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攻坚电动车燃烧爆炸世界难题,比亚迪广汽技术有潜力

网易科技 2021-07-07 15:55

图虫创意-991952151959568463.jpeg

编者按:本文来自微信公众号网易科技(id:tech_163),作者/章剑锋,创业邦经授权转载,图源:图虫。

美国拜登政府宣布要拿出1740亿美元来扶持美国电动汽车的发展,确保不会在这条赛道的国际竞争中落于下风。

中国则在《新能源汽车产业发展规划》中明确提出,到2025年,新能源汽车新车销售量要达到汽车新车销售总量的20%左右,再经过15年努力,使新能源汽车核心技术达到国际先进水平,质量品牌具备较强国际竞争力。纯电动汽车成为新销售车辆的主流。

“世界各国均在发展电动汽车,但风口还是在中国。2020年,电动车的世界保有量超过1000万辆,其中450万辆在中国。”中国工程院院士衣宝廉对网易科技《科学大师》说,中国是汽车最大的消费市场,也是电动车保有量最多的国家,“车型也最多,不仅有乘用车,还有商用车。”

电动汽车强国目标的实现,要靠强大的技术实力支撑,中国电动汽车发展背后的推动力量之一,就是像衣宝廉这样一批科学家,为技术研发埋头苦干、咬定青山不放松。

电动汽车要发展,离不电池研发这一核心和基础,目前在电动汽车上普遍应用是锂离子电池,尽管有各种优势性能,但锂电池也以安全性差、成本高、里程焦虑等缺陷而困扰着电动汽车的进一步发展。

这时候,衣宝廉的研究领域——氢燃料电池就被人们寄予越来越多的期待。

衣宝廉,是中国工程院院士、中国科学院大连化学物理研究所研究员,并先后担任过全国燃料电池与液流电池标准委员会主任委员、国家863电动汽车重大专项专家组成员和燃料电池发动机责任专家等职务。历时50年,坚守在燃料电池科研一线,成为中国现代燃料电池研究、应用及产业化的主要奠基人之一。

中国目前正掀起一股氢能热,新能源汽车产业发展规划中提到的“三纵三横”研发布局中,燃料电池汽车和燃料电池是其中的“一纵一横”,国家战略目标设定是在15年后,燃料电池汽车要实现商业化应用。

2022年北京冬奥会,据悉将有6种款型一共212辆纯国产氢燃料电池客车会投入运营(科技日报)。

氢燃料电池之所以受欢迎,是由于它在使用过程中能做到零排放、零污染,不需要加油和充电,也不需要消耗其他的能源,有空气和氢气就可以实现动力转化,同时它的成本和回收技术都在向较为理想的方向发展。中国汽车工程学会一项资料提到,相比于锂电池,氢燃料电池有能量密度高、续航里程长、负载能力强、加氢快等优势,而在今年,从上到下各地政府纷纷行动,将氢能及燃料电池列入重点发展行列。

衣宝廉早在1960年代就涉足燃料电池研发,当时他所在的中科院大连物化所团队承担载人航天飞船上主电源——燃料电池的研发任务,经过近10年的努力,研制成功碱性氢氧燃料电池系统。但受建国初期国内时局的影响,此项目后来被撤销,团队被解散。

当时,德国利用燃料电池做辅助动力源的AIP潜艇已经下水服役。衣宝廉告诉《科学大师》,他从这件事中感到燃料电池在需要高能量密度的特殊场所会有用武之地,所以任务虽然撤销,他还是与愿意留下来的几位同事一道,继续进行燃料电池研究。

冷板凳坐了十多年,到1988年,受石油供应紧张等形势的影响,燃料电池的研发在国内又重新热起来,国家又开始支持研发。

守得云开见月明,衣宝廉的运气又来了,他申请到科技部与中国科学院联合支持的燃料电池技术九五攻关研究课题,研发质子交换膜等燃料电池,在国内首先组装成功千瓦级质子交换膜燃料电池堆和三十千瓦燃料电池系统作为中巴车的动力源,并示范燃料电池车,掌握了专利技术,获得九五攻关任务(指全国科技发展九五计划)的先进个人。

2001年,衣宝廉被聘任为国家863计划“电动汽车重大专项”总体专家组成员和燃料电池发动机责任专家。

此后,衣宝廉又以科学家的身份领导组建了中国第一家专注于燃料电池产业化的股份制企业新源动力,担任董事长和总工程师,为燃料电池产业化探路。

2008年和2010年,他领导团队研制的燃料电池发动机在北京奥运会、上海世博会燃料电池示范汽车上获得应用。虽然示范成功,但衣宝廉承认,从实践来看,成本过高、原材料和部件被国外卡脖子,使燃料电池难以实现产业化。

除了核心关键技术的研发,氢燃料电池汽车要实现大量商业化还需要相应的基础设施配套,比如加氢站的建设和氢能的储运等。中国汽车工程学会称,目前中国可用的加氢站仅有寥寥数十座,无法支撑大规模示范运营,制氢、储运氢、加氢能环节成本也较高,氢能的生产、储运、技术要求等环节也还没有专门的标准可依。

国家新能源汽车发展战略提出,要在动力电池和燃料电池系统短板技术加以攻关,同时有序推进氢燃料供给体系建设。拥有国内最大制氢能力的两桶油之一中国石化也宣布,在未来五年里他们要建成1000座加氢站。

衣宝廉对氢燃料电池汽车的发展抱持乐观看法,他相信,不需要太长的时间,氢能车就会普及起来,覆盖更多的用户,“继续创新,争取成本继续降低,加氢站普及,燃料电池车可以进入轿车领域。”

电动汽车能否大发展取决于电池技术的突破/图源:网易科技

燃料电池轿车进入寻常百姓家,是能实现的

《科学大师》:目前消费者开的电动汽车,像特斯拉、蔚来、理想等等,用的都是锂电池,那氢燃料电池车,您觉得什么时候能走入寻常百姓家?要想实现大规模商用,您觉得需要克服什么问题?

衣宝廉:氢燃料电池的比能量高,可达到0.5—1.0Kwh/kg,是锂离子电池的2-3倍,所以它特别适合长距离运行的重载车。目前通过示范运行,已经证明燃料电池汽车运行的舒适性,运行里程和加氢时间等都可以和燃油汽车媲美。

但燃料电池汽车普及还受两个条件限制:加氢站的数量和密度、整车的售价,加氢站数量不够,布局不合理,就会影响到氢的储运和加注,继而影响燃料电池汽车的行驶里程;整车价格如果居高,普通消费者也很难有消费承受力。

我认为,要实现关键材料与部件批量生产,初步降低燃料电池发动机的成本,应该先商业化对加氢站依赖度低的商用车,特别是重卡车。

进一步依靠科技创新,简化电堆材料和系统部件,进一步降低发动机成本和对氢气纯度的要求,降低燃料氢成本,延长发动机寿命,结合加氢站进一步普及氢能发展,燃料电池也可以进军乘用车市场。

时间上,我认为最早也要到2030-2035年燃料电池轿车可能进入寻常百姓家。

《科学大师》:我们国家提出来,在未来的15年内,燃料电池汽车要实现商业化应用,您怎么看这个目标预设?

衣宝廉:目前我国是世界产氢和应用氢最多的国家,化石燃料制氢技术成熟,副产氢也多。碱水电解槽技术成熟,售价世界最低 。因此,我国具备发展氢能的一定条件的。比如可以先将副产氢利用起来,再利用弃风、弃光电源,离网电解水制备氢气。研发出对燃料电池具有毒性的杂质如硫化物、氨等的精准净化技术,用于燃料电池车,降低燃料氢的纯度和成本。

但我国在氢的储运技术上还有差距,如天然气管网掺氢(指氢的运输)正在试验,液氢生产正在合资建厂等。在应用方面,我国首创商用燃料电池车大规模示范和应用,已获得世界汽车界的认同。

2020年,财政部、工业和信息化部、科技部、发展改革委、国家能源局等五部委联合发布了《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》,对符合条件的城市群开展燃料电池汽车关键核心技术产业化攻关和示范应用给予奖励,形成布局合理、各有侧重、协同推进的燃料电池汽车发展新模式,为期四年。我认为通过五部委提出的大规模示范运行,可以解决关键材料与部件的卡脖子技术,并实现批量生产,大幅度降低燃料电池发动机成本,初步实现商用车商业化。

继而再经过4-5年的科技创新,可以实现燃料电池轿车的商业化,到2035年燃料电池车达到100万辆有保障。

明年的北京冬奥会燃料电池车的示范运行就是示范城市群的典型代表。国家很快会公布第一批示范城市群,北京、上海、广东肯定在示范城市群内。

氢能汽车大规模商用,须先解决三高瓶颈

《科学大师》:关于车用氢能的经济性,现在的成本高成什么样,主要是什么原因?

衣宝廉:科技部2001年成立电动汽车总体专家组,负责电动汽车重大专项。时任总体专家组组长是万钢(现为全国政协副主席、中国科协主席),我是专家组的成员。现在的新能源汽车“三纵三横”发展战略,就是当时总体专家组提出来的。

我国从20世纪末就发展燃料电池汽车,但发展速度比基础好的锂离子电池车慢得多。由于燃料电池基础弱,电堆功率低,万钢等提出电——电混合的技术路线,即燃料电池与锂离子或超级电容器电电混合,不但延长燃料电池寿命,还大幅度提高了燃料电池车性能,这种技术路线现在已为全世界的燃料电池车采用。

但一直到“十三五”开始,我们国家还存在关键材料与部件需要高价从国外进口的现实,这导致燃料电池发动机成本居高不下,每千瓦电堆售价近万元,发动机售价翻倍。

我们说燃料电池车现在存在三高:一是燃料电池发动机贵,导致车贵,是燃油车2-3倍,锂离子电池车1.5-2倍。二是燃料氢贵,一般售价是每公斤60元左右。三是加氢站建设费用高,每座达到1000-1500万。

所以尽管燃料电池车之前在北京奥运会、上海世博会很好地完成了示范任务,但产业化的路很难走通。

也是因为这个原因,国家五部委才会联合出台燃料电池城市群示范计划。

在双碳目标的指引下,国内24个省、市发布十四五氢能与燃料电池车发展规划。世界各国燃料电池车和知名制造商如加拿大巴拉德、日本丰田、韩国现代、德国博世等都以合资或独资形式进入中国。因此,我国在四年内解决关键材料与部件的卡脖子技术和实现批量生产没有问题。比如在本世纪初买一台燃料电池车的空压机要进口,20多万,还不好买到。现在国内已有近十家企业有产品,售价低于四万元。

我们既要忙于产业化发展,也要有持续降低成本的研发力量,同时还要有对核心关键技术进行攻关的能力,因为解决卡脖子技术并不意味着你就达到了国际先进水平。比如质子交换膜,我们有15微米的膜,美国戈尔公司已有8微米的复合膜,想装高性能的电堆,企业还得买戈尔的膜。因此我们不但要解决卡脖子技术,还要达到世界先进水平。

氢能汽车和锂电汽车不会相互取代

《科学大师》:在燃料电池和锂电池两者之间,会是什么样的竞争趋势?锂电池技术本身还能有发展空间么?锂电池车会被燃料电池车取代么?

衣宝廉:在本世纪初科技部支持研发电动汽车,成立重大专项,总体专家组制定技术路线,提出纯电、混合动力和燃料电池多元并重发展。但因为锂离子电池技术与批量生产均有较好基础,锂离子电池车就得到了快速发展。

经过示范,持续创新,锂离子电池车不但实现产业化,销量达百万量级,而且引领世界电动车进程,在中国还涌现出宁德时代、比亚迪等国际知名的电池生产企业。

但锂离子电池车还有续航里程短、充电时间长、燃烧爆炸等问题。现在在发展的换电站技术,可以解决充电时间长、里程焦虑等问题,但做到换电站普适性,还需要较长时间。解决燃烧爆炸问题,要寄希望于固态电池,这可能需要更长时间。但比亚迪的刀片电池、广汽的弹匣电池等技术,有望解决这一问题,我们还是等待大规模行车实验的结果吧。

如果后面用四年时间能解决卡脖子技术和关键材料与部件的批量生产,大幅度降低成本,到2025-2030年,燃料电池车可能在售价上接近锂离子电池车,在商用车方面能显示出优越性。

还必须创新,比如要靠创新简化电池系统和电堆结构,如去掉增湿器和扩散层,提高电池工作温度到150-200度,消除两相流,改进流体分配,提高电堆工作电流密度和比功率等。

现在看来燃料电池车和锂电池车大家都在进步,而不是谁消灭谁。未来锂电池车可能在乘用车、短程车上占优势;燃料电池车在长程、重载的商用车会占优势吧,燃料电池的比能量高,可达0.5—1.0Kw/kg,所以它特别适于重载长途车,燃料电池重卡现在是世界研发销售的热点。二者可以通过竞争相互促进,共同为碳中和贡献力量。

《科学大师》:有专家说,氢的“四个最”是靠研发无法改变的:体积能量密度最低的物质、最小的分子、最易泄漏、最宽爆炸范围,它的应用面临的不光是运输和储存难题,还有安全性,您怎么看?

衣宝廉:物质本性是不能改变的,但我们可以通过技术进步,找出合适的应对方法。

一方面,氢的体积能量密度最低,但它的质量能量密度高于石油和天然气几倍。人们可以将氢气加压储存在压力容器中,现在四型储氢瓶的储氢已达到6%左右,可以满足汽车应用。对重卡因为运行里程长,燃料电池功率大,最好采用液氢。

另一方面,对于安全问题,氢不但分子小易渗漏,还具有氢脆特性,因此要研发抗氢脆的材料,制备输氢管道和研发抗氢脆的涂料,改造天然气管网,用于掺氢运输。

对于安全问题,要利用氢的另外两个特性:扩散速度快、易检测。在可能有氢泄漏的地点,均安装氢气传感器,当氢浓度达到千分之五时,自动启动轴流风机,将氢气排除,确保安全。至今全世界有三万多辆燃料电池车在运行,还没有一辆车发生燃烧和爆炸事故。

燃料氢气储存在高压氢瓶内,只要发现燃料电池有故障,关上氢源,燃料电池不会发生燃烧和爆炸。

电动汽车技术在发展,不会败给燃油车

《科学大师》:里程焦虑您觉得现有的电池技术能够解决么?燃料电池据说在这方面优于锂电池,而在锂电池和氢燃料电池之外,有人也尝试用石墨烯等新材料来做电池,您觉得还会有更好的材料出现么?

衣宝廉:现在锂离子电池车是用换电池的方法解决里程焦虑问题,就是建换电站。但换电站要做到普适性,它的标准实行和电池企业能否接受密切相关,也需要时间。现在的换电站是汽车企业在做,仅自己的装车电池模块可以更换。

目前各方在研发先进电池,有的从材料考虑如钠电池,钠很丰富,不会出现材料短缺问题。有的从容量考虑,如锂-硫电池、锂-空气电池等,但要做到汽车上的应用,也还需时间。

《科学大师》:因为一百多年前就有电动车了,但电动车并没有竞争过燃油车,现在电动车又热起来,和百年前的情形有什么不同?

衣宝廉:电动车的性能主要决定于电池,电池主要指标是看体积比能量与比功率、质量比能量与比功率,还有它的安全性。一百年前的电池如铅酸电池,比能量就很低,现在才达到每公斤40瓦时,体积比能量就更低。因此电动车的性能和行驶里程无法与燃油车相比。

后来高比能量的锂离子电池的出现,首先在手机、电脑和各种电动工具获得成功应用。在本世纪初,十几千瓦的模块比能量已达每公斤80-100瓦时,用它作为轿车动力,一次充电可行驶一二百里,电动车开始再次兴起。

经过电池材料和结构的不断创新,今天电池的重量比功率已达到每公斤近300瓦时,与换电技术结合,已可以和燃油车加油、燃料电池车加氢相竞争了。

互联网公司入局造车,对电动汽车发展是利好

《科学大师》:和美国等国家相比,我们在电动车电池技术上有什么样的差异?大家在技术上有竞争么?他们的电池技术路线是什么样的?

衣宝廉: 中国引进美国电动汽车企业特斯拉,它生产的电动汽车在中国的销量远超中国企业如比亚迪,这反映出美国的电池管理和整车控制技术还是比较先进的。所以我国的电动汽车企业也要加快技术创新,促进电动车技术的进步,提高车的性能,并降低售价。

现在锂离子电池的主要生产企业均在亚洲即中国、日本和韩国。特斯拉也在用中国电池企业生产的电池。世界各国锂电池的技术路线大同小异,现在用液态电解质,为解决电池安全问题,又都在发展固态电池。

电动汽车为汽车智能化提供优越的条件,后面发展出来的智能化的电动汽车对软件、芯片依赖度更大。美国有软件、芯片优势,这在引进美国电动汽车企业特斯拉的产品上已有体现。所以我国的电动汽车企业要大力推进软件、芯片的研发与产业化,改进电池模块的管理系统与整车控制,保持电动汽车的领先地位。

《科学大师》:电动汽车领域上升到国家发展战略,促使更多的社会投资涌入,这对促进电动汽车的创新发展活力会有帮助么?

衣宝廉:我认为既要看到目前的新能源汽车发展的方向与势头,也要重视近百年的汽车工业基础与积累(指汽车企业的积累),把外行和内行的相互优势结合起来。互联网企业想进入造车行业,最好与传统车企合作,成立电动汽车公司,利用双方的技术优势,加快推进我国电动汽车的发展。

随着汽车向电动化、网联化、智能化、共享化发展,车辆的硬件成本与利润贡献占比降低,软件成本和利润贡献占比大幅增加,互联网公司在大数据、云计算、5G等技术上优势明显,大量进入造车行业,可以推动电动汽车快速发展。

资料援引或参考来源:今日科协、科技讯等。

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