作者:郑金武 来源:中国科学报 发布时间:2022/2/27 18:11:29
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氢燃料电池汽车:“从0到1到100”

 

在河北张家口太子城服务区的加氢站里,氢燃料电池汽车驶入后,只需几分钟时间就能完成氢气加注。一次加注,氢燃料电池汽车的行驶里程可达500公里。

发展氢燃料电池汽车,发挥氢气、氧气电化学反应输出物为水、电、热,全过程无污染物和碳排放的优势,是交通领域践行能源革命和实现“双碳”目标的重要方式之一。但此前,由于技术、产业、成本等瓶颈性难题,我国氢能产业和氢燃料电池汽车发展并不尽如人意。

“双奥”的举办,极大助推了我国氢能产业和氢燃料汽车的长足发展和示范应用。

早在2008年,北京奥运会投入运行了3辆氢燃料电池汽车,并建成了我国首座车用加氢站,开启了氢燃料电池汽车“从0到1”的示范。“北京2022年冬奥会,共计投入使用816辆氢燃料电池汽车,作为主运力开展示范运营服务。”北京市经信局汽车交通处副处长吴志全表示,我国已实现了氢能和氢燃料电池汽车“从1到100”的规模化应用和产业化突破。

走向规模化示范应用

技术和成本是氢燃料电池汽车走向规模化应用的核心问题。

清华大学核能与新能源技术研究院研究员王诚表示,氢燃料电池成本由燃料电池堆、空气供给系统、氢气供给系统、冷却排水系统及电能控制系统等部分组成。例如电堆的催化剂普遍采用贵金属铂,技术难度高,产业化程度不足,导致电池总体成本较高,难以实现规模化应用。

2008年,3辆氢燃料电池客车由福田汽车公司提供。而今年的北京冬奥会期间,福田汽车公司带来了515辆氢燃料电池汽车。

“福田汽车和丰田汽车、亿华通公司三方共同合作,推出了可商用的系列氢燃料电池客车。”福田汽车欧辉客车事业部研发副总裁刘继红告诉《中国科学报》,这些氢燃料电池汽车不仅在延庆赛区闭环内使用,还在闭环外提供接驳运输服务。

“北京冬奥会为氢能和氢燃料电池汽车示范应用提供了世界级舞台,是对我国氢能和氢燃料电池汽车全产业链的一次全面检验。”吴志全介绍,北京冬奥会上的816辆氢燃料电池汽车,包括丰田全新Mirai第二代乘用车、首次实现本土研发及生产的丰田柯斯达中巴车、丰田-福田首次合作开发的大巴车等。

而氢燃料电池汽车的应用,也使交通领域加速走向零碳排放。例如,丰田Mirai乘用车每百公里可减少排放二氧化碳大约18.79公斤,丰田柯斯达中巴车每百公里可减少排放二氧化碳大约47.01公斤,丰田-福田合作开发的12米大巴车,每百公里可减少排放二氧化碳大约57.86公斤。

“北京市两个赛区投入312辆氢燃料电池汽车,自冬奥会2月4日开幕以来到2月14日,累计用氢约42.04吨,二氧化碳减排作用十分明显。”吴志全表示。

关键技术实现国产替代

从燃油车到氢燃料电池汽车的跨越,不是简单地从“烧油”变为“烧氢气”,背后是氢燃料电池发动机核心技术、多重耦合安全技术、全气候动力电池技术等一系列最新技术的探索和应用。

王诚介绍,此前我国的制氢效率比较低,氢气储存和整个供应链体系依然使用传统技术,氢燃料电池的主要原材料如碳纸、催化剂等都依靠进口。

但如今,氢燃料电池汽车的许多关键技术,都已经实现了国产替代。

“在冬奥运输服务保障中,氢燃料电池汽车整车由丰田汽车和福田汽车提供,氢燃料电池电堆由丰田提供,大巴车氢燃料电池系统由亿华通集成,氢瓶、空压机等零部件主要由北京企业供给。”吴志全介绍。

北京亿华通科技股份有限公司常务副总经理于民告诉《中国科学报》,在北京市“高环境耐受性燃料电池系统产品研制”项目的支持下,公司研发的燃料电池发动机系列产品,耐低温性能提前两年达到国家标准,并已应用于福田汽车的氢燃料电池客车中。

早在2020年1月,亿华通公司的氢燃料电池发动机就在海拉尔完成了极寒测试。“测试结果显示,氢燃料电池客车在-30℃的环境下,放置超过8小时后,进行超低温冷启动测试,116秒就成功启动。”于民表示,这为在北方地区规模化推广燃料电池汽车奠定了基础。

而北京新研创能科技有限公司则在近日完成了220千瓦级燃料电池模块的研发,使氢燃料电池的应用场景扩展到重型卡车领域。

北京新研创能科技公司总经理齐志刚介绍,一般车辆需要的燃料电池额定功率在80kW左右,但重型卡车对燃料电池的额定功率提出了更高要求,大概需要200kW。公司为此开发了双堆燃料电池模块,并突破相关技术难题,实现了两个电堆的流体的均匀分配。

北京天海氢能装备有限公司则开发了70兆帕储氢瓶,实现了国产替代,并交付冬奥会燃料电池客车使用,极大拓展了氢燃料电池汽车的续航里程。

“我们开发了燃料电池用大流量高压减压装置,开展氢燃料系统高压管路连接及密封可靠性研究,集成了瓶阀、高压管路、储氢瓶等部件,为氢燃料电池客车提供车载储氢系统产品。”北京天海氢能装备有限公司总工岳增柱介绍。

盟固利新能源科技股份有限公司、北京理工大学等单位合作,打造了全气候动力电池,该成果具有升温快速、耗能低、加热均匀的优点,能够解决电池在极寒环境下的使用“瓶颈”问题。

北京理工华创电动车技术有限公司实现了氢燃料电池汽车双电机及变速箱一体化设计,由动力控制器实现两台电机高效协同配合,使车辆整体动力性能明显增强,百公里能耗降低。该系统在扭矩、功率、爬坡、车速、舒适、经济六方面,性能均优于单电机动力系统。

“正是这些技术突破,使得我国氢燃料电池汽车在关键技术上摆脱了被‘卡脖子’,也为我国氢燃料电池汽车下一步产业化奠定了基础。”吴志全表示。

产业链迈向自主可控

“氢气的供应链体系还不健全,制氢、储氢、运氢没有形成完备高效的供应链体系。”王诚认为,这是限制我国氢燃料电池汽车产业发展的又一大关键问题,规模、廉价的氢气资源匮乏,制约了氢燃料电池汽车的规模化应用。

2020年国务院办公厅印发的《新能源汽车产业发展规划(2021-2035)》提出,我国要“提高氢燃料制储运经济性。因地制宜开展工业副产氢及可再生能源制氢技术应用,加快推进先进适用储氢材料产业化”,“健全氢燃料制储运、加注等标准体系”。

如今,“我国在氢能和氢燃料电池产业方面,已实现了‘制、储、运、加、用’的全产业链布局,氢能和氢燃料电池汽车创新链产业链实现了自主可控。”吴志全表示。

在氢能源头方面,2020年10月,环宇京辉京城气体科技有限公司参与了由清华大学牵头承担的科技部国家重点研发课题“科技冬奥‘氢能出行’关键技术研发和应用示范”项目,主要任务是参与加氢站建设,并协助建立“制、储、运、加”全供应链信息监控系统。

“环宇京辉拥有煤、天然气提碳制氢,气态高压储氢,超纯氢气提纯,副产氢提纯等多项核心技术,所生产的氢气纯度高达99.99999%,氢气年产能1200万立方米。”环宇京辉京城气体科技有限公司副总经理张岩向《中国科学报》介绍,环宇京辉还与京能集团合作,利用由光伏、风能等所产生的“绿电”进行氢气的制取工作,实现“绿电制绿氢” 。

而传统燃油企业燕山石化也积极在制氢领域开展布局。在北京冬奥会期间,为保障氢源供应,燕山石化和环宇京辉的制氢能力达到7.2吨/天,为冬奥会氢燃料电池汽车提供了充足的清洁氢源供给。

加氢站建设的流程也不断优化。“加氢站属于新生事物,安全等级要求较高,相关技术仍处于不断发展完善阶段。”吴志全表示,为确保加氢站安全稳定运行,国家明确了油氢合建站的审批流程,并创新了工作程序和工作方法,为今后加氢站的建设积累了丰富的经验。

示范应用也带动了氢燃料电池汽车产业标准的极大进步。为实现氢燃料电池汽车在冬奥场景的使用,我国推动修订了《燃料电池电动汽车加氢口》《燃料电池电动汽车车载氢系统试验方法》等多项标准。“这使我国氢能与燃料电池汽车产业往高端化发展。”刘继红表示。

氢能产业也成为各地“十四五”产业规划的重点。在北京,“正在落实氢能和氢燃料电池汽车产业发展规划,积极推动京津冀燃料电池汽车示范城市群建设。”吴志全介绍,北京将围绕“车用在哪、氢从哪来、技术如何突破、产业如何持续发展”四大关键问题,打造燃料电池汽车关键零部件和装备制造产业集群。

“未来,随着氢能产业链的进一步完善,氢燃料电池客车还将凭借安全、舒适、低碳的优势扩展到更多的领域。”刘继红对我国氢燃料电池汽车产业的发展充满了信心。

氢燃料电池汽车服务冬奥会

国产70兆帕氢瓶成功应用于汽车

制氢站  

 制氢站    以上图片由郑金武摄

 
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