SAECCE 2020 | 康明斯纪光霁：商用车氢燃料电池技术要求与商业化挑战

2020中国汽车工程学会年会暨展览会（SAECCE 2020）于2020年10月27-29日在嘉定上海国际汽车城-上海汽车会展中心举办，汇聚汽车及相关行业的企业高层、技术领军人物、资深专家学者、广大科技工作者。10月29日，康明斯（中国）投资有限公司新能源动力事业部总工程师纪光霁在本次大会上发表了主旨演讲。

 以下为演讲实录：

大家上午好！我叫纪光霁，来自康明斯新能源动力事业部。康明斯做了100多年的柴油发动机，今天我在这里向大家汇报一下我们在新能源这块，特别是氢燃料电池这块的一些看法和思考。我的题目是：商用车氢燃料电池技术要求和商业化挑战。

接下来我想从三个方面向大家阐述一下我们的理解，首先是氢燃料电池技术是未来上新能源动力的最佳选择。为什么是最佳动力选择呢？我讲两个方面，一个是氢燃料电池技术的本身，另外一个是绿色氢气作为燃料，这两者是相辅相成，缺一不可的。氢燃料电池技术和纯电池技术相比在充电和燃料加注方面有天然的优势，12米的燃料电池公交车一次加注时间10分钟可以跑300公里，电池充电时间比较长，在这里我也想提一下，今天上午有专家在换电技术上面一些突破，虽然换电技术可以缩短能量加注的时间，但是对于商用车来说货运效率也是一个非常重要的指标，电池的自重目前依然是一个比较大的挑战，所以我们认为换电技术对于长途重载场景依然解决不了电池自身重量带来的货运效率低的问题。

燃料电池技术本身也具备着全生命周期低污染甚至接近零污染的特点，但是这里面有一个条件，就是他所用的燃料必须是来自于绿色氢气，后面我会给大家报告一下绿色氢气的一些后续路径和以后方式。氢燃料电池还有一个跟纯电比起来有一个好的环境适应性，目前在低温启动性能上面由于锂电池电池的低温性目前对于商用车应用来说还是比较差的，所以燃油车它目前可以在零下30度可以实现启动，在环境适应性上有一些优势。

从商用车的应用场景来说，从某种程度上也促进了氢燃料电池的应用。商用车第一个面临节能减排最大压力，需要一个清洁动力。另外商用车的运输路线相对来说比较固定，有利于氢燃料电池整个产业链的协同发展以及规模化的降本，所以我们认为这两者是相辅相成的。

大家知道目前氢燃料电池车我们国家主要还是应用在商用车这个领域，现在我们出现多场景以及多功率段的现象，这个图是2017年的时候大概也就是7—8吨车的中型卡车，以及公交车的应用场景，燃料电池的功率段大概也就是在30—40千瓦集中段，2019年我们从工信部的数据来看已经有一些重卡应用，燃料电池的功率也涵盖了从40—100千瓦。

另外就是场景，商用车有很多场景，前几天李骏院士提到燃料电池商用车是以城市物流和客车作为切入点，这种多场景的应用必然会对燃料电池这个功率段提出更多的要求。讲一些倒短的牵引车，城市联运也可能会对短途的牵引车跟燃料电池结合的应用，也是具有一个非常有前景的应用场景。

氢燃料电池在商用车上的应用，各种不同的功能应用，必然对功率要求也是带来了一些多样化，对于我们从设计和开发燃油发动机来说，平台化的开发也带来了一些挑战。

要实现燃料电池商用车在全生命周期内接近零排放的愿景离不开绿色氢气的使用，绿色氢气指的是利用可再生能源发电，发出来的电再经过水电解制氢而获得，绿色氢气可以确保我们整个商用车应用的近零排放的关键环节，其实这两者也是相辅相成的作用。一方面氢燃料电池商用车的规模化应用也促进了绿色氢气业务的发展。而绿色氢气发展离不开可再生能源制氢这样一个业务，这就加速了源网荷储一体化的进程，这也就是为什么说绿色氢气成为了连接燃料电池商用车可持续发展和可再生能源源网荷储一体化的一个天然的纽带。进一步阐述了绿色氢气获取的路径，制取绿色氢气这样一个技术或者这样一个设备成为电网中一个可变负载的手段，这个时候我们就可以消纳由可再生能源间接性、随机性的发电带来的这种波峰能量。这是分享的第一点，氢燃料电池和绿色氢气一起共同发展，成为商用车动力的一个最佳选择。

二、商用车动力对氢燃料电池技术提出了独特要求。

这些要求我们可以把它归纳为两个方面，我们也走访了一些客户，我们也走访了康明斯合作的一些合作伙伴，也就是OEM、主机厂。主机厂对整车布置，对功率密度、系统控制接口，当然也会对氢电安全性提出一些他们的要求，综合利用主要是指燃料电池的液态水的收集对于燃料电池沸热的再利用。环境适应性也是满足冲击以及极端的条件环境，这是从OEM这一侧提出的要求。从终端用户这一侧我相信这六个需求，也是我们康明斯在柴油机这么多年的积累，首先初始的购置成本，目前大家知道燃料电池成本还是相对来说比较高的，以柴油机作为一个对比给大家做一个参考，目前国6的柴油机包括后处理一起现在是一千瓦大概是300块钱人民币不到，所以初始购置成本是用户这一侧关注的。另外就是耗氢的成本，现在对于八吨的车100公里耗氢量是2.5—3公斤左右的氢气，如果以49吨重卡为例，柴油机的消耗是36升/百公里，我们也通过计算，百公里耗氢量大概在12千克的氢气，这样氢气的价格如果能够做到22块钱的话，基本上也是相当的，但是目前由于氢气价格基本上是在45块钱甚至有一些地区还比45块钱要高，所以氢气的价格上可能用户也是比较关心的。可靠性上，柴油机平均无故障间隔里程是大于2万公里，这个和清华大学李骏教授的数据一致。关于寿命这块，柴油机的重卡寿命，如果说跑100万公里，按照平均70公里每小时来算，我们对于发动机的寿命要求大于15000个小时，现在有些关于燃料电池耐久这一块，目前来说各家没有一个定论，以多大的燃料电池的体积的衰减为例，但是康明斯我们会利用现有的数据来评价燃料电池发动机的耐久性，我们也争取做到超过15000个小时。另外一个就是环境适应性要好。还有一个就是售后，客户也比较关心燃料电池售后的服务，维修时间短，成本低，售后服务网络要更加的缜密才能得到响应。这个是商用车动力对于燃料电池提出的一些要求。

接下来我想讲一下耐久、体积和质量、热管理，我觉得这三大以后要求对于燃料电池本身来说也是一个很大的挑战。燃料电池的使用寿命实际上是一个非常系统性的也是非常复杂的一个概念，如何去提高耐久性，我们这里面也给出了一个不同的路径，首先可以通过选择最优的额定工作点，针对商用车的电堆设计可以通过额定工作点的最优选取来获得整个耐久性的提高，但是这种平衡的优化设计也必然要取决于整车的耗氢的效率，散热的设计以及和电堆成本和功率密度的综合平衡。第二个提高耐久我们也认为可以通过它的优化动力系统匹配，这里面讲到两个构型，一个是电电混合构型，一个是全功率构型，全功率构型我们的锂离子电池包容量要小一点，我们是希望能够通过电电构型、混合动力方式让燃料电池工作在一个比较稳定的工作区，有利于燃料电池发动机的耐久的提高。

另外一个可以通过一些金属板的表面涂层技术的改进，金属板的耐久一直来说是一个比较大的瓶颈，所以我们也认为提高金属板表面涂层技术的改进也有利于整个发动机耐久的改善。还有一个就是应用工程的改善，我们从一些实际的示范应用项目上得到，有一些燃料电池发动机的空滤用户没有及时更换或者用户更换了一个错误的空滤，比柴油机的空滤会更加复杂，所以不及时的更换或者错误的更换必然会对进入电堆空气的质量会有影响，也会影响到耐久的使用。

耐久起停的控制，这里讲到的是一个余氢吹扫，主要是为了防止下次启动过程当中有一个氢氧界面，氢氧界面出现又容易导致催化剂进行碳气化，催化剂会得到流失。现在来说各家已经注重比较优化的燃料电池车的起停控制。

最后一个就是热管理，或者是水热管理，燃料电池在现在来说的大家现在基本是用的低温质子交换膜，如果说我们对这个膜不进行增湿，膜容易过干而导致内阻增加，如果增湿过度会影响燃料电池的性能，这种有害的水管理如果不加以观测和预测以及控制的干预，对燃料电池的耐久也是一个不利的影响。

对于燃料电池的质量和体积这块，因为我们知道商用车除了大巴，卡车这块的安装空间依然有一些限制，如何针对一些大功率的应用做一些比较适用于商用车电堆的设计，我们主要是依赖于单堆的解决方案，我们认为提高ME的有效面积来提高它的功率密度，另外我们希望通过电堆的一些内部技术来减少一些体积和重量，可以进行模块化的设计，有效利用高安装空间，这是关于体积和重量这块的。

另外商用车的一个挑战就在于它的热管理，刚才AVL的同事也说了，热管理目前在商用车来说是一个比较大的问题，因为绝大部分的热要通过冷却热带走，而冷却热散热的方式就是散热器，我们测算过如果把温度从65度提高90度，散热器的体积或者散热器的尺寸可以减少到一半左右，但是对于目前低温质子交换膜来说不能把温度提高得再高，如果提高得高的话膜就失去了质子导电的能力。如果我们用90千瓦的一个燃料电池发动机来说，大概需要110千瓦的散热，将来如果对于300多千瓦的燃料电池发动机来说恐怕还要对应将近400千瓦的散热器的安装和使用，所以说无论对于空间也好还是对于散热性能来说，热管理一直以来都是会成为商用车一个比较大的挑战。

第三，氢燃料电池产业的商业化成功需要量产能力做保障。

我们认为燃料电池产业商业化的成功需要量产的能力做一些保障，这个图是技术成熟度曲线，目前来说任何一个产品从技术到产品都必须经历过技术发现、技术开发、成熟到场景导入以及产品成熟这五个阶段，我们目前认为燃料电池目前处于技术成熟期，目前商用车重卡这边大概是年销量100万台左右，如果我们认为5%的用户接受燃料电池重卡大概也就需要5万台这样的市场体验，如果真正出现5万台商用车的市场体量我们认为技术成熟期已经进入末尾，开始逐渐进入产品导入以及产品成熟期。

有哪些能力可以保障燃料电池商业化？第一个就是系统集成能力，能够把储氢系统做好。另外一个就是批量生产能力，可能就是每年几万台的生产量的问题。第三个就是质量管控能力，还有一个就是供应商的供应链的管理体系，以及售后服务能力，我们认为这五大能力可以支撑燃料电池发动机从产品成熟期过渡到产品导入期，真正的成为一种产品被OEM所接受。

康明斯100多年来做了柴油机，做了天然气发动机，所积累的几个能力，包括我们讲的VPI，指的是量产的开发流程，我们有自己的产品质量管理体系，我们也有供应链的管理体系和康明斯覆盖整个中国区域的售后服务网络，康明斯希望将这些能力应用到燃料电池产品开发中去，为中国客户带来价值。

最后给大家汇报一下康明斯是如何布局在新能源这块的，去年7月份我们收购了GE的SOFC，固体氧化物燃料电池业务，去年9月份我们收购了加拿大Hydrogenice，81%的股份，我们也投资了LOOP Energy。我们跟韩国现代也签署了合作备忘录。在今年6月份我们和NPROXX公司在德国建立了一个合资公司，在今年10月份康明斯和中国石化签署合作意向，共同促进电解水制氢技术的推广。所以说经过一系列的布局，康明斯希望能够形成提供电解水制氢设备、提供储氢单元，提供氢燃料电池发动机，形成一个完整的产业构架链，参与中国氢能蓬勃的发展。

谢谢大家。

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（注：本文根据现场速记整理，未经演讲嘉宾审阅，仅作为参考资料，请勿转载！）