清華大學李建秋:關於燃料電池應用現狀與前景

1月10-12日，2020中國電動汽車百人會論壇在釣魚臺國賓館隆重召開。本次論壇圍繞「把握形勢 聚焦轉型 引領創新」主題，邀請政府有關部門和汽車、能源、交通、城市、通訊等領域的行業機構和領先企業代表，就行業、企業、政策的轉型與創新展開深度研討。以下是清華大學車輛與運載學院黨委書記、教授，李建秋在本次論壇上的發言：

清華大學車輛與運載學院黨委書記、教授 李建秋

尊敬的各位領導，各位專家，各位來賓，大家上午好！非常高興有這麼一個機會給大家做一個匯報，關於燃料電池應用現狀與前景。我將匯報三個方面。

第一個部分是大家都比較熟悉的，所以我就快速的過了。目前在轎車動力系統方面全球來看，各家企業都在做，以典型的豐田為例，現在（MIRAI）已經累計生產超過一萬臺，這是現代的，這次也來了實車，這是本田的，這是奔馳，寶馬也在做，基本上轎車也在研發。我們國家轎車還是以純電動為主，從全球來看，現在燃料電池商用車的研發也開始慢慢的出現新的高潮，國內外在卡車方面都在做，這是尼古拉的，也有巴拉德的。通用他們提出了一個無人平臺的概念，用燃料電池作為動力的。也有大型的SUV、軍用的車輛採用燃料電池作為動力。在客車領域，尤其是我們國家現在發展的非常活躍，各種各樣的車。在材料領域慢慢也取得了突破，新一代的燃料電池發動機的鉑金用量在持續的下降。限制燃料電池汽車發展的，基礎設施也是非常重要的瓶頸因素，各家都在做這樣的工作。與此同時，我們也觀察到目前在國防領域，燃料電池也有升溫的趨勢。在無人機，在歐洲他們在潛艇上面開始用燃料電池。豐田月球車也準備用燃料電池作為動力，所以這些方面可以看到燃料電池在國民經濟和國防領域的應用會越來越廣泛。

下面重點匯報我們清華團隊在燃料電池這塊的一些研究進展。我們主要是做了這麼幾個工作，一個就是在多尺度建模和仿真方面，我們把建模和測試建立起來，能夠沿著流道方向的氣體濃度給它實時測量出來，反過來標定我們的模型，我們認為這件事情非常重要。一般建模你的那些參數怎麼取，能不能預測實際運行的情況，我們建立了從建模仿真到設計到驗證一個閉環的開發體系。

第二個就是聚焦於石墨雙極板的功率密度的提升，剛才我們幾位老師也介紹了，將來的燃料電池功率密度會持續的提升。通過提升功率密度來降低成本，我們認為根據我們現在的工作來看，明年我們認為石墨雙極板的功率密度這指的是額定，會到3-4 kW/L，到2025年石墨雙極板的額定功率密度是可以實現的5-6kW/L，我們最近突破了石墨雙極板精密加工的技術，這個流道越密，它的電流密度的均勻性會越好，電流密度更容易提升。與此同時，大家都知道我們清華的團隊在歐陽老師的帶領下，我們最早是做整車，後來到動力系統，再後來到做發動機，再後來到電堆，現在我們開始進入膜電極的階段。

最近我們也做了一點小的測試，國內自己做的膜電極加上高密度的流道，0.6伏的電流密度已經做到了1.78安培。現有的億華通的一般是大概1.3安培左右，這個性能提高幅度還是比較大的。這樣的話，為後面高電流的密度打下一個很好的基礎。在冷啟動方面，我們做到了零下30度，在張家口進行持續的驗證。耐久性方面，從一萬小時開始向兩萬個小時邁進。同時，企業的產業化現在也開始進入自主發展的階段，以前我們氫氣循環泵，空壓機，很多是必須要採用進口的零部件。但是從2019年開始，我們很高興的看到，國內很多零部件由於國內發動機整車上量，帶動了這些上遊的零部件，使得我們現在的成本會持續的下降，重量也會持續的下降。億華通新一代的發動機YHTG60SS發動機，60千瓦的已經降到120公斤。這樣的話，如果你去看，現在商用車一般都是用電動化，用傳統的比如柴油發動機或者是天然氣發動機來發電的話，不論是重量和體積，燃料電池都已經賽過傳統的發動機了。這是一個標誌性的技術進步，燃料電池這些年經過發展，它在冷啟動的性能，在發電的效率，在重量和體積方面，可以跟傳統的柴油發動機相當了。

歐陽老師也介紹了，燃料電池將來在我們國家大規模應用的前景仍然是替代商用車，尤其是柴油發動機，所以從這個角度來講，我們的工作是持續在這一塊往前推進。包括物流車方面，我們2019年一個很重要的進展就是推出了第三代物流車。這個物流車它的氣瓶也是在底盤上面，這樣的話，整個是不佔用貨艙空間的。我們認為這個將來也會成為市場發展的主流。

我們在19年一個很大的進步是在燃料電池長續駛裡程重卡的研發上面，突破了大功率燃料電池發動機的技術，大容量液氫儲氫的技術，以及大轉距，高轉距的電動輪組成的電動橋的技術，應該說從全球來看，在燃料電池重卡領域，同時具備研發這三項關鍵技術的只有我們這個團隊。我們就兩個五百升的液氫的儲氫系統，這是航天101所研發的，加起來可以到60公斤的儲氫量。35噸的重卡能夠跑800公裡。大功率的發動機是由我們億華通研發的，現在開始小批量製造，配套整車了，淨功率達到105千瓦。

整車是北汽福田正在裝車，大家可以看到電動輪一邊裝輪胎，另外一邊沒有裝輪胎。電動輪的特點是什麼呢？第一，它的所有機械接口和傳統的機械橋是一樣的，但是我們把電機直接集成到輪胎裡面。這樣的話，特別適合於我們重卡的領域。同時我們和101所合作，用我們現有的物流車，它的液氫儲供系統已經連續給發動機供氫做了測試，這個也是我們今年的一個比較大的進展。這樣的話，為我們重卡後面的調試打下了基礎，這是我們當時聯調的情況，也做了相關的測試。測試的結論，液氫儲供系統可以具備在車上使用的能力，為我們後面的重卡實車調試打下了一個基礎。

我們這裡也對長續駛裡程，尤其是五百公裡以上的重卡的性能做了一個比較，跟純電動相比，短途的純電動重卡開始產業化了，燃料電池瞄著三百公裡以上重卡的使用範圍，以五百公裡為例，燃料電池+動力電池+液氫儲供系統的重量大概是2噸左右。如果你要跑五百公裡，電池要一千度電，對應的重量是6噸左右，在國際上這是AVL的張圖，AVL有一個類似的預測，我們的觀點基本是一致的。在重卡領域，因為重卡本身的重量是非常重要的，大家知道重卡尤其是長途的重卡它的成本，一噸一公裡是三毛錢，如果你的車上多裝了一噸，一公裡要多付出三毛錢。動力系統本身的重量就決定了將來這個車有沒有競爭能力，所以這一塊我們認為燃料電池在這個領域將來會有很好的應用前景。尤其是跟我們液氫的儲氫系統配合，我們準備做一個續駛裡程一千公裡的液氫重卡。

將來燃料電池還會在飛行車輛和特種車輛裡面得到應用，比如我們現在也正在論證，將來會徹底改變我們人類出行的飛行汽車，現在有幾家已經在做了。600-800公斤的飛行汽車在它穩定的平飛的時候功率只需要40千瓦，這個跟我們汽車上的動力系統的功率是一樣的。如果我們用液氫儲氫系統，整個動力系統的重量大概130公斤，可以飛多遠呢？可以飛4個小時，發動機的淨功率如果是40千瓦的話，電堆的淨功率要50個千瓦，飛4個小時，大概輸出的電量是200度電。200度電，130公斤重，它的能量密度大概是1500瓦時/公斤。這個數大家都知道，我們動力電池現在系統的能量密度大概是200-300瓦時/公斤，這意味著將來長續駛裡程的飛行器也是燃料電池一個非常好的場景。

我們也調研了一下現在國內外做各種飛行器的，燃料電池本身技術還在持續的進步，我們預計到2025年它的功率密度還會做到6kW/L左右，如果按照這樣水平的話，將來飛行汽車的動力裝置就不再是瓶頸了。為什麼我們原來叫汽車系，後來改成車輛與運載學院呢？就是我們瞄準將來的運載工具不一定是在地面跑的汽車了，有可能是空中飛的，也可以在地面跑的，是這樣一個趨勢。

剛才所有的氫能專家也都非常認可可再生能源發電來帶動電動汽車的發展，叫做綠氫的製備，我們也是非常認可這個觀點。認為在人類的能源和動力的發展歷史上，前面已經經歷了兩個階段。就是固體的煤炭，推動了蒸汽機的革命，推動了航海技術的發展。到了一戰二戰之後，石油革命，柴油汽油推動機械動力。現在和將來應該是氫電的革命，完全脫離二氧化碳的排放，應對氣候變化。而我們國家在這塊是非常有優勢的，為什麼呢？因為我們國家三分之一的國土面積是戈壁和沙漠，這些地方完全可以用來產生風能和電能，把它變成我們可再生能源的生產基地。去年我們國家進口了4.6億噸原油，我們如果傳統的能源是要依賴進口的，反而將來如果把它轉變成可再生能源，我們可以把進口的壓力降下來。同時，又沒有二氧化碳的排放，應對氣候變化也是很好的一條路徑，所以從我個人來講，非常支持張家口搞可再生能源，剛才王副市長講了，700萬千瓦的可再生能源，足以可以支撐京津冀氫能和燃料電池汽車和純電動車的發展。

我的匯報就到這裡，謝謝大家。