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氫燃料電池汽車——汽車動力的革命
2018-5-25
來源:未知
點擊數: 4985          作者:未知
  • 新能源汽車是當今汽車技術發展的重要方向之一,而氫燃料電池技術作為新能源汽車技術的重要組成部分,在《中國制造 2025》、《國家創新驅動發展戰略綱要》和《能源技術革命創新行動計劃(2016-2030 年)》等國家、部委制定的各項發展戰略和相關政策中獲得了高度重視,氫燃料電池技術是中國汽車低碳化發展的重要方向。

    有專家認為中國氫燃料電池汽車已經開始逐步進入產業化階段,但是與發達國家相比,中國氫燃料電池汽車技術研發與產業化仍有很漫長的路要走,為此,《汽車技術》雜志、《汽車工藝與材料》雜志和《汽車文摘》雜志主編聯合采訪了李駿院士,就氫燃料電池汽車技術和產業化相關話題進行了訪談。

    李駿 1989 年畢業于吉林大學汽車學院(前身為吉林工業大學),獲內燃機工學博士學位,同年就職于中國第一汽車集團公司長春汽車研究所,2000 年后歷任中國一汽技術中心總工程師、技術中心主任、集團公司副總工程師、中國第一汽集團有限公司總工程師。2013 年當選中國工程院院士,2017年 12 月當選中國汽車工程學會理事長。

    期刊主編:李院士您好,很高興您能接受我們的采訪。據報道 2017 年是中國氫燃料電池汽車進入產業化的元年,能否請您談一下,發展氫燃料電池汽車的重大意義?

    李駿院士:我認為發展燃料電池汽車的戰略意義重大。首先,中國對國際社會做出了莊嚴的承諾,2015 年 12 月中國政府簽署了《巴黎協定》,承諾控制 CO2 排放,從而控制溫室氣體排放和保護環境。

    另一方面中國對進口石油的依賴度已經超過了 70%,這是最新的數據,化石燃料的能源供應模式不可持續。過度消費化石燃料也帶來了嚴重的環境污染問題,包括嚴重的霧霾,其中的顆粒物、二氧化硫、氮氧化物等污染物嚴重影響人類健康。從長遠的可持續發展的戰略角度看,氫燃料電池技術的研發對于中國低碳化、可持續的、清潔能源發展戰略意義重大。國內外的研究機構普遍認為全球能源發展邁入了氫能時代,相關研究機構也呼吁發展氫經濟和氫能源產業,不僅對汽車工業,對其他氫能源的使用者也會受益匪淺。氫燃料電池汽車的最大優點是零排放、能量轉換效率高、續駛里程長、加氫時間短,這是其未來發展的最大優勢。

    此外,2015 年國務院發布了《中國制造 2025》規劃,其中提出要大力推動重點領域突破發展,繼續支持電動汽車、燃料電池汽車發展的戰略目標。國務院 2016 年發布了《國家創新驅動發展戰略綱要》,在綱要的戰略任務中提到,發展引領產業變革的顛覆性技術,不斷催生新產業、創造新就業,提出開發氫能、燃料電池等新一代能源技術。國家發改委和國家能源局在《能源技術革命創新行動計劃(2016-2030 年)》中,也將氫能與燃料電池技術創新列為重點任務之一,明確把制氫、儲氫、加氫站、氫能分布式發電和氫燃料電池作為研發、攻關和創新戰略方向,把大規模制氫技術、氫氣儲運技術、氫燃料電池技術列為行動目標。

    總之,就是要打造利于環境的氫生態、氫能源、氫技術、氫產業和氫軍事一系列與氫相聯系的氫經濟與氫社會。

    期刊主編:國際上氫燃料電池汽車發展現狀是什么樣?

    李駿院士:國際上氫燃料電池汽車技術的發展比較早。美國能源部早在 2002 年就發布了氫能愿景,規劃在 2030 年實現批量成熟技術應用。2014 年日本也發布了《氫能源白皮書》和《氫能/燃料電池戰略發展路線圖》。2003 年歐盟制定《歐盟氫能路線圖》,發布了氫能與氫燃料電池技術發展愿景與規劃。

    近年來,由于各國的高度重視,發達國家氫燃料電池技術已經從產品研發與示范運行逐步進入產業化推廣階段。目前國際上具有代表性的產品包括豐田的 Mirai、本田的 Clarity 以及現代的 ix35 等已經實現量產化的典型燃料電池汽車,2017 年銷量超過 3000 輛,占當年燃料電池汽車全部銷量的幾乎一半,其他車企如戴姆勒、大眾、寶馬等也預計將在近期推出量產的燃料電池車型。

    期刊主編:我們國家與美國、日本和歐洲在氫燃料電池技術研發上有哪些差距?

    李駿院士:經過「十五」、「十一五」和「十二五」的科技攻關,通過產學研聯合項目,中國燃料電池汽車技術取得了一定的發展,在燃料電池關鍵材料,如雙極板、膜、催化劑等方面有了基本研發能力,在系統集成、系統控制和氫能基礎設施方面也有了一定的進展,特別是在 2008 年北京奧運會、2010 年上海世博會等重大活動上進行了示范展示,獲得了一定的經驗和公眾展示效果。當然中國氫燃料電池技術與發達國家相比仍有很大差距,主要體現在以下幾個方面:

    一是在氫燃料電池的雙極板、膜電極組件、膜與催化劑等關鍵材料技術方面仍有一定差距,比如催化劑 Pt 用量,國內普遍水平為 0.6 g/kW,而目前國際實際應用水平可達到 0.25 g/kW。而交換膜在國內仍處于開發階段,沒有進入產業化。在膜電極組件方面,目前國內最大電流密度為 1.5 A/cm^2,而目前國際先進水平接近 2.5A /cm^2。

    二是主要零部件成本居高不下,成為產業化的障礙。如膜電極組件成本約為 2000 元/kW,而國際水平已經達到了 16 美元/kW,大約是 100 元人民幣。

    三是整個電堆總成體積功率密度低、成本高,仍需要深度技術創新。國內電池堆體積功率密度約為 2.2 kW/L,而國際水平為 3.0 kW/L 或更高。因為核心零部件(膜、催化劑等)還主要依賴進口,目前國內燃料電池電堆成本約為 3000 元/kW,而國際單臺套成本已低于 1000 元/kW,按幾十萬臺套規模批量計算的話約可以達到 22 美元/kW。

    期刊主編:在材料和制造技術方面我們有哪些創新的空間?

    李駿院士:剛才談到燃料電池核心零部件,其中也應該包括關鍵制造技術與材料技術方面的創新,當然我們這方面與發達國家也存在很大差距,這也是燃料電池產業化面臨的障礙,國內各大主機廠也在開始這方面的研究。

    發達國家這方面的做法值得我們學習,如 2017 年美國能源部就膜電極組件、金屬雙極板、催化劑、膜和氣體擴散層技術以及低成本儲氫罐等關鍵零部件制造技術,組織大學、研究機構和主機廠進行了燃料電池技術經濟分析項目,對上述核心零部件在制造潛力和創新力方面進行評估,對核心零部件進行了制造工藝流程分析和操作分析,如雙極板的沖壓成型、激光焊接和涂層工藝技術分析,其中成本分析中雙極板 1 萬臺套可以做到每套 2.25 美元,10 萬臺套的成本已經可以降到 1.9 美元,降幅達到了 18%。

    技術經濟分析還包括如核心零部件對未來投資需求分析,對創造就業崗位的分析,對于國家氫能經濟發展的促進作用等。美國能源部對于燃料電池核心零部件的競爭力也做了分析,預計在雙極板、膜和壓力容器處于世界領先地位。

    期刊主編:氫燃料電池汽車也是一個龐大的系統工程,也涉及到共性技術,我們在行業上如何解決這些共性技術問題?產學研如何更好緊密結合?

    李駿院士:首先由中國汽車工程學會發起,成立了國際氫能燃料電池協會,目前主要發起人有:聯合國開發計劃署、豐田汽車、戴姆勒投資公司、本田汽車、加拿大巴拉德動力系統公司、上海汽車、中國一汽、美國阿貢國家實驗室等公司和研究機構。通過合作創新、信息共享,開展燃料電池汽車和氫基礎設施示范推廣活動;研究探討燃料電池汽車的商業化模式;完善相關激勵政策體系和標準法規建設;通過國際信息交流平臺和媒體宣傳等方式,開展科普宣傳和知識普及等活動,促進全球燃料電池汽車的技術進步和商業化推廣。

    第二,國家科技部等部委積極推進燃料電池核心技術科技攻關,成立了多個項目,由企業牽頭,聯合主要供應商、研究所和大學共同就共性問題進行科技攻關,解決科學和工程技術問題,如 2017 年由一汽牽頭的高比功率燃料電池發動機項目研發,組織了包括東風汽車、同濟大學、上海電驅動、大連化學物理研究所等國內從事燃料電池研發與生產的企業、高校、科研院所及零部件公司共同參與,打造燃料電池發動機產品平臺。通過這樣的合作項目,使我國的燃料電池汽車技術達到國內領先、國際先進水平,并可在行業內推廣應用。

    第三,通過這樣的大項目會派生出很多小項目,如雙極板、催化劑、氣體擴散層技術和儲氫罐等核心零部件的技術攻關,包括制造技術與質量保障方面等產業化發展的技術瓶頸攻關。

    第四,「十三五」交通領域科技創新專項規劃中提出深入開展燃料電池汽車核心專項技術研發,推進加氫基礎設施和示范考核技術發展,制定車用 70 MPa 氫瓶四型瓶標準,進行燃料電池及燃料電池發動機創新,建立測試評價平臺,提出發展無人機燃料電池、氫燃料,提出突破燃料電池汽車重點專項技術。

    期刊主編:氫燃料電池汽車產業政策方面有哪些可以促進行業發展的舉措?

    李駿院士:2016 年 12 月國務院頒布了「十三五」國家戰略性新興產業發展規劃,從國家層面上設立總體目標,提出推進氫燃料電池汽車產業化,規劃到 2030 年,氫燃料電池汽車達到 100 萬輛級。為實現上述目標必須開展氫燃料電池新技術研發,特別是要加強跨學科、跨領域的基礎材料與過程機理研究,系統推進氫燃料電池汽車研發與產業化。到 2020 年,實現氫燃料電池汽車批量生產和規模化示范應用。

    為實現上述發展目標,國家各部委相繼提出了各項政策,推動氫燃料電池技術的發展和產業化進程。如 2018 年 2 月,財政部、工信部、科技部聯合發展改革委制定了補貼標準,氫燃料電池乘用車最高補貼 20 萬元/輛,氫燃料電池輕型客車、貨車定額補貼上限 30 萬元/輛,大中型客車、中重型貨車定額補貼上限 50 萬元/輛。

    此外交通運輸部對氫燃料電池汽車免征車輛購置稅,財政部、國家稅務總局也提出對氫燃料電池免征消費稅。總之,國家的政策傾斜會大力促進氫燃料電池汽車研發和產業化進程。

    期刊主編:氫燃料電池汽車被認為是汽車能源動力的革命,您認為這會給汽車產業帶來什么樣的變化?

    李駿院士:氫燃料被認為是未來可能代替傳統內燃機動力的替代能源,由于它具有無與倫比的競爭優勢,發展燃料電池技術是中國能源多元化的重要選項之一。從產業的源頭制氫、運輸、儲存、分銷、加氫站建設,到核心零部件研發與產業化,需要很多工作,與傳統汽車產業鏈比有很大的不同,當然這是個漸進的過程。應從國家層面統籌規劃氫氣制取、運輸、存儲、分銷和使用。在加氫站建設方面也與傳統的加油站不同,這方面應該對標歐洲,從上而下制定全國加氫站規劃路線圖。

    在氫燃料電池汽車產品與制造技術創新方面,也應加強共性技術研發、培養創新主體。由于氫燃料電池技術的復雜性和產業鏈長的特點,需要政府和行業學會牽頭研發機構、大學、整車企業和零部件公司共同合作。

    氫燃料電池汽車的另一個影響就是移動的「發電機」,即氫燃料電池汽車也可以作為發電機,通過回輸電能調節大電網波谷,因為電動車約有 90% 的時間處于非行駛狀態,將燃料電池汽車接入智能電網,這對未來的電網也會有重大影響。

    期刊主編:為更好發展氫燃料汽車產業,在人才規劃和培養方面,我們應該如何做?

    李駿院士:可以通過國家科技部燃料電池聯合項目、氫燃料電池協會等,建立氫燃料電池發動機開發體系,形成氫燃料電池技術標準、開發流程,培養燃料電池人才隊伍,促進我國氫燃料電池汽車的快速發展。

    我們叫「四出」,即出技術、出體系、出能力、出人才。我們剛才談到氫燃料電池技術開發與傳統的內燃機技術開發又不同,需要跨學科,需要不同領域的技術專業人才,通過前瞻科研項目來培養我們的領軍人才。

    編輯整理:厚勢分析師伊龍馬

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