。三年后,戴姆勒公司对这套装置进行了小型化改进,把燃料电池系统成功装到了A级轿车里,而且能保证五个座位的空间,不足的是这辆车没有行李厢,这就是当年燃料电池汽车起步时的情况。

     

    赵福全:这么说来,燃料电池汽车的历史并不长。那么,目前全球车用燃料电池技术进展到了什么程度?其产业化情况以及竞争态势又如何呢?

    余卓平:燃料电池在汽车上使用的历史虽然很短,只有二十多年,但是进步非常快。燃料电池未来的发展,不仅取决于其排放的清洁性,也取决于其成本。目前燃料电池是很贵的,贵的原因主要是因为还没有实现大规模量产。展望未来,大家普遍认为车用燃料电池将是一套低成本的动力装置。

    对燃料电池未来成本持乐观看法的原因之一,是燃料电池的零件数量很少,仅是传统发动机的百分之几,一旦大规模产业化就可以显著降低成本。原因之二,在于燃料电池性能衰减和寿命问题的攻关已经初见效果。二十年来,工程技术人员一直在致力于攻关燃料电池的性能衰减和寿命难题。燃料电池刚被研发出来时,运行2000小时,其性能就会出现大幅度衰减。曾经我们提出的研发目标是使燃料电池的寿命超过5000小时,而目前通过持续的技术攻关,公交车上燃料电池的使用寿命已经超过10000小时了。

    当然,降低燃料电池成本也有不少难点。主要是氢气和氧气的化学反应需要催化剂,按现在的技术水平,催化剂只能使用一些贵金属,比如铂。铂是稀有金属,成本高昂。虽然经过二十年的发展,燃料电池中铂的用量已经大幅下降,但成本仍然较高。目前在一些小批量商业化的燃料电池汽车上铂用量约为0.3g/kW,按此估算,对于100kW的电堆,需要使用30克铂,而二十年前同样功率的电堆,铂用量是这个数字的5倍以上。

    目前实验室做出的燃料电池铂用量可以达到0.1g/kW的水平,这是什么概念呢?传统发动机汽车通常有两个地方要用到铂,一个是在尾气排放装置中用来净化有害物质,另一个是汽油机点火系统里的点火触点。当燃料电池的铂用量下降到0.1g/kW时,就和汽油机的铂用量基本相当了。从这个角度讲,大家还是应该有信心,未来燃料电池成本不会居高不下。只是在没有大批量产业化之前,预期成本都是估算出来的,真正的成本还需要在产业化过程中才能确定。

    提到成本,我还想说一个观点。很多人都误认为汽车没什么技术含量,觉得汽车技术相对于航空航天技术来说太普通、太简单了。但实际上,汽车核心技术丝毫不亚于航空航天技术,在某些方面,对汽车技术的要求甚至高于航空航天领域。一方面,对汽车产品性能的要求并不低于航空航天产品,因为汽车需要满足各种截然不同的使用条件;另一方面,汽车技术在成本方面的要求远高于航空航天技术,一旦成本高了,汽车就卖不出去了。作为大众化的商品,汽车要在大规模生产中确保性能和降低成本,这一点与航空航天产业不同。在航空航天领域,无论是大型客机,还是火箭、卫星,成本都不是最主要的考虑因素。最终,花费一两年的时间,使用最好往往也最贵的零部件,只要把卫星成功送上轨道,就圆满完成任务了。而车企的生产流水线上,每天都有几百辆甚至成千上万辆汽车下线,每一辆汽车都要保证良好质量和低廉成本,还要保证能够稳定使用10-20年,这是非常难的。

    下面讲讲燃料电池产业化进展和企业竞争的情况,这些年来全球燃料电池汽车的发展经历了几起几落。上个世纪燃料电池汽车发展伊始,业界非常兴奋,出现了第一波热潮,持续了近十年时间。到90年代末,燃料电池技术领先的两大汽车公司,一个是德国的戴姆勒,另一个是美国的通用,这两家公司走在了世界前列。但是在奥巴马政府上台后,美国就暂停了对燃料电池的研发和关注。奥巴马政府对燃料电池的发展前景有较大的质疑,认为动力电池才是未来汽车动力源的主要方向,因此就把燃料电池的研发搁置了。当时,受美国的影响,中国在燃料电池方面的投入也较少,没有太多发展。

    这个过程中有一件事让我印象深刻:戴姆勒公司的一位技术主管曾跟我讲,在混合动力上,我们输给了日本,但是在燃料电池方面,我们绝对不会再输给日本。前面提到,戴姆勒是第一家做出燃料电池汽车的公司。在2010年左右,戴姆勒曾经做过一个“燃料电池汽车全球行”的活动,把他们最新研发的燃料电池汽车带到全球各地,也包括中国,进行示范运营。那个时候,戴姆勒可谓信心满满,计划到2014年实现燃料电池汽车的商业化。结果活动结束后不到一年,戴姆勒就宣布调整计划表,改为到2017年以后实现燃料电池汽车商业化。现在看来,他们的进度还是落在日本车企后面了。

    虽然在燃料电池汽车发展初期,日本车企并没有太多建树,但是他们一直孜孜不倦地坚持投入,到2014年,日本已经实现了燃料电池汽车商业化并正式对外销售,一举成为全球燃料电池技术领先的国家。日本丰田的燃料电池车型Mirai,更带动了新一轮产业发展的热潮。目前Mirai的售价大概在5万美元左右,折算成人民币就是三十几万元。这个价格要比特斯拉的电动车便宜,在运行中也更节能,无论是售价还是续驶里程都更有优势。由此也让大家看到了燃料电池汽车的发展潜力,近期中国对燃料电池的期望也在逐步提高。

     

    赵福全:您刚才讲燃料电池汽车比传统发动机汽车的结构要简单得多,而且从现在日本推出的车型来看,燃料电池汽车在价格上也可以和纯电动车竞争了。那么,除了铂的用量之外,还有哪些关键技术是目前阻碍燃料电池发展的瓶颈呢?

    余卓平:除了铂用量影响燃料电池的成本以外,还有一个很重要的影响因素就是燃料电池的性能衰减。刚才讲到,燃料电池的寿命在公交车上已经有了明显突破,除了燃料电池技术本身的进步,寿命的提升也与车辆和系统方案的选择有关。在燃料电池汽车技术领域,同济大学是国内起步较早的科研单位,科技部前任部长万钢在同济工作时就曾经带领我们攻关燃料电池技术,当时提出了一个称为“电电混合”的系统方案,即在燃料电池以外,再配一块动力电池,共同作为动力源。

    为什么要配动力电池呢?一是可以实现汽车的制动能量回收,毕竟燃料电池只是一个发电装置,不能储能,而电动汽车提高能效的重要方法之一就是回收制动能量,所以我们提出放入一块动力电池,作为储能装置。二是可以减轻燃料电池的动态负荷,这有助于提升燃料电池的寿命。二十年前燃料电池的寿命才2000小时,那时候大家都不敢奢望能做到10000小时,而现在我们已经做到了。所以,燃料电池寿命即耐久性能的改善,既有燃料电池技术本身进步的原因,也有系统解决方案升级的贡献。

     

    赵福全:我们一直讲中国汽车产业大而不强,重要原因之一就是零部件产业不强,那么燃料电池有哪些关键零部件?目前存在哪些技术瓶颈?造成这些瓶颈的因素又有哪些?

    余卓平:关于燃料电池的关键技术,刚才一直讲的都是电堆问题,还没有讲到系统层面。从系统层面看,燃料电池要有空气供给系统、燃料系统和热管理系统三大系统,其中热管理系统相对来说难度最小,因为国内发动机的散热和冷却技术已经很成熟了,所以要解决燃料电池的热管理问题,没有太大的挑战。

    空气供给系统目前面临的困难比较大。与发动机类似,燃料电池也需要增大进气量。发动机最初使用化油器,后来大家感到化油器的喷油量太受限了,如果使用电子喷射装置就能做到随时喷入所需的油量,只要把喷射泵做好即可。不过如果喷入燃烧室里的燃油多了,相应地供给的空气量也必须增加,于是就产生了涡轮增压系统,有效解决了发动机进气量的问题。目前燃料电池采用高压供给氢气,输送量很大,为了使反应高效,在氢气量增多的同时必须增加与之反应的氧气量,也就是要增加空气供给量。

    这样燃料电池就需要配备增压装置,也就是空气压缩机(简称空压机),而且燃料电池所需要的进气流量比发动机更大。难点在于燃料电池对进气纯度的要求很高,氢气和氧气的纯度会直接影响电化学反应的效果,气体纯度不足会导致电化学衰减。同时,还要求润滑装置中不能有润滑油,要在无油润滑的条件下实现高速运行,这是很难的。所以,高效、“无油化”的空压机是一个技术挑战。

    不过,我认为这个挑战未来是可以解决的。目前世界主要汽车公司中,除丰田以外,本田的燃料电池汽车也做得不错。据我所知,本田燃料电池的空压机是由传统零部件供应商霍尼韦尔提供的,已经可以基本满足燃料电池对氧气供给的需求。同时,国内也在加紧攻关空压机技术,相信能够解决这个问题。

    第三个是氢气燃料系统。从氢气储存的角度看,目前车载储氢一般都采用气态储存。由于气态储氢的储存密度较低,所以液态储氢也是一个研究方向。但是液态氢需要零下200多度的温度才能完好储存,虽然储存密度较高,不过液态氢的逃逸问题目前尚无法解决,在汽车上很难应用,这样液态储存的技术方案基本就被排除了。当然,液态储存还有另一种形式就是液态有机物储氢,这个领域目前还在研究当中。

    目前普遍采用的高压氢气储存方式,虽然在技术上没有太大难点,但成本偏高。国内法规要求,高压储氢罐的材料只允许使用金属类,储氢压力只能做到35兆帕。而国外使用树脂类储氢罐,储氢压力可以达到70兆帕。这种差距是由法规决定的,与技术水平无关。中国法规之所以这样规定,是因为把氢气视为危险的化工品。

    实际上,就安全性来讲,氢气并不比汽油更危险。汽油作为能源使用已有一百多年的历史了,已经逐步建立了一套很严格的安全管理措施,确保我们可以很安全地使用。目前的情况是,氢气有时候是作为能源,有时却不是作为能源、而是作为化工品被看待,这是全世界的普遍状况,在中国更为突出。按照现在的法规标准,氢气只能在化工区使用,因为它被归类于危险化工品。

    要解决这个问题,政府、能源行业和汽车行业等相关各方必须一起努力。原来一直是汽车产业自己在发展燃料电池汽车,发展到现在的阶段,氢燃料电池汽车已经推出了,加氢站不足就成了瓶颈,因此迫切需要能源产业以及政府都参加进来,共同发展氢能产业。

    为此,今年年初我们提出了一个很好的概念,也得到了各方的认同。我们呼吁,国家首先要对氢能有明确的战略定位,即认可氢是一种很好的能源,在二次能源结构里,氢能是可以和电能形成天然互补的能源载体。中国的电能虽然丰富,但是目前电能的来源主要还是依靠燃煤。而煤作为能源有两个问题,高碳以及颗粒排放污染非常严重。因此,我们必须逐步改变煤电为主的能源结构。

    未来能源发展的趋势是最终走向可再生能源。以前我们是在地表下寻找能源,未来我们要在天空中寻找能源,也就是太阳能和风能发电。目前这两个方面,都已经有了比较成熟的技术。实际上,中国的可再生能源很丰富,现在的问题在于电能的储存很困难,导致很多清洁的光电和风电都白白浪费了。而氢气恰恰是非常好的储能载体,我们可以用光伏发电和风力发电产生的电能来电解水,然后制成氢气,这样就可以把能量保存下来。所以,氢能与电能作为能源有非常好的互补关系。国家必须把氢气作为能源来对待,按照能源而不是简单的化工品来形成一套管理法规和标准体系,这样燃料电池产业就可以更有序地发展了。

     

    赵福全:余老师谈到,发展燃料电池汽车除了电堆技术之外,在系统层面还有几个挑战。热管理系统总体看来问题不大;无油润滑的空气压缩机是较大的难题,不过目前正在努力克服;而在氢气储存上,由于国内法规要求储氢瓶必须是金属类的,压力只能做到35兆帕,而国外采用树脂储氢瓶,压力可以达到70兆帕,这对燃料电池技术的发展有不利的影响。也就是说,目前存在法规标准滞后阻碍技术创新的问题,亟需尽快解决。

    下一个问题,燃料电池汽车产业的发展,还取决于氢的来源。除了刚刚您提到的太阳能和风能这两类可再生能源制氢之外,氢还有没有其他的来源?另外,氢的不同来源给燃料电池技术本身带来了哪些挑战?不同来源的氢能经济性如何?各自的发展难点是什么?

    余卓平:氢是一种二次能源,而不是一次能源。作为二次能源,未来氢能将会在人类的能源结构中发挥重要作用。大家知道,电能有多种来源,包括火力发电、水力发电、核能发电、可再生能源发电以及天然气发电等多种方式,通常能发电的形式都可以用来制氢,所以氢气的来源非常广泛,这其中远期最被看好的就是可再生能源制氢。而近期则可以通过碳氢化合物来提取氢气,当前的能源中有很大一部分都是碳氢化合物,像汽油、甲醇、天然气等,都可以从中制取氢气。

    目前中国是世界上产氢量最多的国家。一般来讲,一个国家化工业的规模越大,相应的工业副产氢也就越多。除了氢的来源广泛、氢的产能世界第一之外,中国在制氢技术方面也发展得非常完备。尽管燃料电池对氢气纯度有严苛要求,我国的氢气提纯技术也完全能够满足,因此制氢技术问题不大。至于制氢成本,在工业副产氢中,煤化工制氢是最便宜的,即使算上氢气提纯的成本,也要比石油便宜。

    总体来看,在制氢环节,我国在氢的来源、制氢技术等方面都没有太大障碍,而煤制氢和可再生能源制氢的成本都比较低,足以和汽油竞争。现在问题主要在制氢之后的环节,即氢气的运输和加注。如果抛开运输和加注的成本,单纯从燃料角度比较,氢气是比汽油更便宜的,但是加上运输和加注成本之后就不一定了。

     

    赵福全:因为氢的燃点非常低,是一种易燃易爆的气体,因此中国一直将其作为化工危险品来进行管理,社会上也往往“谈氢色变”。实际上,随着燃料电池的发展,我们应把氢气作为燃料、作为能源来进行管理。而这种转变只靠汽车人努力是实现不了的,必须和能源产业以及政府达成共识、一起努力。从氢能产业链的角度看,中国具有规模庞大的化工业基础,可产生大量工业副产氢,相关制氢和提纯技术又比较成熟,所以制氢环节不会成为发展燃料电池的瓶颈。也就是说,在中国不会出现氢气供给短缺的问题,不必担心氢能源不足。但是制氢之后的环节,储氢、运氢以及氢气加注都会带来成本的显著增加,为什么这些环节的成本这么高呢?

    余卓平:目前气态氢只能使用管束车来运输,因为载运量太少导致运输成本偏高。其实运输天然气是同样的情况,用车辆进行气态运输成本也较高,所以往往通过建设专门管道来进行运输。另外一种低成本的运输方式,就是将天然气液化,液化天然气可以使用大型船只来运输,就像运石油一样。我认为,将来氢的长距离运输可以参照天然气的运输方式。

    目前世界上还没有大规模、长距离运输氢的案例,氢的短距离运输也没有世界标准,相关的法律法规都不健全。现在我国正在探索上千公里长途运氢的策略,未来很可能会采用氢气专用管道来运输。也有专家提出借用天然气管道,进行氢气和天然气的混合运输,使用的时候再将氢气分离出来。总体来看,我认为对于氢的长途运输,管道运输是最好的方式;或者也可以通过水运来运输液态氢。

     

    赵福全:我们有必要考虑上千公里的长途运输吗?既然氢气无处不在,区域性的制氢和区域性的用氢有效结合,是不是一条更好的发展路径?

    余卓平:您这个问题非常好。结合未来可再生能源的发展,氢能非常适合分布式使用。因为不同地区有不同的能源结构特点,氢气的来源可以因地制宜,不像石油和天然气那样必须考虑运输问题。像石油只有中东产量最丰富,天然气也大多集中在中东或者深海。而氢气几乎可以说是无处不在,各地都能以不同的方式制氢,这将给能源使用模式带来全新的变化,从而对未来社会产生深远影响。

     

    赵福全:氢作为能源,需要我们重新加以认识和利用。氢的来源很多,不同的区域适合不同的制氢方式。至于制氢之后怎样运输的问题,不同的距离也会有不同的方案。最理想的状态是区域内就近使用,从而节省运输成本。但是,用户在使用燃料电池汽车时,不可能跑到制氢的地方去加氢,所以氢气供应问题就突显出来。从这个意义上讲,目前加氢站也是影响燃料电池汽车普及的一大问题。您怎样看待加氢站的普及难题?未来加氢站会如何发展?

    余卓平:目前加氢技术和加氢站建设技术都已经成熟,但是加氢站的标准规范还不健全。正如前面提到的,中国把氢气视为化工危险品,如果要建一个加氢站,周边不允许有重要的建筑,也不允许在居民区附近建设。而国外普遍将氢气视为能源,所以加氢站可以建设在居民区旁边,也可以建设在商业区,国外认为只要有一套良好的安全管理措施,加氢站就不会出问题。我国只有在国家战略层面上明确氢气的能源定位,才能在法规和标准体系建设层面上有所发展和突破,从而最终解决加氢站建设的难题。

    实际上,在汽车上使用氢气与使用汽油相比,前者的安全性并不比后者差,车辆运行过程中是能够确保氢气安全使用的。真要是发生泄漏事故,汽油是弥漫性的,非常危险,而氢气不是这样。我们曾经做过实验,用枪射击汽油箱和氢气罐,油箱中弹后一定会爆炸,而氢气罐中弹后是一根火柱笔直向上,但不会爆炸。

     

    赵福全:设想一个场景,有100辆车停在地下停车场,如果分别是100辆发动机汽车或者100辆氢燃料电池汽车,哪一种情况出现事故的概率更高、危险性更大?

    余卓平:如果是氢气泄漏,目前的碳纤维储氢罐几乎不可能爆炸。氢泄漏造成爆炸一定要有一个大空间,同时储氢罐有裂缝,使氢气散出,与空气混合到一定比例,否则不存在爆炸风险。100辆车的氢罐同时出现裂缝并发生爆炸,目前来看出现这种危险的可能性极低,近乎是不存在的。

     

    赵福全:对于燃料电池汽车来说,制氢环节没有太大问题;运氢环节未来可以参考天然气的运输方式来解决;如果法规允许,能像建设加油站一样建设加氢站,用氢环节也不是难题。那么,中国氢燃料电池产业能不能实现更大的进步,甚至超越燃料电池技术本身,使我们真正进入到氢能社会。您判断,我们会很快进入氢能社会吗?也请您和大家简要分享一下,氢能社会是一个怎样的概念?

    余卓平:刚才讲到氢能和电能一样是二次能源。我们现在就处在电能社会,方方面面都离不开电,这是大家都能感受到的。而在氢能社会,交通领域会使用氢,发电领域也会使用氢,燃料电池汽车会得到更大的发展。未来电网将会发展为“智能电网”,在氢燃料电池汽车普及后,每一辆车上的燃料电池都是发电机,等于到处都有发电站,这样就不再存在电网的峰谷问题了。通过智能电网管理,可以使电网输出变得非常平稳。

    燃料电池是一个发电装置,车载燃料电池相当于是一个几十千瓦的分布式发电站,燃料电池汽车则是小型分布式发电站的载体,并且这个载体是可以移动的。如果用燃料电池汽车作为辅助电源,在需要时供电,那就再也不会出现停电的情况了。偏远地区的城镇化发展也会变得更加简单,因为不需要架设电网,只要当地有氢气就可以满足供电需求。可以设想一下,未来在山上建一幢小型的度假别墅,不必单独为这个别墅架设电网,有一辆燃料电池汽车即可。度假的时候,开着燃料电池汽车过去,就可以直接给别墅供电。再进一步设想,未来天然气管道很可能会通到各家各户,而每个家庭安装一个小型的重整制氢装置,就可以用天然气制氢。日本的分布式发电发展很快,发电来源就是管道输运到家中的天然气,可以通过天然气重整获得氢气发电,也可以直接使用天然气发电。因为前面提到过,燃料电池也有不同的类型,可以使用不同的燃料。

     

    赵福全:氢气的区域可取性和区域利用性有利于氢能社会的建成,氢能的提供和使用本身就可以构成一个完整的小生态圈。中国有丰富的氢资源,有很多方式都可以制氢,不过供氢技术还没有完全成熟,这其中蕴含着很大的商机,也是我们下一步技术创新的重点方向。燃料电池汽车本身还有很多挑战,但是距离较大规模产业化已经没有那么遥远了,日本车企丰田和本田已经做出了榜样,丰田推出的燃料电池汽车Mirai在成本上比特斯拉的电动车更有优势。但由于尚未充分规模化,目前的销售价格和实际成本之间的关系,以及未来成本的下降空间,我们还没有办法完全确定。

    您刚才还提到国家的法规标准跟不上燃料电池汽车的发展,在某种程度上甚至成为阻碍其商业化的因素之一。那么,国家应该怎样把氢作为能源进行布局,法规标准又该如何快速跟进呢?对此,国家是不是已经有一些举措了?有没有一些迹象表明,国家已在推动氢能社会的建设?

    余卓平:我们一直密切关注这个问题。我认为,对于中国来讲,发展氢能与燃料电池要比其他国家和地区更为迫切。主要有两个原因:第一,中国能源需求正在持续快速增长。随着国民经济的发展和生活水平的提升,中国的能源需求将不断增长,亟需缓解传统能源压力,以新的能源形式补足缺口;第二,中国当前的能源结构是以煤为主,结构过于单一,而且面临高碳压力。根据巴黎协定,全球要控制温室气体排放,中国理应做出大国表率,我们已承诺碳排放达峰时间,因此对清洁能源的需求是战略性的。

    从交通能源来看,现在全球交通能源主要依赖于石油。而我国虽有一定的石油资源,但相比庞大的使用量而言,仍然是一个典型的少油国家。如果我们能够积极推动氢能和燃料电池汽车的快速发展,既可以缓解对进口石油的依赖,也可以解决大量用煤导致高碳排放的问题,所以中国发展氢能与燃料电池汽车具有特殊重要的战略价值。

    实际上,面向未来的能源转型,我国具有很强的体制优势。此前,我们把能源公司、能源装备公司、汽车公司以及很多研究机构都整合起来,成立了一个称为“中国氢能源及燃料电池产业创新战略联盟”的大平台。国家发改委、工信部、科技部等相关部委,都作为联盟的战略指导部门;反过来,联盟的研究工作将为国家提供相关的决策参考,使国家对氢能发展的战略布局能够更清晰、更宏大、更系统。而联盟的重点工作内容之一,就是相关法规标准的制定和完善;另外,也要集中攻关一些核心技术上的瓶颈,并进行商业模式创新的探索等。我们非常期待通过这个平台,从能源供给到产业应用,实现政产学研用紧密结合,共同推动氢能源及燃料电池汽车的发展。刚才您问到,氢能社会到底还有多远,我的观点是:如果不做,始终遥远;如果现在就开始全力以赴去做,那么很可能原来预计30年,实际只需要20年就实现了。

     

    赵福全:在中国的车用能源战略中,目前纯电动车作为乘用车的主要发展方向已成定局。燃料电池汽车后续也有很大的发展前景,但是技术创新也要考虑经济效益,如果不能快速实现产业化,再好的技术也无法真正产生价值。您认为燃料电池汽车从哪类产品切入,会更有利于其快速商业化?

    余卓平:我认为,除了环保优势以外,燃料电池最大的优点是氢气的能量储存密度要比动力电池高很多。所以,对重载、长途的大型汽车,燃料电池汽车一定是更适合的选择,因为大型汽车能耗很大,需要高能量密度的能源载体。从这个意义上讲,纯电动汽车并不适合长距离行驶。例如为了保证500-600公里的续驶里程,特斯拉要装载容量达60kWh的电池组,这是非常重的负荷;如果是大型汽车,就需要搭载更多的电池。

    汽车技术一个很重要的发展方向就是轻量化,因为移动运载工具自身的质量越重,能耗就越多。如果移动运载工具的能耗主要花在工具本身而不是载运的人员或物资上,这是非常不经济的。所以,我认为纯电动汽车不适用于长途行驶的大型汽车。如果是上下班的代步工具,每天续驶里程只有五六十公里的小型乘用车,那么纯电动汽车绝对是非常好的选择。而燃料电池更适合应用在重载、长途的大型汽车,主要是商用车上。

    需要说明的是,我认为燃料电池汽车和纯电动汽车并不是竞争关系,而是互为补充。在中小型乘用车坚持以纯电动为新能源汽车发展方向的同时,在不适合纯电动路线的大型商用车领域,完全可以优先发展燃料电池汽车。大型商用车每天的行驶里程很长,对于加氢基础设施的需求较为集中,非常适合燃料电池汽车初期的发展。

     

    赵福全:的确如此,燃料电池汽车商业化最佳的主战场是商用车。随着节能环保压力的不断增大,商用车也需要使用绿色能源,而纯电动技术路线应用于商用车并不适合,相比之下氢燃料电池技术路线可能是最佳的选择。氢燃料电池不仅能量密度高,相同里程下重量远小于动力电池,而且对加氢站的依赖也没有那么强,只需要合理布局、定点建设少量加氢站即可满足需要。

    最后一个问题,请您展望一下,2030年前后,燃料电池汽车会发展到什么规模?市场份额又会是多少?

    余卓平:如果中国明确出台氢能战略,无疑会加速燃料电池汽车产业的发展。可以想象,在未来城市中,物流车和公交车都会采用燃料电池,污染最严重的重型卡车也会逐步燃料电池化。能否早日实现这样的愿景,一是取决于国家战略方向是否明确坚定;二是取决于相关关键技术能否取得重大突破,目前重型卡车领域的燃料电池技术还不成熟。

    我们预测到2030年,在乘用车领域,燃料电池新车的比例可以达到约3%-5%;同时,在商用车领域的占比会更高。

     

    赵福全:谢谢余老师,时间过得很快。听了您的分享,我想我们应该对燃料电池汽车充满期待。中国是一个大国,随着经济总量不断增加,能源需求也日益增大,对于像氢能这样的清洁能源,我们理应积极探索。至于氢能会不会成为未来的终极能源,我觉得这只是一个说法的问题,现在没必要争论,但氢能作为二次能源潜在的战略价值之大超过想象,这是客观事实。氢能既可以丰富中国能源多元化的布局,减少对进口石油的严重依赖;又可以解决环境保护的问题,改变中国能源结构“重煤”的现状。因此,发展氢能经济和燃料电池汽车产业对中国具有重要战略意义。

    目前燃料电池技术已经取得重大进展,后续还会有进一步的突破,但发展燃料电池汽车面临的不只是技术问题。工程技术人员的作用固然重要,企业的投入也必不可少,但是还需要国家大战略的有力支撑,因为氢能与燃料电池的发展离不开基础设施,离不开完整产业链的布局,而这是由国家能源战略决定的,仅靠企业家和专家努力是远远不够的。国家应尽早制定并发布氢能源以及燃料电池方面的发展战略,并基于该战略,尽快制定、完善和出台相关的法规标准,让产业发展的方向更加明确,也让科研人员和工程师们在产品研发过程中有据可依。展望未来,氢能将成为能源体系中的重要组成部分,甚至有可能成为主流能源。大家普遍认为,未来氢能一定会是主要的供给能源之一。

    随着燃料电池技术本身的进步、制氢技术的进步、储氢技术的进步、加氢技术的进步以及产业化的纵深推进,相信氢能最终可以走进千家万户。在这个进程中,官产学研用各方有效分工、协同创新,将有力推动技术的快速突破和产业的健康发展。希望大家继续努力,共同打造一个更加绿色的社会。谢谢余老师!

    余卓平:谢谢!我们对未来非常期待!

    本文原载于凤凰汽车网


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