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2020泰达汽车论坛 |长城陈雪松:燃料电池汽车发展的进步取决于材料

时间:2020-09-07 18:32:33|来源:|编辑:网络|点击:

9月4日-6日,由中国汽车技术研究中心有限公司、中国汽车工程学会、中国汽车工业协会以及中国汽车报社共同主办的第十六届中国汽车产业发展(泰达)国际论坛隆重召开。9月6日,在以“氢燃料电池汽车前瞻技术展望”为主题的第三会场中,长城控股集团未势能源科技有限公司总裁陈雪松发表了精彩演讲。

以下内容为现场演讲实录:

尊敬的各位领导、各位专家、业界同仁和媒体界的朋友你们好!我是长城控股集团未势能源科技有限公司总裁陈雪松,非常荣幸受泰达论坛会务组邀请,能够在线参与有关氢能行业发展的研讨,同时也介绍一下长城控股集团在氢能业务方面一些研发情况。

我的报告分三部分,首先对于行业发展现状做一个简单的总结!然后对于发动机的性能提升和成本的下降,根据我们企业发展的情况做一些探讨,最后对氢能和氢燃料电池汽车未来发展做一些预测。

我拜读了衣宝廉院士在泰达论坛去年的演讲,当时提到了一些行业的数据,我把今年1-6月份数据跟一些相关数据做了一些对比,列到了下面这张表格里面,一共分10项。从这些数据对比来看,明显感觉到氢能和氢燃料电池这个行业,它热度是有明显的提高。从从事这个行业的企业数量来看,去年大致是接近400家,今年已经增至519家。另外各个地区和省市发布有关氢能的一些政策,去年有36个省市,今年增到了47个,从规划项目市值来看已经超过了1万亿。

但是今年上半年从燃料电池车辆产销来看还是有比较大的下滑,去年同期累计的上半年大致是1400辆左右,今年可能是只有580辆左右,主要原因有两个。一个是受疫情影响,还有一个在今年上半年大家期盼已久关于氢能国家对于这方面的新的政策还没有发布,希望能够在下半年新的政策发布明确以后,这个行业在车辆方面的数量会有一个很大的增长。

但是,在加氢站建设方面,实际上进程还是蛮快。去年全国累计的加氢站大致是61座,今年在规划或者在建,或者已经投入运营有加起来有80座,增长大概是31%。从产品开发来看,从技术的角度,我们国家现在国产的大功率的发动机,以及发动机里用的这些核心零部件,比如说电堆、空压机,氢泵,还有电堆里面核心的膜电极、双极板。再有就是车载储氢的,比如高压的储氢的系统,就是氢瓶和氢瓶阀。

在这些核心零部件方面,其实是取得了很突破性的进展。因为原来在大功率电堆或者发动机方面,实际上有很多是我们国内的企业达不到的。比如说我们的功率在去年上公告里面,超过100千瓦的发动机是没有的,今年有几款已经上了公告了。这些发动机它的性能参数也有很大的提升,比如说它的功率密度,去年大致是每升400到600W,今年有的产品已经达到了600到800W。催化剂的用量也在逐渐下降,去年可能是大家用的每千瓦用0.5毫克的铂的催化剂含量,今年基本上都可以做到0.4。

从设计的寿命角度,去年在实验室的数据可以证明达到1万小时以上,今年能够达到1.5万甚至更高,但是这些数据在实验室有的支撑,但是在整个车辆上还是需要时间。通过这个示范的车辆不断的增多,对这个技术进行各个方面的验证。

第四个方面,在产业链氢的供给方面,产业链的上游产氢和下游用氢,这个成本是比较关键的。对于客户能够接受你这个产品,使用的成本,氢气的价格也有很大的下降,各个地方用氢是不一样。比如说在广东的佛山和江苏的如皋,地方政府出台的政策都是保证你加氢能够,今年或者以后能够每公斤30元,去年说的是40元,当然有一些商业的运营,在没有政府补贴下成本还是比较高,有时候60到70元这么一个水平。但是从技术角度来说,能够达到每公斤20元的这么一个成本还是可能的,比如说美国有一个Nikola它做卡车,它的商业模式里面用电解水制氢,它的成本可以达到20元以下。

总体来说,这个行业从核心技术的角度,从零部件以上是国产化的程度比较高,从它的性能这些指标来看,跟国外一些先进的车企,它在车辆上的指标基本上还是在同一个水平。研发这个核心的技术,从企业这个角度和产品的角度还是要通过客户的需求来定义我们要开发什么样的技术,解决这些问题还是要靠体系和平台,因为它是一个系统的工程。

比如说我们整车要针对某个应用的场景来定义它整车的性能,比如说它的经济性、寿命、舒适性、环境适应性、安全性这些,有了这些整车的定义,通过这种开发的体系进行分解,我需要什么样的发动机?发动机需要什么样的零件?甚至这个零件它最后采用什么样的材料?这样才能够最终保障我这个车辆全方位满足市场或者客户的需求。

举两个例子,比如说我们要做到零下负40度启动,那么储氢系统,高压氢气瓶释放的时候,温度可能降到部分地区负60度,采用什么材料?得事先定义好来进行去开发。还有一个寿命,到底用碳的极板,还是金属的极板,它的技术路线能达到什么样一个寿命,像这些都是在通过体系分解进行逐层的从下往上开发。有了这些材料,通过工程的设计进行零部件制作验证,然后再做系统的集成,最后进入整车做这些控制。

开发这些其实实际上从整车开发整个平台或者流程是有一系列的方法,我们常讲的人、机、料、法、环,这些体系化和标准化要贯穿于整个开发流程,以确保产品它能够达到你的设计目标。这里面需要各方面的,一些比如说,首先需要有虚拟设计的能力,工程设计,工程的产品,零部件的验证,最后才能够到整车的级别,逐级对你的全系列所有的材料和零部件、系统集成进行验证。

那么,长城汽车经过四年的研发攻关,目前从发动机这个产品已经是达到了国际和国内头部企业或者第一梯队这么一个水平,不管从功率、效率、寿命和成本都已经有很强差异化的竞争能力。当然这些特性,产品的竞争力来自于一些核心的技术,比如说我们发动机,它要实时对电堆这个核心零部件、电堆的健康状况进行动态的监控,确保它的可靠性。对于控制方面,采用多变量这些闭环的控制,可以提高它的环境适应性,通过这些氢系统和空气系统热管理系统这些模块化的设计可以降低成本。通过智能化一些算法和手段,可以提高它的经济性和寿命,当然必须要通过一些模块化设计才能增大功率的密度。

在整车开发领域,行业还没有到一定的规模,一般都是采用现有的整车平台,然后把动力系统和储氢系统能够整合,集成到整车这么一个水平。所以体积和重量也是非常重要。

刚才讲到发动机,发动机要产生动力,实际上也是像电池直接是产电的,燃料电池实际上通过电堆来产电,最后是驱动电机。发动机的核心技术就是电堆,电堆的功率必须也要达到一定水平,才能够使得发动机的功率能够实现最终要求。电堆国内现在超过100千瓦也有很多公司,现在说可以做到,像我们对标的国外丰田已经是销售的车,电堆大致114千瓦,国内有几家,包括长城已经有一系列的产品可以到115或者120、130甚至140都有了。从它的功率密度,比如说每升可以产3.3个千瓦以上的能量,也是没有问题。

国内企业如果是自主研发国产化零部件,对于进口的产品也是在成本方面有很强的竞争力。当然这里面核心的电堆的技术里面也有下一步电堆用的核心零部件,比如说它的电极、双极板这些,还有流程的设计,这都是这个行业这么多年不断的攻关,现在能够做到电堆的大功率,实际上是体现了这些技术达到一定的水准。

电堆里面刚才提到也有核心零部件,我只是提一下里面发电这部分,膜电极跟电池一样,也有正负极,我们管它叫阴阳极,是产电的核心一个部件。现在国内的很多几个企业,尤其新兴的企业,在这方面也有很大的突破。长城在这方面投入也很大,我们自己研发的膜电极的技术,建立的产业线,能够达到100万片每年,可以满足几千辆车辆的需求。这里面的技术,因为时间关系不去细解释。

总体来说,它的成本是最关键,这里面一般做成本分解的时候,有这么三个50%,大致就是电堆是发动机的50%,电堆里面的成本其实50%是核心零部件,比如说膜电极和双极板。膜电极和双极板,比如说膜电极这里催化剂、膜,还有碳纸这些我们它叫核心材料,其实是占这里面比例更大,达到70%。咱们国家现在从零部件这个往上是可以的,但是从核心材料,就是刚才提到这三个关键的材料,国产的也有,但是比国外进口还是有一定的差距。

但是这些材料经过不断的进行迭代,最终还是能够跟国外进口的产品进行比拼。另外一部分就是车载的供氢系统,供氢系统的话实际上大家很关心,就是安全。我们搞的高压瓶、瓶阀、减压阀,从安全的角度实际上制定了很高的标准,首先我们企业标准要高于国家甚至国际的标准,比如说寿命的循环,国家标准要求15000次,我们都测到25000次。它的温度范围比如说负40度,我们都测到负60度,这些都是保障氢的安全性,我们有很强大的实验中心,所以在疲劳实验,整个寿命周期,包括很多环节都是有严格的考核。设计的安全系数也是非常高的。   

大家现在感觉这个行业发展的很大的瓶颈一个是氢,一个是加氢站少用氢贵,再一个车辆也是比较贵,从成本要素来说,从发动机这个角度,实际上分析它的成本还是主要这么几个部分。一个就是刚才讲的电堆,它占主要的,为了保障空气的供应、氢气的供应,这里面有空压机也是比较贵的,氢循环这里面这个回路比如说氢循环泵也是比较贵。但是从分解,我们从几百套、几千套、几万套、几十万套这么几个级别如果我们去看这个事情的话,最终实际上核心的主要要素还是电堆。这张表橘黄色就是电堆,随着量的增加,总的成本会下降。如果是说每年都是有20%到30%这么一个水平下降的话,随着量的增加,最终能够实现总的成本能够和乘用车内燃机进行对标。当然这个时间周期可能会很长,比如我们“十三五”做了技术攻关,我们“十四五”可能很多都是成本质量,到最后2030年真正大规模商业化,整个成本可以和传统车和其他形式电动车进行比拼。

在成本分析方面,我们做了一些工作,就是根据美国能源部每年发布成本下降一个趋势和模型,他们能源部发布通过规模可以降92%,技术进步是8%,同样的模型我们应用到中国这个实际数据,发现一个很有趣的现象,通过规模能够下降,但是不能到这么高,大致60%左右,很大一部分还是靠技术进步。这里面有一个原因,就是我刚提到的材料,因为现在如果你用进口的材料,你的材料在成本占的比例比较大,通过规模是解决不了,规模是解决成品率,解决设备摊销,人工摊销,通过规模可以急剧的下降,但是材料通过规模的增长是不会有下降。所以,中国未来真正实现商业化,必须有核心材料的突破

回顾了一下整个行业发展,实际上它的进步确实取决材料,这里面刚才提到质子膜、催化剂、扩散层,查了一下从上个世纪60年代开始搞技术的商业化或者民用,因为最早是用在航空航天不计成本,是非常高的,随着行业民用的研发,实际上这些材料可以看出这些曲线,是从成本方面是几个数量级的下降。比如说膜原来很厚,原来是毫米级,现在都是微米级,催化剂的颗粒也是一样,现在都是到纳米级,随着这些材料的进步,使得这个行业成本还有技术水平是在不断的提高。

对于行业的预测,因为时间不多了,我就简单说几个方面,一个是从能源这个角度,氢能在未来能源结构中会有很大的作用,因为每个国家现在都在面临着在能源结构里面怎么样减碳。咱们中国还有一个能源安全和环境的治理,所以氢能加燃料电池这种洁净能源使用和产电的方式,在未来连接能源领域和交通领域这两大行业是非常有效的重要途径。数据显示世界上最终的到2050年,整个氢能在能源结构会占18%,中国的预测可能不会有那么高,但是也能占到10%,能够达到每年年产氢6000万吨,这样可以减少7亿吨的二氧化碳的排放,产值也会达到12万亿。

我们对氢价与电价、油价做了一个对比,根据这个模型计算,我们到2023年氢的价格就会跟汽油差不多,2030年就跟柴油差不多,到2032年可能跟电价差不多,到那个时候2050年可能氢差不多就是十几块钱这么一个水平。大致是一个什么概念呢,如果乘用车跑100公里,可能就是十几块钱。这个氢的应用,现在是各种车型都在探索,现在阶段我们认为在中大型和SUV这个方面,实际上它的场景还是存在的,从全生命周期这么一个角度来评估应用领域。

因为氢的供应体系不那么普及,对于燃料电池车辆的使用种类,我们预计在2025年之前,主要还是在这种定点、定线、定区域商用车应用场景,但是在这些供氢设施完备以后,乘用车实际上还是一个最大的市场。这里面我们也排了一下序,能够渗透到不同的车型,最早我们一些叉车、大巴,然后最后是乘用车或者重卡这一类。

最终,简单总结一下,氢能的燃料电池其实它是一个很好的储能,然后是能源的结构升级和动力转型这么一个重要的途径。中国氢能行业发展,通过规模的扩大,是有助于降本和通过示范作用对于技术不断的迭代也有很大的帮助。另外一个,我也前面提到中国最终没有补贴实现真正的商业化,必须要突破核心材料,不能够依靠进口。最终我们现在只讲车辆方面,实际上氢作为能源用燃料电池发电,它可以用在很多领域,只要是需要电。比如说在热电联供,还有大型的电源,这些方面或者是车、船、航空都可以使用。

因为时间关系,我的报告就以上内容,如果需要更多信息,大家可以扫一下二维码,谢谢大家聆听。

(注:本文根据现场速记整理,未经演讲嘉宾审阅)

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