從更廣闊的視野看待氫能燃料電池

文 歐陽(yáng)明高

專(zhuān)家簡(jiǎn)介：

歐陽(yáng)明高，1958年10月生于湖北天門(mén)。清華大學(xué)教授，汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)專(zhuān)家。2017年當(dāng)選為中國(guó)科學(xué)院院士?，F(xiàn)任汽車(chē)安全與節(jié)能?chē)?guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。長(zhǎng)期從事節(jié)能與新能源汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)研究。提出了發(fā)動(dòng)機(jī)電控高壓柴油噴射新方法，發(fā)明了毫秒級(jí)燃油壓力波精確調(diào)控技術(shù)。揭示了高比能量鋰離子動(dòng)力電池?zé)崾Э卣T發(fā)與蔓延新機(jī)制及抑制途徑，發(fā)展了質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)建模與狀態(tài)辨識(shí)理論，建立了燃料電池/動(dòng)力電池能量混合型動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與最優(yōu)控制方法。研制出系列新裝置與新系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。為我國(guó)汽車(chē)節(jié)能減排和新能源汽車(chē)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。曾獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)2項(xiàng)、北京市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)及何梁何利科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)等榮譽(yù)。

發(fā)展新能源和新能源汽車(chē)是大勢(shì)所趨

從能源的交通發(fā)展趨勢(shì)看，電動(dòng)化、低碳化、智能化是大勢(shì)所趨。

電動(dòng)化是動(dòng)力革命。電動(dòng)化是動(dòng)力革命，但不是能源源頭革命。油電混合動(dòng)力汽車(chē)、純電動(dòng)汽車(chē)、氫能燃料電池汽車(chē)都屬于電動(dòng)化。動(dòng)力革命目前正在推進(jìn)，而且技術(shù)逐步趨于成熟。

比如，近10年內(nèi)純電動(dòng)汽車(chē)鋰離子電池性能提高2倍以上、成本降低80%以上，這就是一場(chǎng)電池革命。中國(guó)抓住了這個(gè)機(jī)遇，如果沒(méi)有電池革命，新能源汽車(chē)不可能像現(xiàn)在這樣得到大規(guī)模推廣。

再如，氫燃料電池技術(shù)尤其是車(chē)用質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)，也取得了革命性的突破和進(jìn)展，業(yè)內(nèi)比較熟悉的就是豐田的燃料電池技術(shù)。預(yù)計(jì)在今后5年左右，燃料電池技術(shù)基本趨于成熟。

此外，油電混合動(dòng)力技術(shù)也不容忽視，它將在市場(chǎng)上占據(jù)重要位置，未來(lái)燃油車(chē)會(huì)以混合動(dòng)力的形式在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)持續(xù)發(fā)展。

以上3種技術(shù)路線(xiàn)孰優(yōu)孰劣，現(xiàn)在還不好下結(jié)論。從效率角度看，這3種相差不多。從全生命周期效率來(lái)看，也很難一較高下。

有人認(rèn)為氫燃料電池效率最高，那是基于以天然氣為能源的源頭計(jì)算得出的，如果將天然氣換成汽柴油則并非如此。以上3種電動(dòng)化所相配的能源，也就是燃料，都有各自的最佳組合，能夠達(dá)到差不多的效果，所以很難對(duì)比，這就需要借助第二“化”，即能源低碳化進(jìn)行更好地對(duì)比。

動(dòng)力和能源相結(jié)合能實(shí)現(xiàn)能源低碳化。低碳化，就是要減排二氧化碳，這就不得不提到風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源，尤其是光伏的發(fā)展?，F(xiàn)在光伏效率基本已突破20%，下一代技術(shù)是朝30%進(jìn)軍，而且發(fā)電成本和煤電不相上下。光伏既包括集中式光伏，也包括分布式光伏，現(xiàn)在分布式光伏發(fā)展更快。中國(guó)是世界光伏第一大國(guó)，集中了全球70%的產(chǎn)能?？梢哉f(shuō)，在可再生能源發(fā)展方面，中國(guó)處于世界前列。

選擇低碳發(fā)展道路，是中國(guó)政府向全世界的承諾，是能源生產(chǎn)與消費(fèi)革命的戰(zhàn)略思想，其中重要一點(diǎn)就是能源低碳化。如果把動(dòng)力電動(dòng)化與能源低碳化結(jié)合，就能使不同種類(lèi)車(chē)輛比出高低。因?yàn)橹挥写钆淇稍偕茉矗庞锌赡軐?shí)現(xiàn)真正的低碳或者近零碳排放。

在這個(gè)前提下可以發(fā)現(xiàn)，鋰離子電池、燃料電池搭配可再生能源的時(shí)候優(yōu)勢(shì)凸顯。其中，純電動(dòng)汽車(chē)更適合分布式可再生能源，筆者認(rèn)為，鋰離子儲(chǔ)能電池和分布式光伏是絕佳搭配，未來(lái)發(fā)展空間廣闊。

關(guān)于集中式可再生能源，我國(guó)很多可再生能源基地都建在內(nèi)蒙古、青海一帶，也包括張家口。之所以在這些地區(qū)建設(shè)可再生能源基地，是因?yàn)橄啾葨|部地區(qū)，這些地區(qū)光照時(shí)間長(zhǎng)、發(fā)電時(shí)間長(zhǎng)、成本更低，此外還有能源輸送等原因。對(duì)于這些可再生能源集中式基地，用鋰離子電池儲(chǔ)存并不是最佳選擇，相比之下，將其變成氫氣是全球認(rèn)同的主要的可再生能源儲(chǔ)存手段。

所以，可再生能源和鋰離子電池、氫燃料電池相結(jié)合有兩種途徑：分布式儲(chǔ)能需要鋰離子電池和純電動(dòng)汽車(chē)；集中式、長(zhǎng)周期、大規(guī)模的儲(chǔ)能需要?dú)淠芗叭剂想姵?。由此，汽?chē)動(dòng)力和能源緊密配合，從而實(shí)現(xiàn)能源低碳化，這也是發(fā)展新能源汽車(chē)的原因。

智能化將全方位整合能源、交通、信息。智能化是一場(chǎng)更大、更廣泛的革命，人工智能、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)等席卷全球，影響各行各業(yè)。對(duì)于汽車(chē)行業(yè)來(lái)說(shuō)，自動(dòng)駕駛、工業(yè)4.0、智慧能源、能源互聯(lián)網(wǎng)等都與之相關(guān)。對(duì)于分布式光伏和電動(dòng)汽車(chē)，最好的前景就是形成移動(dòng)能源互聯(lián)網(wǎng)。如今，手機(jī)已成為移動(dòng)信息互聯(lián)網(wǎng)，將來(lái)汽車(chē)會(huì)變成下一個(gè)巨大終端。

最近華為開(kāi)始進(jìn)入汽車(chē)領(lǐng)域，一方面是5G的發(fā)展將支撐起智能汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，另一方面是智能手機(jī)所有的應(yīng)用都可以在汽車(chē)上全方位使用，而且汽車(chē)是一個(gè)有更多零部件、更大產(chǎn)值、更綜合的系統(tǒng)。所以，將來(lái)的汽車(chē)有可能屬于ICT（信息和通信技術(shù)）行業(yè)，因?yàn)镮CT變成了汽車(chē)的核心。

電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化是全球汽車(chē)行業(yè)正在流行的“新四化”，但網(wǎng)聯(lián)化和共享化只強(qiáng)調(diào)了信息革命，沒(méi)有強(qiáng)調(diào)能源革命。如果所有的電動(dòng)汽車(chē)只要停駛就能接到智能電網(wǎng)或者由微網(wǎng)組成的能源互聯(lián)網(wǎng)上，那么儲(chǔ)能規(guī)模將無(wú)比巨大。2030年之后，新能源汽車(chē)保有量或?qū)⒊^(guò)1億輛，車(chē)載電池總能量將超過(guò)60億度，這是一個(gè)巨大的數(shù)字。

通過(guò)智能化，可以把能源、交通、信息全方位整合，也就是說(shuō)，未來(lái)社會(huì)將是綠色、低碳、智能化的社會(huì)，整個(gè)經(jīng)濟(jì)也將全方位轉(zhuǎn)型升級(jí)，所以要在這個(gè)大背景下談氫能燃料電池。

或許有人認(rèn)為這個(gè)設(shè)想太遙遠(yuǎn)，但我國(guó)最近正在啟動(dòng)《新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》的編制工作，按筆者的判斷，到2035年，包括混合動(dòng)力汽車(chē)、純電動(dòng)汽車(chē)、燃料電動(dòng)汽車(chē)在內(nèi)的車(chē)輛將成為絕對(duì)主體，占比在90%以上，能源低碳化和智能化（如具有各種自動(dòng)駕駛功能的汽車(chē)）也將成為主體。

中國(guó)是世界光伏第一大國(guó)，集中了全球70%的產(chǎn)能。

根據(jù)國(guó)家發(fā)改委公布的能源規(guī)劃，到2030年，我國(guó)非化石能源裝機(jī)量將達(dá)到50%；2035年將占裝機(jī)量主體。筆者認(rèn)為，到2035年非化石能源發(fā)電量也會(huì)達(dá)到50%，這是一個(gè)宏偉目標(biāo)，但并非遙不可及。

氫能燃料電池發(fā)展面臨多重機(jī)遇和挑戰(zhàn)

因此，必須在大背景下看氫能，定位氫能。氫能是未來(lái)可再生能源背景下的兩個(gè)主要能源載體之一，另一個(gè)是電能。當(dāng)然，筆者認(rèn)為電能還是能源主體，氫能不可能超過(guò)電能?，F(xiàn)在有人談氫能，往往把氫能和石油、天然氣、煤炭并列，筆者認(rèn)為這種談法不妥，因?yàn)闅淠苤皇且粋€(gè)能源載體，屬于二次能源，不是一次能源。在這個(gè)前提下，氫燃料電池目前的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)是什么？

從更廣闊的視野看氫能燃料電池的應(yīng)用。目前，我國(guó)正在修訂氫能燃料電池汽車(chē)路線(xiàn)圖，2016年曾發(fā)布第一版，當(dāng)時(shí)提出力爭(zhēng)到2030年，氫能燃料電池汽車(chē)總保有量達(dá)到100萬(wàn)輛、加氫站1000座。有人認(rèn)為，在目前的氫能熱潮下，這個(gè)數(shù)字定低了，筆者不這么認(rèn)為。如果僅僅從車(chē)輛上看，可能到2030年應(yīng)用更多的是商用車(chē)，對(duì)于商用車(chē)來(lái)說(shuō)，100萬(wàn)輛已經(jīng)是一個(gè)龐大的數(shù)字。

至于轎車(chē)，氫能燃料電池要想在短期內(nèi)全部取代純電動(dòng)轎車(chē)也不太可能，所以應(yīng)該從更廣闊的視野來(lái)看待氫能燃料電池。看待氫能，不能僅僅從車(chē)輛的角度看，更不能僅僅從轎車(chē)角度看，而應(yīng)從能源角度、從新能源角度、從可再生能源發(fā)展角度看待其更廣闊的應(yīng)用。

筆者認(rèn)為，鋰離子電池動(dòng)力系統(tǒng)更多的是替代汽油機(jī)，氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)更多的是替代柴油機(jī)。除了汽車(chē)之外，輪船、飛機(jī)、潛艇、火車(chē)、作業(yè)機(jī)械等都會(huì)采用氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)，應(yīng)用范圍很廣。

氫的儲(chǔ)運(yùn)是最大挑戰(zhàn)。關(guān)于氫能，我國(guó)現(xiàn)在面臨的最主要挑戰(zhàn)并不是燃料電池，因?yàn)榧夹g(shù)終將成熟；氫源問(wèn)題也不大，目前經(jīng)濟(jì)可行的氫源可以來(lái)自1000億度的棄風(fēng)、棄光、棄水，還有800萬(wàn)噸的副產(chǎn)氫。筆者認(rèn)為，挑戰(zhàn)在于氫的儲(chǔ)運(yùn)，包括車(chē)載儲(chǔ)存和車(chē)下的儲(chǔ)運(yùn)，找到經(jīng)濟(jì)、高效、可行的儲(chǔ)運(yùn)模式是發(fā)展的關(guān)鍵。

目前，我國(guó)的氫能科技滯后于燃料電池，現(xiàn)在使用的氫能工藝基本都是50年前，甚至100年前發(fā)明的，新的氫能科技還沒(méi)有完全成為主流的、大規(guī)模推廣的應(yīng)用技術(shù)。雖然我國(guó)有很多新的基礎(chǔ)研究成果，如光催化制氫等，但還需進(jìn)一步工程化、實(shí)用化、商業(yè)化。

目前全球公認(rèn)的車(chē)載儲(chǔ)運(yùn)主流技術(shù)是從燃料電池轎車(chē)發(fā)展中優(yōu)選出來(lái)的高壓氣氫，就是70兆帕四型高壓儲(chǔ)氫瓶。相對(duì)于三型瓶，四型瓶成本可以下降30%，而且全球的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)都圍繞這個(gè)方向制定，但中國(guó)在這方面還沒(méi)有成熟產(chǎn)品和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)。從中長(zhǎng)期看，面向2030年，尤其是針對(duì)長(zhǎng)途商用車(chē)，我國(guó)要發(fā)展液態(tài)儲(chǔ)氫或者中壓深冷氣氫。

至于氫能的儲(chǔ)運(yùn)，現(xiàn)在有固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)3種。目前還沒(méi)有合適的主流固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)；液態(tài)即氫液化是面向2030年我們要發(fā)展的，但近期很難大規(guī)模依賴(lài)；眼下主流的是氣態(tài)，問(wèn)題在于儲(chǔ)氫密度偏低，我國(guó)現(xiàn)在采用的是20兆帕儲(chǔ)氫瓶，國(guó)外已經(jīng)發(fā)展至50兆帕、100兆帕儲(chǔ)氫瓶，尤其是100兆帕儲(chǔ)氫瓶到加氫站可直接往70兆帕氫瓶加注，但國(guó)內(nèi)還不具備這一技術(shù)，因?yàn)樗鼘?duì)標(biāo)準(zhǔn)、安全等各方面提出了很高要求。

零排放的氫能燃料電池客車(chē)上路了

之所以我國(guó)遲遲沒(méi)有頒布四型瓶的標(biāo)準(zhǔn)，一是沒(méi)有成熟產(chǎn)品，二是對(duì)安全的檢測(cè)評(píng)估還不到位。在這方面，我國(guó)需要開(kāi)放創(chuàng)新，整合全球資源，建立中國(guó)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈，這樣才有可能解決我國(guó)氫能全產(chǎn)業(yè)鏈的一個(gè)中間瓶頸。

氫能燃料電池發(fā)展面臨多重機(jī)遇和挑戰(zhàn)

目前，張家口作為中國(guó)唯一的可再生能源國(guó)家示范區(qū)，是我國(guó)發(fā)展氫能燃料電池的重要地區(qū)，在鋰離子電池儲(chǔ)能、光伏等方面都有發(fā)展優(yōu)勢(shì)。

之所以選擇張家口為氫能燃料電池示范推廣基地，一是因?yàn)閺埣铱谑?022年冬奧會(huì)舉辦地之一，我國(guó)將在冬奧會(huì)期間加速應(yīng)用燃料電池客車(chē)，這是樹(shù)立張家口氫能與可再生能源品牌的良機(jī)；二是北方地區(qū)冬季溫度低，更適合推廣燃料電池汽車(chē)，供暖也可用燃料電池廢熱；三是考慮產(chǎn)業(yè)鏈整合和科技資源的整合。

氫能燃料電池發(fā)展需要?dú)淠芸萍嫉耐黄?，需要法?guī)標(biāo)準(zhǔn)的支撐以及復(fù)雜的檢測(cè)手段，這些都離不開(kāi)大規(guī)模的設(shè)備投入，張家口提供了一個(gè)良好的測(cè)試、研究、制定國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的基地。從國(guó)家角度看，需要有這樣的基地，氫能如果遍地開(kāi)花，很容易出事。當(dāng)前國(guó)內(nèi)三型瓶的壽命和充放氫的循環(huán)次數(shù)在7500～12000次不等，高壓容器檢測(cè)很復(fù)雜，必須進(jìn)行生產(chǎn)一致性評(píng)價(jià)。

此外，我們也希望把儲(chǔ)能電池測(cè)試、光伏測(cè)試、風(fēng)機(jī)測(cè)試等放在一起研究。這是借鑒了美國(guó)的做法，如美國(guó)有一個(gè)可再生能源與國(guó)家檢測(cè)基地，涵蓋了所有的相關(guān)內(nèi)容，因?yàn)橄嗷ブg需要耦合，如電動(dòng)汽車(chē)、鋰離子電池、光伏本身就構(gòu)成一個(gè)大系統(tǒng)。就像特斯拉，既銷(xiāo)售電動(dòng)汽車(chē)，也出售房頂?shù)墓夥囯x子儲(chǔ)能墻、超級(jí)充電樁，這些都是成套的，所以我們要把試驗(yàn)基地合起來(lái)建設(shè)。

氫能的發(fā)展需要全球共同努力，希望我國(guó)能夠以張家口為點(diǎn)，以點(diǎn)帶面，在全球樹(shù)立起我國(guó)的氫能品牌。