欧阳明高：从能源革命高度重新理解氢燃料电池汽车
“氢能是整个能源技术的前沿领域，而不仅仅是汽车技术前沿领域。如果仅从新能源汽车的角度理解氢能就比较狭隘了，车辆上的应用只是它的一个分支或突破口。”近日，在第一届中国·张家口氢能与可再生能源论坛上，中国电动汽车百人会执行副理事长、中国科学院院士欧阳明高不仅从技术角度全面介绍了国内氢燃料电池汽车研究进展及技术瓶颈的突破情况，更从能源革命这一更高更广的视野全面展望了中国能源体系的未来将如何演进。为业内外人士更深入了解氢燃料电池汽车的技术现状、更全面设计推广应用的商业模式乃至更好地把握能源革命大方向提供了有价值的参考。
国内氢燃料电池汽车技术有哪些突破？
“我们现在已经有 2000 多辆燃料电池车和 12座加氢站，未来几年还将继续快速发展。”欧阳明高认为，氢能燃料电池车的商业化应将首先集中在出租车、公交车、物流车和长途卡车领域。
然而从技术角度看，性能衰减导致的寿命问题是燃料电池系统实现商业化应用的一大障碍。清华大学的新能源汽车动力系统研发团队正聚焦这一课题，从长寿命燃料电池系统机理、模型与性能优化等方面尝试突破。
事实上从十几年前开始，国内包括清华大学在内的科研团队已经开始了对氢燃料电池技术的研发工作。据欧阳明高介绍，当时国内从研发氢燃料电池混合动力系统与控制、生产车辆做起，从采购国外发动机到自己研发出发动机，再到目前已经在电堆技术上取得突破，氢燃料电池汽车的技术产业链正一环一环实现突破。
据了解，在发动机层面，国内已经开展了一系列的核心技术攻关，包括总 体研究、仿真、端板设计等各方面；在零部件研发、在整机匹配、实验考核等方面建立了系列化的实验基地；在系统控制上，主要做法是将电池、发动机方面的控制技术转移过来实现对燃料电池系统的控制。资料显示，目前亿华通公司和清华团队已经一起开发出四代燃料电池发动机，并实现了批量化生产，最新一代的 2018 款 30 千瓦及 60 千瓦的燃料电池发动机，也已经通过相关国家检测机构的检测。
在电堆层面，国内研发团队也开展了一系列的工作，包括长寿命电堆的设计与制造、双极板的批量生产供应等。其中，电堆“水 - 热 -气”状态失衡是影响寿命的关键难题。据欧阳明高介绍，目前国内研发团队已经首次获得了膜电极两相水传递解析，建立了燃料电池降维动态模型，并发展出基于模型堆内状态估计与管理方法。而且，针对以前的双极板价格非常贵的问题，现在已通过自动化生产线方式大大降低了成本。
以与清华相关的一家公司神力的 产品为例，其 SL-C系列电堆已具备不增湿、高功率密度、耐低温、长寿命等特征，可广泛应用于客车、物流车、乘用车、备电等领域，其零部件可以实全国产化。通过第三方检测，持续功率密度达到2 千瓦/ 升。欧阳明高特别指出了其寿命长的优点，“我们重点用在商用车，使用碳板，强调长寿命，而其他一些同类产品使用金属极板，他们强调高功率密度，两者不一样。”
“目前膜电极还是采购全球最好的，下一步我们将重点攻关膜电极，包括其规模化生产。”欧阳明高表示。
为什么选择“混合”技术路线？
值得一提的是，在国际上燃料电池客车动力系统以直接驱动为主流技术路线的早期阶段，中国另辟蹊径选择了“混动路线”，即发明了能量混合型燃料电池混合动力系统（大燃料电池加功率型蓄电池）。欧阳明高指出，这一路线的优势在于可以减少对燃料电池的功率要求，提高燃料电池寿命。此后，北京公交的实际使用的效果表明，这一混合系
统可以使城市公交在工况大范围变化的情况下，保持燃料电池的恒定功率，使其寿命提升一倍。
目前这一燃料电池混合动力系统包括燃料电池发动机控制系统、电池系统、电机驱动系统等，现在已经在国内推广。例如，福田汽车自2006 年开始与清华的团队合作，现在已经有能力自行生产这套系统。中国的这一做法逐渐引领潮流，现在国际上不少企业都采用了这一路线。
如何选择车辆推广的突破口？
当前国内推广的新能源汽车以插电式混动车型及纯电动汽车为主，氢燃料电池汽车在示范应用上如何打开自己的局面？欧阳明高提出一个建议，“稳扎稳打，从北方局部商用车市场突破。”
与纯电动汽车相比，燃料电池汽车更适用于北方低温城市。欧阳明高解释说，因为在低温环境下，现有动力电池由于极化原因会大大降低行驶里程，再加上取暖等问题，使得纯电动车型在北方低温城市的推广更加困难，但这对氢燃料电池车型而言反倒更容易实现。
在北京奥运会、上海世博会、广州亚运会、深圳大运会等重大活动期间，氢燃料电池汽车已经在国内经历了小规模的示范考核。在新能源汽车推广财政补贴政策和科技部与联合国开发计划署国际合作项目的支持引领下，氢燃料电池汽车以客车、物流车等商用车型为先导陆续在全国范围内启动了示范推广。
统计数据显示，目前北京的60 辆氢燃料电池客车已投入运营，主要用作企事业单位班车及摆渡车。而在北京北部的张家口已经有一支全球单一城市最大的燃料电池车队，74辆燃料电池客车在今年上半年投入使用，年底陆续还有新增车辆进入。
在基础设施方面，国内第一个加氢示范站—北京永丰加氢站已于2008 年配合北京奥运建立。当前在运营的加氢基础设施已有12座，正在建设中的近20座。而且，借着2020年冬奥会契机，已落户张家口的亿华通公司又与中石化结盟，深耕氢能基础设施布局，将大规 模建立加氢站。据欧阳明高透露，未来还会在连接北京和张家口的道路上建立相应的加氢站以支持长途运输。
他预计，到 2025 年，随着 PEM燃料电池技术的成熟，行驶里程在350公里以上的燃料电池轿车比纯电动轿车在价格上更有优势。
如何从能源产业链高度设计商业模式？
“从本质上看，氢能和燃料电池是一个完整的产业链，仅凭燃料电池汽车是不可能实现产业化，产业化模式除了燃料电池之外，还应包括整车、发动
机和电堆，进一步扩展就是氢燃料。”欧阳明高指出，氢能是整个能源技术的前沿领域，而不仅仅是汽车技术前沿领域。如果仅仅从汽车技术理解氢能就比较狭窄了，新能源汽车仅是它的一个分支或一个突破口。
由此可见，要设计出氢燃料电池汽车推广应用的商业模式，要从整个能源产业链的高度出发。这更有助于系统解决氢能及加氢站基础设施问题。
目前，用于燃料电池汽车的氢能的制、存、运过程中存在的种种问题以及加氢站的普及都是影响氢燃料电池汽车推广的主要障碍。“氢能的主要来源应该是可再生能源，而可再生能源也需要氢能进行储能，所以两者是相互需要的，只有这样氢能才真正具有战略意义。”欧阳明高表示，清华团队及相关企业选择了与跟可再生能源结合的路线。例如在加氢站建设方面与原有的加油站结合。
在氢的来源上，目前制氢方式多种多样，但欧阳明高认为，“对中国而言， 氢能的来源主体应该是可再生能源，要因地制宜制氢的。”而为了降低制氢成本，弃风、弃光、弃水与工业副产氢是目前低成本制氢的主要来源。
在各方关注的氢的安全方面，据欧阳明高介绍，以清华为代表的国内团队已经做过世界上第一例氢瓶耐压碰撞实验，包括氢瓶的燃烧、枪击等实验，其关联企业也具备氢瓶的相关资质。
中国能源体系的未来将如何演进？
“现在进行电动汽车的革命，应该说已经是真正的革命，而不是一个泡沫，已经实现产业化，在全球不可逆转。我们认为下一步最重要的是新能源革命，可能比人工智能革命来的要更加早一点。”欧阳明高指出，“中国太需要能源革命，即转型为以可再生能源为主体的多元能源结构，最有可能的方向就是以可再生能源为主的煤、油、气多元并举的一个局面。”
其中，储能作为能源革命的核心，将改变传统电网的构造。欧阳明高解释 说，由于燃料电池汽车能够发电，相当于发电厂，车的工况相当于电网的一个终端负荷，而且经常变化。传统电网中没有储能，必须按照最大的负荷来设计容量。而且为了防止电网出现问题，还要设计出保险的容量，即所有的电厂都需要储备发电机组，随时应对可能出现的波峰。但是如果有了储能，比如在燃料电池系统里加上储能电池后，发电机就不需要按照最大负荷设定，只需设定平均负荷，发电主要提供能量而不是功率，功率平衡主要是靠储能实现。因为储能电池的峰值功率可以很大，从而能够实现 1C 甚至 4C 的放电。如此一来不需要建设更多电网和配电网，成本也会大大降低。
然而，“可再生能源大规模应用瓶颈在储能，储能会带来真正的能源革命，传统的储能方式已经不能满足可再生能源发展的需要。”欧阳明高认为，高效的电解水装置可将难以并网的间歇性电能转变为氢能源，与抽水蓄能、压缩空气、二次电池等储能方式相比，氢储能具有地理环境制约少、规模适应性宽、投资成本低、环境友好等显著特征。
“最终的集中储能就是氢能，氢能制取之后也可以直接进入天然气管道，是集中式可再生能源大规模发展和充分利用的重要途径。而电池则是支撑分布式可再生能源大规模发展的重要途径。”
据了解，目前清华大学正在尝试光、电、氢一体化微网试验系统。欧阳明高介绍说，因为车下的微网系统与车上燃料电池系统都属于直流微网，可极大地简化电网。同时车网可以互通，车既可以充电也可以放电。因为燃料电池可以作为移动发电站，所以交通能源与固定能源已经一体化了，不再区分是车还是能源，车和能源是一个大系统。欧阳明高判断，预计到 2030 年，分布式光伏、储能动力电池、氢燃料电池、电动汽车将会相互需要，形成四位一体的能源大系统。