WNEVC 2021 | 同济大学教授明平文:中国氢能燃料电池发动机发展现状与机遇

2021年9月15-17日,“第三届世界新能源汽车大会”(WNEVC 2021)在海南国际会展中心盛大召开,由中国科学技术协会、海南省人民政府、科学技术部、工业和信息化部、生态环境部、住房和城乡建设部、交通运输部、国家市场监督管理总局、国家能源局共同主办。本次大会以“全面推进市场化、加速跨产业融合,携手实现碳中和”为主题,邀请全球各国政产学研各界代表展开研讨。

在9月17日上午举办的“燃料电池商用车示范应用与技术创新”主题峰会上,同济大学教授、科技部十四五氢能科技专项首席专家明平文发表精彩演讲(中国汽车工程学会副秘书长王菊代为报告)。

明平文主要观点如下:

明平文介绍了碳中和目标中氢能与燃料电池的作用,以及当前我国氢能与燃料电池汽车产业发展情况、未来技术规划和目标愿景。他指出,“氢-电体系”是全球共识的“碳中和”技术路线,“电驱动+氢能运载”是零碳交通的必然选择。同时指出氢能绿色制取与规模转存体系、氢能安全存储与快速输配体系、氢能便捷改质与高效动力系统、“氢进万家”综合示范将是下一步氢能与燃料电池汽车技术发展的方向。

以下内容为现场演讲实录:

很高兴今天能够分享一下新能源汽车发展的机遇和挑战。我们跟余卓平教授一起战斗过20年,看到燃料电池汽车取得了比较大的发展,昨天万主席的报告、部委领导的报告、还有一些企业家的报告都谈到燃料电池,可见燃料电池越来越受到重视。

今天想从四个方面进行介绍,第一个是背景,第二个是燃料电池发展的情况,第三个是氢能技术规划,科技部对氢能技术有很多支持,在报告里我也会介绍到科技部在研发方面以及燃料电池具体的支持情况,最后谈一下2035年的愿景,我们该如何发展。

2019年,习主席在贺信当中指出中国走绿色可持续发展道路,科技创新和相关产业发展,为建设清洁美丽的世界、推动构建人类命运共同体做出更大的贡献。昨天韩正总理也做了致辞,可见国家对新能源汽车的发展给予了很大重视。我国以氢为动力源的科技,越来越会受到重视,因为科技才能引领产业发展,而科技的发展主要面临经济发展的挑战。

现在提出双碳目标,对碳减排提出了非常严格的要求,提出了一些新的挑战,同时也是机会。从中国产业的发展路径来说,纯电动汽车是我们发展计划的重要选择,2010年国家推动新能源汽车逐渐走向市场,从2010年480辆左右开始,新能源汽车产量逐年增加,到2018年超过100万辆,2019、2020年连续产量都超过了100多万辆,新能源汽车的渗透率超过了10%,电动车是不可逆的过程。另外,提到碳达峰目标,我们认为纯电驱动一定能助力碳达峰,对于汽车来说按照技术路线图本身的碳减排还是有比较好的减排效果,但是利用低碳电网给电动汽车充电的话,整个减排效果也会更好。同时,国家提出2060年碳中和目标,从能源供给侧我们需要低碳化,大概到2060年左右,70%的能源将是可再生能源的水、光发的电作为我们的用电,所以清洁能源绿氢是我们未来主要的能源供给。

从全球来看,氢-电体系是全球共识的“碳中和”技术路线,很多国家提出碳中和目标。国际能源署大概在2050年实现净零排放,希望到2050年氢能的占比达到12%-18%,可见绿氢占比将越来越高,氢动力装置希望能够占比接近70%。除了国际能源署之外,其他许多国家也制定了路线图,欧洲、美国、日本均提出到2050年氢能占比接近15%左右,为了实现这样的目标,所有的发达国家都会持续投入大量资金来推动氢能技术发展,所以我们认为纯电系统加氢能运载是未来零碳交通的必然选择。

接下来,我来介绍一下燃料电池汽车的示范应用情况和产业情况。最早是在2000年之前,科技部支持燃料电池相关的研发工作,慢慢扩展到相应的技术链的支持,“十二五”引入汽车产业工程开发流程,同时也在全国做了一些运营示范和推广。“十二五”期间,燃料电池的电堆寿命突破5000小时,衰减率得到有效限制,燃料电池性能得到了很大的提升。“十三五”期间,燃料电池电堆还有BOP车规级研发也得到了国家的大力支持,目前燃料电池电堆、系统以及部分关键部件、材料逐步实现产业化,形成了华北、华东、华中、华南等产业集聚区,已经基本实现比较好的性能,部分企业已经出口国外。

大家可能比较关注车载氢系统,尤其是Ⅲ型瓶和Ⅳ型瓶。现在我们国家70MPa的Ⅲ型瓶已经投放市场,基本上满足市场的需要,另外行业也做Ⅳ型瓶的标准,过几年四型瓶的法规逐步投放市场。在科技部研发的支持下产品不断的迭代,车辆的运行情况、技术水平也得到了不断提升,乘用车最近有很多产品陆续进入到产品公告,包括长安、广汽把他们的燃料电池车做示范。长城也发布了氢能战略,明确提出能够推动全球新型燃料电池的SUV。

商用车也是我们燃料电池发展的重点。重卡成为运用的突破口,我们推出了多个产品,重卡49吨的卡车也在运行,从2016年开始燃料电池商用车销量也是每年在逐步提升。我们对2019年到2021年的燃料电池商用车车型做了一个梳理,2019年商用车还是以客车为主货车为辅,到了2020年占比都明显提升,2021年货车的比例更高,重卡比例高达42%,由此可以看出燃料电池商用车特别是重卡越来越受到行业重视。

截至到2020年底,全球燃料电池汽车保有量突破3万辆,我国7352辆,占据全球第三。我国燃料电池汽车已接入国家监管平台系统6002辆,累计运行里程突破1亿公里。基础设施关系到车辆的运营情况,这里也做了一个统计,2020年年底我国加氢站达到了118座,数量全球第二,第一是日本,日本建造的比我们早。从加氢站地域分布来看,广东、山东、上海加氢站建设数量较多;当前国内建成运营的加氢站以35 MPa为主,已有少量35 MPa、70 MPa加氢站。从加氢站类型来看,以专用加氢站为主,也有少量合建站,合建站是方向。刚才余卓平老师也提到上海、北京、广东都是作为示范的城市群,我想城市群被获批之后一定会推动燃料电池汽车的大规模商用。

大家也比较关心燃料电池产业链和技术水平。通过几年的示范我们国家核心零部件的技术水平得到比较大的提高,昨天韩正总理提出“解决燃料电池技术的瓶颈,使技术得到提升”。关键部件的技术障碍会成为行业比较关注的点,也希望各个企业投入更多的精力来推动研发,能够开发出更好的产品。

另外我们看一下未来的氢能预测,中国的氢能消费将分三步走,从移动式氢动力到分布式氢动力再到集中式氢动力,在推动分布式氢动力时希望利用住宅社区、商业楼宇、产业园做一些推广和示范,未来能够互联,能够满足我们国家战略的需求,局部建立一些大网来推动整个氢能的利用。

最早从1995年开始,科技部支持燃料电池的研发支持了很多年,“十四五”期间科技部也继续在交通科技专项领域部署了氢能技术的科技专项,这个专项从三个层面交叉融合推动“氢进万家”,并支持关键材料的研发从材料到核心器件到系统集成。国家会着重支持基础前沿项目研究、共性关键技术以及应用示范与规范,从研发到应用会推动这些项目,希望能够解决关键问题,主要是机理、还有化合态机理型研究,最后能够进一步扩大研究,包括氢能的多种能源制氢,包括规模储能。另外,国家会重点重视氢能汽车卡车的应用,希望能够达到电力网、管道网和运输网的状态。“十四五”的时候已经发布了,将从四个方向支持研发,一是氢能绿色制取与规模转存体系,氢能源绿色制取是未来的大方向;二是氢能安全存储与快速输配体系,关系到氢能是不是能够在全国部网;三是氢能便捷改质与高效动力系统;最后一个是“氢进万家”综合示范工程,氢能离我们老百姓越来越近。

最后谈一下2035年的愿景,包括IEA和很多的国家都推出2050年的目标。我们国家氢能能源占比达到20%,氢能的占比会助力我国碳达峰目标的实现,也会推动氢能技术的创新。我们大胆做一个预测,希望到2050年,氢能在我国能源消费达到10%左右。所以氢能是非常好的能源提供方,而燃料电池汽车是拉动氢能比较好的载体。

中国汽车工程学会制定了《节能与新能源汽车技术路线图2.0》,明确提出到2035年燃料电池汽车的保有量达到100万辆,我国双碳目标的提出对燃料电池汽车下一步的发展提出新要求,从国家层面对新能源汽车发展寄予厚望,越来越重视氢能燃料电池的发展。我想国家一定会在法规体系方面进一步的健全和完善,也许不久的将来会发布这样的战略规划,在这个规划里面提出氢能会纳入国家的战略体系。

另外,大家知道,我们也在制定汽车产业碳中和路线图,希望年底会发布这个路线图,将会明确的提出汽车产业碳达峰和碳中和的时间表,会把燃料电池商用车作为商用车领域一个比较好的技术路径提出来,也会提出相应的时间表和路线图。

除了在车辆应用端实现零排放,另外在来源端也要低碳零碳,制造环节也希望减少碳排放,包括应用之后的回收环节,我们希望整个过程都是低碳可循环的一个过程。

大家知道,燃料电池汽车现在的瓶颈之一就是成本特别高,相对传统的内燃机来说成本比较高,怎么找到比较好的办法来降低这个成本,我想车辆的规模化可以极大降低这个成本。我们预测了不同规模下燃料电池电堆的成本,可以看到50万产量的时候成本降低非常大,我们也希望通过规模化以及国产化推动氢能以及燃料电池的整个应用。希望规模化之后绿氢成本也能大量降低,与灰氢成本相当,希望在2030年绿氢成本能够真正的被市场所接受。

对汽车产业和交通道路来说,商用车的排放比例非常高,占整个碳排放的25%左右,所以说商用车减碳关系到汽车行业减碳,我们认为燃料电池重卡商用车一定会在减碳当中发挥巨大作用,预测在2050年超过50%的重型卡车将用燃料电池作为发动机。所以我想,接下来几年伴随性能和成本的下降,燃料电池汽车将从重卡商用车过渡到其他细分领域。

根据德勤的预测数据,到2028年,燃料电池重卡成本将与燃油重卡的成本持平。我们希望燃料电池产业系统进一步加强,希望车能、性能、技能和燃料电池行业加强协同,基础设施满足车辆的要求,所以车能协同是燃料电池汽车发展非常重要的方面。

另外,希望整个产业链向下协同,包括在整车、电堆系统之间综合考虑碳排放问题,希望产业链加强合作,希望能源公司、基础设施运营商,大家能够协同发展。

希望城市群也要加强沟通协同,希望企业强强联合,大家合力构建产业链,共同推进碳中和目标的实现,谢谢大家。

(注:本文根据现场速记整理,未经演讲嘉宾审阅)

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