（通讯员  邓辉）

讲座题目：透视新科技——氢能源汽车

主 持 人：胜  春

做客嘉宾：何广利，国家能源集团北京低碳清洁能源研究院博士。

          陈  征，北京交通大学副教授。

讲座时间：2023年12月25日～12月31日

（备注：讲座视频可循环播放）

https://article.xuexi.cn/articles/video/index.html?art_id=4842701382145254151&read_id=e1edf130-d86f-4937-8552-80d7bf25cffe&ref_read_id=17f20fdc-6da5-4891-81a2-da9d09beedf9&reco_id=&mod_id=&cid=&source=share&study_style_id=video_default

透视新科技——氢能源汽车

讲座内容：

各位好，欢迎收看我们今天的《透视新科技》节目，我是主持人胜春。纯电动汽车，作为新能源汽车之一，这些年的发展，我们看到它取得了很多成果，但是也有很多遗憾和不足，比如说它的续航里程问题，还有充电时间过长等等，这些年又出现了一种新能源汽车，叫氢能源汽车。那过去的纯电动汽车上的短板，它解决了吗？我们通过短片来进入今天的节目。中国的新能源汽车发展一直以纯电动汽车为主，截止到2021年3月，在中国新能源汽车的保有量里，纯电动汽车占据着80%左右的份额，但是在近几年诞生了一种新的新能源汽车，叫做氢能源汽车。氢是一种化学元素，通常以气体的形式存在，它是世界上最轻的气体，无色无味而且极易燃烧。氢在自然界中分布很广，在水中、泥土中，石油、天然气里都含有氢元素。当氢成为一种能源，使用在汽车上，汽车会因此具有哪些优势？为什么在纯电动汽车发展？已经具有相当规模的情况下，还要发展氢能源汽车。氢能源汽车又能否弥补纯电动汽车存在的续航里程不足、充电时间长等问题呢？给大家介绍一下今天请来的两位嘉宾，一位是国家能源集团北京低碳清洁能源研究院的何广利博士。另外一位，是北京交通大学的副教授陈征。为什么要用氢能源作为我们新能源汽车的动力？

第一点氢它本身和氧反应生成水，没有别的产物，当然其中还有能量。能量是我们想要的，你拿到它的能量，剩下的产物只有水，所以从这一点角度来（讲），它是一个绝对清洁的。在排放方面是无污染。是的。另外，如果是按照单位质量氢气（转化获得能量）的数值来计算的话，它是很高的。如果是同等质量的汽油，那么只是大概它这个数值的1/2到1/3，当然这是以单位质量来说，另外我想说非常关键的是什么？氢作为汽车的能源来用，可能现在大家觉得还很新鲜，但是氢实际上在我们传统的很多化工行业，应用是非常多的。现在中国我们每年化工上用氢的产量，每年大概是在三千万吨，这个数字从全球来讲是第一的。在化工行业有很好的基础，我就用这些基础，结合着前面两个特点清洁，热值又高，那么我用在车上去是不是更好？氢能源我们通常把它看作一种二次能源。一次能源是从自然界当中把它开采出来，就可以直接通过燃烧或者是其他的方式来利用，然后产生能量，比如说煤、石油、天然气。那么二次能源指的是，把一次能源获取的这个能量转化成一种更便于我们利用的形式，那形成的这种就是二次能源。

氢它是由我们通过获取太阳能，获取风能，获取水能，把它所获取的能量来制备氢这种材料，然后用这种方式，把能量给储存起来。用我们更方便的、更易用的手段来使用，这是一个基本的特征。其实氢能源在我们生活当中并不陌生，人类历史上对氢能源的使用的历程，我们通过短片来看一下。人类历史上第一个氢气内燃机，诞生于1807年一个瑞士人制造了一台单缸氢气内燃机，可以驱动汽车前行。但受当时的技术水平所限，制取氢气远比使用蒸汽、汽油等资源复杂，氢气内燃机并未获得更多发展。二十世纪六、七十年代，氢开始作为燃料在航天领域使用。在美国的阿波罗号宇宙飞船上，和我国的长征2号、3号运载火箭上，都使用了液氢燃料。到了二十一世纪，氢被视为最具发展潜力的清洁能源，成为众多国家研发的重点。氢能应用到汽车领域，更是近些年科研热点之一。使用氢能源的汽车与其他新能源汽车有何不同，又具有哪些优势呢？我们很多的出租车的后备箱都有一个储气罐，这是用天然气的，那这个氢能源跟天然气有什么区别？

一说到氢气，可能和天然气大家觉得差不多，其实不是的。氢能源汽车它是通过氢通入到燃料电池，在燃料电池里面发生电催化反应，然后使氢和氧结合产生水，同时它发出电，再用电来驱动车。从这个角度来讲，氢能源汽车它也是电动汽车的一种，实际上后半段跟纯电动汽车是没什么区别的。对，是一个平台。有点不同的就在于对于锂电池来讲，我的电是储存在锂电池里面的，充电的时候是电能转化成化学能，存在这个锂电池里面。使用的时候，还是在锂电池里面，它的化学能又转成电能再出来，都是通过它这一个机构。但对于燃料电池汽车来讲，单独的是一个燃料电池，我们和传统的燃油车对比一下，您会发现我有一个油箱，一个发动机，只要给发动机供油，它就工作。那么对于氢燃料电池汽车来讲，和这个道理是类似的，我们叫燃料电池，它叫锂电池。我们会以为这两个电池，都是同样的电池，实际上差别是很大的。通常我们在谈电池的时候，它是一个储能的机构，不管是我们以前的手电筒上用的一次（性）电池，还是说现在用这种锂电池，可充放电的这种电池，它都是一个储能的机构。但恰恰车上用这种燃料电池，它不是一个储能的机构，它只是一个能量转化的机构。其实这点来讲呢，和我们的发动机类似，你给它输入进去油，它燃烧，然后产生机械能。对于燃料电池，我负责的是你把氢给我，我就给你发出电来。所以它是一个转化的机构，储存的机构在哪儿呢？

在储氢罐，氢能源汽车它的构造和工作的原理，我们看一下短片。氢能源汽车的动力系统，主要由储氢罐和燃料电池两部分组成。储氢罐的作用与燃油车的油箱类似，是储存燃料的地方。燃料电池虽然叫做电池，但是与锂电池不同，它更像一个小发电机。氢能源从储氢罐里输入到燃料电池中之后，会在这里发生一系列化学反应，氢能在此转化成电能，进而驱动汽车运动。与燃油车相比，氢能源汽车的能源从汽油、柴油变成了氢，发动机也变成了电动机。和纯电动汽车相比，氢能源汽车增加了一个储氢罐，而且电池具有了发电的能力，这些变化会让氢能源汽车获得哪些优势呢？纯电动汽车的续航里程问题在氢能源汽车上有改善吗？对于纯电动汽车来讲，如果我需要提高续航里程的话，那我就多放锂电池。那对于燃料电池汽车或者叫氢能源汽车，如果要提高续航里程，我只多放两个氢罐就可以了。我不需要把燃料电池那个部分加大，这样的话相当于是什么呢？

如果您想提高续航里程，我车辆所增加的重量或者成本实际上是比较低的，它的构造上来讲和燃油车就很相似。对于您说燃油车，您说想把它的续航里程再提高一些，您就放大油箱就可以，所以和那是一模一样的。从续航里程来讲，我们现在国内为2022年冬奥会开发的从北京到张家口的这种，搭载乘客的燃料电池的大巴车，现在它的续航里程可以大概达到700公里左右。纯电动汽车在中国发展已经有20年了，在人们印象当中它有很多的优点和好处，但是缺点也很明显。电动汽车从感受到的瓶颈上来看，第一当气温降低的时候，电池的活性，因为它是靠化学反应来提供能量的，电池的活性下降，这个时候就导致续航里程明显地下降。如果只是能跑得短，我还可以通过比如说多次充电来解决，那这个时候又有第二个瓶颈出现了，就是充电的速度又相对比较慢，比如说一次加油。如果刨去排队的时间的话，一次加油可能几分钟就完成了，而我们现在这个充电，即便是快充技术，可能也要半小时以上才能充大约百分之六、七十，百分之七、八十这个水平。一个是续航里程缩水的问题，还有个充电时间长，这一点在氢能源汽车上有改善吗？

氢能源汽车，它所使用的燃料电池，它的工作温度是80oC。那么在氢气通入燃料电池，产生电这个过程，目前它的效率大概是在55%到60%左右，那意味着什么呢？意味着还有将近40%或者更多的能量，它变成了热量，所以说不论是冬天还是夏天，它这个数字没有变化。那这部分热量可以去干什么呢？夏天的时候，您可以做吸收式制冷，可以给它空调使用，冬天的时候就更简单了，就和我们的燃油车一样，我有余热，我直接把它被预热过的空气通入到你的车厢里。不会额外多消耗你的能量，或者多消耗你的氢气，所以这个问题解决了。充电时间的问题，氢气刚才说它是单独储存在储存罐里面，对于一个综合续航能力300公里的燃料氢能源的大巴车来讲，最快的话5分钟可以加满，所以您看这个时间还是很明显的和燃油车很接近的。但是有一个问题，氢是遇氧则燃烧。那我们听起来挺害怕的，这个安全性怎么来保障？第一肯定是保证做到不要泄漏，那实在没办法说有些特殊情况真的漏了，那你在车辆设计的时候，它要有一个逃逸的通道。因为还是说它（氢气）很轻，你只要给它通道，它一直直接会往空中跑，这样对地面就没有影响，这个是第二个。

• 你的通道本来设计好了，万一有点什么问题，就说堵住了，结果它在这个封闭了，那你要做到什么呢？一定不要给它点火的能量，点火能量肯定不是人为给的，而是什么呢？哪种情况下呢？因为这是电动汽车，刚才讲了里面是有很多电动器件的。某个地方接口处可能有个火花之类的，就可能给它打（着）了。那么在车辆设计上，为了照顾这一点，采用的都是防爆（或隔爆）的设计，也就是说即使它在氢气的氛围下，它的火花出不来。一般的传统的比如说我们的液化石油气，这一类的气体它相对比较重。那就容易在空间里面堆积、滞留。对，但是氢这个东西，它实在是分子太小了，我们小的时候玩过那（氢）气球对吧，它这个上升的力量是很足的。氢气在空气当中，它会很容易向上逸散，所以只要给它保持一个通道，它基本上不会在地面堆积，这个我觉得是放心的。然后第二个是什么呢？对于车载储氢目前来讲，要达到刚才我们说想要的这个续航里程来讲，它需要把氢气压缩到很高的压力。那我这个储氢罐在那么大的压力情况下，还有一些苛刻的条件下，它不会出事，万一说这个气瓶不结实，它突然间爆了怎么办？

国际上有一个通用的法规，就是专门来规定车载高压储氢瓶的安全测试，里边无论任何厂家生产的气瓶，都要经过一系列的测试。包括您刚才说的撞击，包括更苛刻的火烧，包括跌落，还包括大家可能想到的应该是最严格的枪击试验，保证的是我用子弹打上去，不会发生我们说电影里有些说烧油车那种一下爆了。所以这个是目前技术领域的一个情况，针对安全问题所做的一些工作，这个瓶子的结实程度。这个我还真的在实地看过，就是咱们给冬奥准备的氢燃料汽车那个大巴，专门把那个箱子掀开去看了那个钢瓶黑黑的，应该是很多层，不是一个简单的金属瓶。它是有纤维的包覆，应该是一套很复杂的工艺做出来的，如果这个瓶子本身能够经受到这种，连枪击都可以保证它，不发生爆破的话，那这个我想一般的撞击是达不到这种程度的。而且从我观察那个瓶子来看，它不是我们传统意义上的一个特别结实，就特别硬，它不是简单的一个硬的问题，它通过这种材料的复合，实际上是有一定韧性的。就是说因为一个硬的东西，可能因为脆，它一炸就碎掉了。我们相信任何一种新能源汽车，落实到商业模式的时候，一定是有足够的安全保障的。对，我听说新能源汽车实际上在某种意义上来讲，它是一个移动的空气净化器，这个怎么理解？

这个说起来比较有意思，燃料电池非常敏感，所以在氢能源汽车中使用的时候，这个氢气我可以保证它是干净的。因为它不和空气接触，但是空气那一侧，我必须要空气先通入到第一道防线，我们叫物理吸附，把空气中可能的一些杂质，能够通过吸附的作用给它吸附掉。第二道防线，说有些它不容易和一些吸附剂发生吸附怎么办？我用化学的方法把它转化成别的东西，目的就是说保证通入到燃料电池内部的空气，里边有害的杂质足够地少。那通过这个处理之后，其实对于燃料电池，它只是耗掉了空气里面的一部分氧气，所以它在出来之后，你可以看到比较脏的空气，通进去这个氢能源汽车，这个动力系统干净的空气出来了，氢燃料电池本身，它对空气的要求比我们人类要求还高。我们平常比如说赶上天气不好，我们戴一个能够防PM2.5的口罩，它也无非就是能挡住颗粒物而已。那对于有毒有害的气体，它其实是挡不住的，但是氢燃料电池对气体要求特别高，所以它的前置的空气处理，就比咱们现在普通汽车上的所谓的空气滤芯，那要高级得多了。不但要把颗粒物要打掉，还要把有害气体全部都过滤掉。

我们现在开燃油车，大家都有这样一个安全常识，就是如果车在一个比较封闭的空间，长时间在那儿待着。那可能会出现尾气中毒的情况，这个是可能致命的，非常危险，但是对于一个氢燃料电池汽车，它的尾气主要成分其实就是水。如果我们再把空气过滤器里面，过滤出来的新鲜空气通入到车内来，不但有清新的空气，还有加湿的效果。那一说到这儿，我们对氢能源的汽车，又是充满了期待，这些年氢能源汽车它的发展状况到底怎么样呢？我们通过短片去了解一下。2018年，新能源汽车作为公交车率先在河北张家口上路。截止到2021年初，张家口已经有300余辆氢能源汽车投入运营，服务于市内公交和旅游线路。经过几年的运行测试之后，在2022年的冬奥会上，氢能源汽车将成为赛事的主要服务车辆。2020年国务院发布《新能源汽车产业发展规划》，提出以氢能源汽车为主的燃料电池汽车，要在2035年实现商业化应用。而据统计，2020年我国新能源汽车销量为136.7万辆，其中氢能源汽车只有1177辆。相比较于纯电动汽车100万辆的销量，氢能源汽车所占比例仍然非常小。氢能源汽车在技术上还存在哪些瓶颈？未来这种新能源汽车又能否走入普通人的家庭，成为一种家庭用车呢？氢能源汽车您开过吗？什么感受？

开过氢能源的乘用车，就是咱所谓的小轿车，那么第一个特点，就是说我们通常讲我们开燃油车的时候，您踩一下油门，其实您大概能够感受到一些噪音，或者是一些震动。就是发动机的声音。那对于氢能源汽车，因为它里边，它不是靠这种高速的转动来带动它的，所以你踩下油门的时候，你会发现它还是很安静。这个感受就和纯电动，您开那个纯电动汽车是类似的。推背感极强，没有声音噌就上去了。我们说到未来新能源汽车的发展，我们看到了有纯电动汽车，氢能源汽车，还有油电混合车，您怎么看未来我们新能源汽车的发展？这三者之间会是什么关系？油电混合动力（车），它的确相对于现在的纯燃油车，那么它的这个耗油量是低不少，但是它毕竟在它的使用环节，它还是有碳排放的。它的发展趋势，我认为一定会是说通过技术的改进，逐步还是要把它的油耗继续降下去。如果它降到零了，那可能它会变成纯电动汽车了，也可能是改变到氢能源汽车了。现在我们纯电动（汽车），还是说现在已经应用很多了，但是可能有几个场景一直应用比较少。比如说长途的物流、卡车，现在从北京去外地，一天我可能我不停地开，我一天要行驶千八百公里，纯电动现在做不到。

对于纯电动汽车来讲，更适合一些轻载的，然后续航里程要求不高的这种场合，对于氢能源汽车，适合这种重载或者是要求你每天都跑非常远，对续航里程要求很严格的这种场景。它两个是互补的关系，就说在未来它们两个分别都会占有一定的比例，并不是说谁一定会把谁取代的一个关系。那到目前为止，这个氢能源汽车，在国内和国外的发展情况到底是什么样的？截止（到）2020年底，国内的氢能源汽车的累计的保有量大概是在8000多辆，这里面主要是物流车和大巴车。那么因为对于氢能源汽车来讲，它的氢是怎么供应的，这也很重要，所以你要配套有加氢站。2020年底国内加氢站的数量，大概在110座到120座左右，这是我们国内的一个情况。国际上的情况，美国它的燃料电池汽车，主要是乘用车，目前大概是在一万一千辆左右，但是它有另外一个场景是目前应用最多的。燃料电池的叉车，目前整个北美地区，运行的燃料电池叉车数量大概在三万辆左右。我们对比看来，中国的氢燃料的汽车，应该说还是处在世界研究比较靠前的位置了，那没有大批生产是因为目前我们在技术上存在哪些壁垒，或者是有什么瓶颈吗？

对于氢能源汽车，从技术上来讲，几个大的特点，第一，技术链特别长，因为它涉及到刚才我们讲的是车上包括两部分，不仅仅是燃料电池这个部分，还包括储氢罐，再往前端氢气如何运到加氢站里面，这又涉及到不同的技术。再到前端就是制氢的技术，它的技术链比较长，所以说它普及起来的话，一定要各个环节都能配合得上。要不然的话，你光有车没有站，它也运行不起来对吧，你光有站没有车也是不行的。第二个，到目前为止，我们已经在部分的核心零部件，核心技术上实现了国产化。但是其实有些环节，比如说加氢站，里面所用的高压的设备，目前进口的比例还是偏高的。所以这也是制约以后更大规模应用的，一个制约的因素。我认为目前这两年燃料电池汽车这个数量，也还是符合预期的，后续只要我们持续把核心技术国产化做好，我认为这个量一定会上去的。您刚才提到了一个成本的问题，我们也特别关心，到底这个价格是怎么样的？使用成本又怎么样？氢能源的乘用车，它在不包括补贴的情况下，纯售价是大概算成人民币40万左右，确实还是偏高一些。

我们知道工业上有一个规模化效益，就是任何工业化的产品，小批量的生产和大批量的生产，它成分肯定是不一样的。那么根据这种情况，其实美国一些研究机构做过预测，如果是氢能源汽车年产量能够达到20万台的话，那它的成本相对于现在的成本来讲，至少可以降低50%甚至更多，当然那个是一个预测的成本，我们到现在为止还没有证实。使用成本呢？使用成本的话，我需要把氢气运输到加氢站，再通过加氢站把这个氢气加给车来用，这种算来的话，目前成本还是明显偏高的，就说按照我们烧柴油的这种大巴车来讲，它相当于烧油的成本。目前要高30%到50%，还是明显偏高的。我们在推广氢能源的这个过程中，我们看到的氢燃料电池汽车只是一部分，它前端那个最原始的能量来源，也是一个很重要的一个组成部分。那这里边氢能源，在一定程度上可能带来一些，比如说我们今天太阳能、风能都存在发电不稳定，就是以至于有的时候上（电）网就困难，因为电网对电能的稳定性要求很高。那你就得弃风、弃光，就是我的太阳能或者是风能，有风，但是我没法用，但是我现在有了这个氢能的这种补充，比如说我用这个时候有风，我就用它来发电，然后电解水制氢。

这个过程本身是一个环保的过程，而且又把原本没有利用的能量利用下来了。它的成本，实际上是一个全产业链，全生命周期的综合成本，如果把弃电、弃风这些都核算进去的话，它的成本应该还能进一步降低。氢能源汽车，实际上在民用领域的这个能源的一种尝试，如果它一旦成功的话，普及开来的话，您觉得还可以应用在哪些领域？这个可应用的领域就非常多了，按照现在国际上和国内现在已经存在示范，或者是部分商业化应用的应用场景，除了车辆之外，其余的重载交通的场合、船舶，甚至我们国内现在已经有了燃料电池的有轨电车，已经正式运行的。另外还有呢，就是氢气通过燃料电池产生电，也产生热，那么它是一个很好的什么工具呢？热电联产，就是说对于家庭来讲，可能我们需要电来照明，带用电器等等，同时我也需要热水，说其实燃料电池这个东西，结合着氢气，它可以做这个用，既给您的家庭供电，又供热水。

目前在日本，现在已经完全商业化的这种家庭用热电联产装置，大概已经装了50万套了，这已经是完全达到了商业化的水平了，所以当然目前我们国内安装得还非常少。未来，当这个氢能源汽车真的得到广泛应用的时候，那个时候到底会给我们整个社会生活，带来什么样的变化呢？比如说我们到某个地方去拍摄，这个时候当地没有电怎么办？我得带个发电车，那这个时候呢，我带的不管是柴油发电机，汽油发电机，那现场的噪声是难以忍受的。可是，如果我们用这种氢能源的这样一个发电机构，因为实际上氢燃料电池本身就是个发电机，那这个发电机，几乎是绝对安静的。除了它必要的一些电子设备上的一些风扇发出的微小声音之外，它本身的质子交换膜的反应发电过程是没有噪声的，你是有一个绝对安静的发电机，它至少能给我们的生活便利，带来一个非常具体的一个场景。

其实它对环境的影响叫负影响，不是说我用了一台车，我减少了二氧化碳排放，它还同时给你净化了空气。所以您想象说，北京或者是北方有些有雾霾的时候，也许你一个城市里在运行着10万辆这样的车，可能你的PM2.5的水平立刻都能降下来很多。所以我认为也是一个非常好的，非常值得期待的一个事情。不单单是这10万辆车没有排放，我是在净化你的空气，这个和纯电动汽车那个有一些不一样，也就是说你10万辆给我带来的环境效益，可能是20万辆，不是10万辆，所以这个我觉得应该是很值得期待的一个事情。今天非常感谢两位做客我们演播室当中，跟我们共同来探讨这个氢能源汽车它的现状和未来，在这里也非常感谢您收看我们这一期的《透视新科技》！如果您想了解我们节目更多内容，可以下载央视频去收看往期的节目，我是胜春。咱们今天的节目就到这儿了，我们下期节目再见。