寫稿
投稿
2018年6月28日，由清華大學、中國電動汽車百人會與國際氫能委員會舉辦的“氫能產業創新發展論壇”在清華大學舉行，來自國內外政府與相關部門的領導、氫能產業研究的專家學者以及汽車、能源、等領域的企業代表進行了深入交流，探討氫能在交通方面的發展，建立產業化應用的生態體系，尋求其在交通、電力等領域的應用與商業模式。
中國科學院院士、中國電動汽車百人會學術委員會主席徐冠華主持了此次論壇；清華大學校長邱勇、中國電動汽車百人會理事長陳清泰為論壇致辭；全國政協副主席萬鋼，中科院院士、清華大學教授歐陽明高，中國工程院院士干勇，國家能源集團總經理、中國工程院院士凌文，液化空氣董事長兼首席執行官、國際氫能委員會聯席主席Benoit Potier、現代汽車副社長、國際氫能委員會聯席主席Yang Woong-chul，以及來自北汽、豐田、液化空氣、長城汽車、巴拉德等單位的嘉賓發表了精彩演講。
以下為中科院院士、清華大學教授歐陽明高發言實錄：
我的題目是“清華新能源汽車動力系統研究進展”。清華大學新能源汽車團隊是國家新能源汽車科技專項的核心研發團隊，也是中美政府間合作計劃清潔汽車研究聯盟的中方牽頭單位。
我們團隊聚焦的是建立新能源汽車動力系統技術平臺。不管是混合動力、純電動、燃料電池汽車，背后的核心技術都是動力系統，包括發動機、電池、電機、燃料電池。我們聚焦的就是這一核心。有了這些，我們既可以做純電動汽車，也可以做混合動力汽車，也可以做燃料電池汽車。
我們聚焦什么問題呢？聚焦三個核心的科學問題與技術瓶頸。對于動力電池，就是熱失控導致的安全問題，這是純電動汽車或者動力電池最大的瓶頸；對于燃料電池，我們重點研究性能衰減導致的壽命問題；對于多能源混合動力，我們重點研究內燃機燃燒導致的排放問題。前面兩個我概括介紹一下，燃料電池稍稍詳細一點。
首先，動力電池作為純電動系統最基礎、最核心的部分，也是燃料電池中重要的組成部分。我們在電池熱失控方面進行了比較全面的研究，建立了清華大學電池安全實驗室，聚焦高比能量動力電池熱失控問題。分別與日產、奔馳、寶馬、三星、SK、寧德時代新能源、廣汽、一汽、長安等進行了廣泛合作。
我們重點研究三個問題：第一，是什么誘發的熱失控？第二，熱失控反應機理及其防范技術是什么？第三，熱失控在整個電池系統，幾百、幾千只電池中間蔓延擴展的機理，以及阻斷它的方式？
首先，在熱失控誘因抑制方面，我們研發了熱-機-電綜合管理系統（擴展的BMS），在國內外一系列企業都得到應用。第二，在熱失控反應機理方面，我們發現了一些新機制，得出了一系列基本結論。首先，電池自生熱副反應引發的禍首我們找到了。熱失控溫度劇烈上升（可達1千攝氏度/秒）的主反應我們找到了——即正極釋氧與負極發生氧化還原反應。觸發這個主反應的情況比較復雜，我們正在一一進行研究。在熱失控蔓延的阻斷方面，我們研發基于模型的熱失控蔓延抑制熱管理設計方法，基于這個方法，我們培育的創業公司——北京科易動力，發明了高比能量鋰離子電池防火墻技術，利用這個技術，他們把動力電池系統比能量做到了國內最高，也比國際標桿的特斯拉要高，現在已經大批量的裝車。所配套的國產微型電動汽車續駛里程做到300公里以上，而且已經批量生產。目前寶馬公司在中國140家創新公司中間挑選出來的唯一一家電動化合作伙伴公司，就是這家公司——科易動力。
第二方面，關于多能源混合/增程動力系統及其優化控制概況。我們在混合動力方面一貫主張的是串聯式/增程式動力系統（目前大家所熟知的日產的E—Power動力系統就是這類系統）。我們的工作包括三個方面：第一，燃燒系統。我們發明了基于缸壓傳感器的發動機燃燒與排放反饋控制理論與技術；第二，在發動機總成方面，我們建立了發動機/電動機總成（增程器或者叫功率跟隨器）的優化設計方法。可以使發動機大部分運行在高效區而不是原先的散在大的區域范圍；在動力系統層次方面，我們研發了多能源一體化的混合/增程的動力系統，從這張圖上可以看到，電路是一個并聯系統，有一個電池，同時有一個發電機組，兩者共同給電機供電。這個系統我們已經實現模塊化、平臺化，并研發了系列化車型，包括油-電混合動力客車，氣-電混合動力客車，這些我們已經在中車時代電動等企業產業化應用并推廣到國防軍工特種車輛。當然我們也可以做燃料電池的氫-電混合動力，下面介紹。這就是我要介紹的長壽命燃料電池系統機理、模型與性能優化研究。這是清華的燃料電池動力系統的技術路線圖，第一個層次我們研發了燃料電池的混合動力系統，發動機是外協的；第二個層次，我們研發了燃料電池發動機研發，燃料電池的電堆是外協的；第三步，我們研發成功燃料電池電堆，燃料電池膜電極是外協的。現在，我們馬上要開始燃料電池膜電極的開發，已經組織了國際一流的研發隊伍。我們層層深入，技術鏈逐環解耦，我們稱其為剝洋蔥模式。
首先看燃料電池混合動力系統。早期的燃料電池客車以燃料電池直接驅動為主流技術路線。我們發明了能量混合型燃料電池混合動力，燃料電池只提供車用的平均功率，而車用的峰值變化功率由動力電池提供。這區別于豐田公司的功率混合型燃料電池混合動力。我們還發明了Soft—run商用車燃料電池混合動力功率分配控制方法，把劇烈變化的車用負載轉化成燃料電池功率基本不變，集中在穩定的功率范圍，這樣使燃料電池的耐久性成倍提高。我們早在2007年就實施了國際首例燃料電池客車氫-電系統帶壓碰撞實驗。我們關聯的公司研發的高壓氣態氫系統已經形成了系列產品，并獲得國家頒布的特種設備安裝改造維修許可證。我們研發了整個燃料電池混合動力系統并與企業合作開發了首批獲得國家產品公告的燃料電池城市客車。
這是我們從示范考核、應用擴展，到率先實現燃料電池客車成套商業化的路徑。2008年在奧運會示范，2010年在國外新加坡示范，2011—2012年聯合國UNDP全球清潔城市示范。2016配合企業開發的世界上首臺燃料電池有軌電車獲得國際氫能協會頒發的獎勵。2017年，我們配合企業開始燃料電池客車的商業化，第二階段，我們是做燃料電池發動機。利用內燃發動機電控技術優勢，研發了氫氣電控噴射與陽極再循環系統，發明了帶陰極再循環的燃料電池發動機空氣系統，。開發了燃料電池發動機的控制系統和燃料電池專用DC/DC，可以直接利用交流阻抗反饋膜的含水量。我們實現了商用車燃料電池發動機系統集成的技術突破，進行了三代產品開發。我們培育了國內首個燃料電池發動機上市公司億華通科技股份公司，并建立了北京燃料電池發動機工程技術中心，率先獲得百臺級客車燃料電池發動機銷售。目前，億華通科技股份公司的燃料電池發動機配套在燃料電池客車領域處于領先地位。目前的產品是我們完全采用自主電堆的新一代發動機。今年前四個月生產了燃料電池發動機150臺，預計全年銷售500臺左右。
第三方面，燃料電堆模塊研發。我們開展了電堆的設計優化，重點進行了雙極板的研發。我們堅持碳板技術路線，因為做的是商用車的長壽命燃料電池電堆。我們認為，從長壽命的角度衡量碳板還是有優勢的，我們實現了石墨樹脂復合材料雙極板的自動生產，現在正在建自動生產線，使雙極板的成本大幅下降。我們深入研究了電堆工程熱物理與狀態辨識技術，對于電堆“水-熱-氣”狀態失衡影響壽命的關鍵難題，發展了基于模型的堆內狀態估計與管理方法，并且開發出新一代商用車燃料電池電堆，初步進行了1千個小時以上的試驗，壽命超出預期。
我們還進行了電堆模塊的集成化工程開發，以滿足國家標準的各種要求。這是清華相關公司上海神力科技有限公司燃料電池電堆的系列產品，我們利用碳板實現了功率密度2千瓦/升（這對于碳板電堆而言，功率密度是很高的，豐田電堆功率密度3.1千瓦/升用的是是金屬板，我們從長壽命的角度考慮，金屬板用于轎車只需要5千小時壽命，而商用車必須要達到1萬小時以上，因為商用車一般來講運行壽命要求更高）。
關于長壽命我們有一個長期發展技術路線圖。2020年的壽命目標是1萬小時，2025年大于2.5萬小時。新研制的電堆壽命已經接近1萬小時這個目標，所以2020年產品的壽命應該會超過1萬小時。
下面是關于產業化的情況，首先，清華基金控股的北京億華通科技公司，2004年以來致力于燃料電池發動機的研發和產業化，實現中國燃料電池發動機批量生產，并具有自主知識產權和產品系列，2016年在新三板掛牌，實現中國氫能燃料電池公司在資本市場零的突破。
另外，我們有上海神力的電堆基地，實現了模壓石墨的雙極板批量生產，新一代燃料電池電堆的批量生產，同時建立了燃料電池電堆測試中心，面對全社會提供測試服務。還有張家口的燃料電池發動機基地和制氫基地。這是設在加拿大的研發基地，將率先在這里開展膜電極研發。
最后我說一下氫能燃料電池汽車的前景與挑戰。
這是奔馳公司給出的一個全方位的各種動力系統的比較圖。橫軸是能源消耗，縱軸是碳排放。這是內燃機、混合動力。綠色的是純電動，藍色的是燃料電池。從中間可以看出，如果以可再生能源為一次能源，在能耗方面純電動應該是更有優勢的。如果以天然氣作為一次能源，燃料電池的能耗會有優勢，但是二氧化碳仍然需要降低，要采取二氧化碳捕捉。所以，氫能是二次能源，節能環保效果與生產氫的一次能源有關，我們也不能說氫能是終極清潔能源。氫是能源載體，最后的載體一定會有氫和電，不可能把電排除。
這是豐田公司給出的一張圖。橫軸是行駛的距離，縱軸是車輛的速度，它給出的是在長距離重載運輸方面是燃料電池的優勢范圍。
這是現代給出的一張圖，就是面向2025年純電池汽車與氫燃料電池汽車的成本優勢對比。圖上轎車的成本圖，燃料電池是紅色，純電動是綠色。可以看出，在300—700公里之間，兩者的成本差不多。在500公里以內，燃料電池轎車沒有成本優勢。但是商用車用燃料電池在100公里以上就具備成本優勢。所以，我們目前的基本結論是，鋰離子電池系統更適合替代汽油機，氫燃料電池系統更適合替代柴油機。這是我們為什么聚焦燃料電池商用車的緣故。
說一下市場的前景，首先我們認為，市場要穩扎穩打，我們目前是從北方的寒冷地區商用車市場突破，這張圖是從北京到張家口的長距離實驗，這是在張家口交付的130輛大客車，面向的是2020年的冬奧會。我們認為，在北方寒冷地區燃料電池相對純電動更有市場競爭優勢。
第二個，如果燃料電池僅僅用于汽車，我認為革命的意義是不大的，所以我們必須從能源革命的角度來看待燃料電池，逐步擴展開拓固定式氫-電能源市場，研發光-電-氫一體化微網系統。這張圖是清華正在建設的光電氫一體化的微網試驗系統。我們認為，氫能燃料電池大有可為，而且跟儲能、純電動汽車、光伏構成綜合的高效清潔的而且分布式獨立的能源系統，將會給能源系統帶來革命性的變化。目前我們正與丹麥技術大學、日產、殼牌等合作，推進這方面的工作。把中國光伏的優勢、儲能電池的優勢結合起來，并把氫燃料電池結合進來，光伏發電可以用電池儲存，也可以制氫，，最后做成一個面向未來能源互聯網的分布式獨立微網獨立能源系統。
當前氫能技術落后于燃料電池技術，進展比較慢，我們需要全鏈條各環節氫能科學與技術的新突破。這張圖是選自長城汽車的一個研究，從能源生產、分配、運輸、加注等等環節很長、很復雜。目前存在能效偏低、成本偏高的問題，大家必須聯合起來，把這些關鍵技術突破。推進氫能燃料電池技術的規模商業化。
謝謝各位！
（根據現場發言整理，未經本人審閱）
