氫燃料電池汽車：“從0到1到100”

在河北張家口太子城服務(wù)區(qū)的加氫站里，氫燃料電池汽車駛?cè)牒?，只需幾分鐘時(shí)間就能完成氫氣加注。一次加注，氫燃料電池汽車的行駛里程可達(dá)500公里。

發(fā)展氫燃料電池汽車，發(fā)揮氫氣、氧氣電化學(xué)反應(yīng)輸出物為水、電、熱，全過(guò)程無(wú)污染物和碳排放的優(yōu)勢(shì)，是交通領(lǐng)域踐行能源革命和實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要方式之一。但此前，由于技術(shù)、產(chǎn)業(yè)、成本等瓶頸性難題，我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)和氫燃料電池汽車發(fā)展并不盡如人意。

“雙奧”的舉辦，極大助推了我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)和氫燃料汽車的長(zhǎng)足發(fā)展和示范應(yīng)用。

早在2008年，北京奧運(yùn)會(huì)投入運(yùn)行了3輛氫燃料電池汽車，并建成了我國(guó)首座車用加氫站，開(kāi)啟了氫燃料電池汽車“從0到1”的示范?！氨本?022年冬奧會(huì)，共計(jì)投入使用816輛氫燃料電池汽車，作為主運(yùn)力開(kāi)展示范運(yùn)營(yíng)服務(wù)。”北京市經(jīng)信局汽車交通處副處長(zhǎng)吳志全表示，我國(guó)已實(shí)現(xiàn)了氫能和氫燃料電池汽車“從1到100”的規(guī)?；瘧?yīng)用和產(chǎn)業(yè)化突破。

走向規(guī)?；痉稇?yīng)用

技術(shù)和成本是氫燃料電池汽車走向規(guī)模化應(yīng)用的核心問(wèn)題。

清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院研究員王誠(chéng)表示，氫燃料電池成本由燃料電池堆、空氣供給系統(tǒng)、氫氣供給系統(tǒng)、冷卻排水系統(tǒng)及電能控制系統(tǒng)等部分組成。例如電堆的催化劑普遍采用貴金屬鉑，技術(shù)難度高，產(chǎn)業(yè)化程度不足，導(dǎo)致電池總體成本較高，難以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。

2008年，3輛氫燃料電池客車由福田汽車(2.790, -0.04, -1.41%)公司提供。而今年的北京冬奧會(huì)期間，福田汽車公司帶來(lái)了515輛氫燃料電池汽車。

“福田汽車和豐田汽車、億華通(171.610, -1.91, -1.10%)公司三方共同合作，推出了可商用的系列氫燃料電池客車?！备Ｌ锲嚉W輝客車事業(yè)部研發(fā)副總裁劉繼紅告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，這些氫燃料電池汽車不僅在延慶賽區(qū)閉環(huán)內(nèi)使用，還在閉環(huán)外提供接駁運(yùn)輸服務(wù)。

“北京冬奧會(huì)為氫能和氫燃料電池汽車示范應(yīng)用提供了世界級(jí)舞臺(tái)，是對(duì)我國(guó)氫能和氫燃料電池汽車全產(chǎn)業(yè)鏈的一次全面檢驗(yàn)?！眳侵救榻B，北京冬奧會(huì)上的816輛氫燃料電池汽車，包括豐田全新Mirai第二代乘用車、首次實(shí)現(xiàn)本土研發(fā)及生產(chǎn)的豐田柯斯達(dá)中巴車、豐田-福田首次合作開(kāi)發(fā)的大巴車等。

而氫燃料電池汽車的應(yīng)用，也使交通領(lǐng)域加速走向零碳排放。例如，豐田Mirai乘用車每百公里可減少排放二氧化碳大約18.79公斤，豐田柯斯達(dá)中巴車每百公里可減少排放二氧化碳大約47.01公斤，豐田-福田合作開(kāi)發(fā)的12米大巴車，每百公里可減少排放二氧化碳大約57.86公斤。

“北京市兩個(gè)賽區(qū)投入312輛氫燃料電池汽車，自冬奧會(huì)2月4日開(kāi)幕以來(lái)到2月14日，累計(jì)用氫約42.04噸，二氧化碳減排作用十分明顯?！眳侵救硎尽?/p>

關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代

從燃油車到氫燃料電池汽車的跨越，不是簡(jiǎn)單地從“燒油”變?yōu)椤盁龤錃狻?，背后是氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)核心技術(shù)、多重耦合安全技術(shù)、全氣候動(dòng)力電池技術(shù)等一系列最新技術(shù)的探索和應(yīng)用。

王誠(chéng)介紹，此前我國(guó)的制氫效率比較低，氫氣儲(chǔ)存和整個(gè)供應(yīng)鏈體系依然使用傳統(tǒng)技術(shù)，氫燃料電池的主要原材料如碳紙、催化劑等都依靠進(jìn)口。

但如今，氫燃料電池汽車的許多關(guān)鍵技術(shù)，都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)替代。

“在冬奧運(yùn)輸服務(wù)保障中，氫燃料電池汽車整車由豐田汽車和福田汽車提供，氫燃料電池電堆由豐田提供，大巴車氫燃料電池系統(tǒng)由億華通集成，氫瓶、空壓機(jī)等零部件主要由北京企業(yè)供給?！眳侵救榻B。

北京億華通科技股份有限公司常務(wù)副總經(jīng)理于民告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，在北京市“高環(huán)境耐受性燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)品研制”項(xiàng)目的支持下，公司研發(fā)的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系列產(chǎn)品，耐低溫性能提前兩年達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，并已應(yīng)用于福田汽車的氫燃料電池客車中。

早在2020年1月，億華通公司的氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)就在海拉爾完成了極寒測(cè)試?！皽y(cè)試結(jié)果顯示，氫燃料電池客車在-30℃的環(huán)境下，放置超過(guò)8小時(shí)后，進(jìn)行超低溫冷啟動(dòng)測(cè)試，116秒就成功啟動(dòng)?！庇诿癖硎?，這為在北方地區(qū)規(guī)?；茝V燃料電池汽車奠定了基礎(chǔ)。

而北京新研創(chuàng)能科技有限公司則在近日完成了220千瓦級(jí)燃料電池模塊的研發(fā)，使氫燃料電池的應(yīng)用場(chǎng)景擴(kuò)展到重型卡車領(lǐng)域。

北京新研創(chuàng)能科技公司總經(jīng)理齊志剛介紹，一般車輛需要的燃料電池額定功率在80kW左右，但重型卡車對(duì)燃料電池的額定功率提出了更高要求，大概需要200kW。公司為此開(kāi)發(fā)了雙堆燃料電池模塊，并突破相關(guān)技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)電堆的流體的均勻分配。

北京天海氫能裝備有限公司則開(kāi)發(fā)了70兆帕儲(chǔ)氫瓶，實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)替代，并交付冬奧會(huì)燃料電池客車使用，極大拓展了氫燃料電池汽車的續(xù)航里程。

“我們開(kāi)發(fā)了燃料電池用大流量高壓減壓裝置，開(kāi)展氫燃料系統(tǒng)高壓管路連接及密封可靠性研究，集成了瓶閥、高壓管路、儲(chǔ)氫瓶等部件，為氫燃料電池客車提供車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)產(chǎn)品?！北本┨旌淠苎b備有限公司總工岳增柱介紹。

盟固利新能源科技股份有限公司、北京理工大學(xué)等單位合作，打造了全氣候動(dòng)力電池，該成果具有升溫快速、耗能低、加熱均勻的優(yōu)點(diǎn)，能夠解決電池在極寒環(huán)境下的使用“瓶頸”問(wèn)題。

北京理工華創(chuàng)電動(dòng)車技術(shù)有限公司實(shí)現(xiàn)了氫燃料電池汽車雙電機(jī)及變速箱一體化設(shè)計(jì)，由動(dòng)力控制器實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)電機(jī)高效協(xié)同配合，使車輛整體動(dòng)力性能明顯增強(qiáng)，百公里能耗降低。該系統(tǒng)在扭矩、功率、爬坡、車速、舒適、經(jīng)濟(jì)六方面，性能均優(yōu)于單電機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)。

“正是這些技術(shù)突破，使得我國(guó)氫燃料電池汽車在關(guān)鍵技術(shù)上擺脫了被‘卡脖子’，也為我國(guó)氫燃料電池汽車下一步產(chǎn)業(yè)化奠定了基礎(chǔ)?！眳侵救硎?。

產(chǎn)業(yè)鏈邁向自主可控

“氫氣的供應(yīng)鏈體系還不健全，制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)氫沒(méi)有形成完備高效的供應(yīng)鏈體系。”王誠(chéng)認(rèn)為，這是限制我國(guó)氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的又一大關(guān)鍵問(wèn)題，規(guī)模、廉價(jià)的氫氣資源匱乏，制約了氫燃料電池汽車的規(guī)?；瘧?yīng)用。

2020年國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021-2035)》提出，我國(guó)要“提高氫燃料制儲(chǔ)運(yùn)經(jīng)濟(jì)性。因地制宜開(kāi)展工業(yè)副產(chǎn)氫及可再生能源制氫技術(shù)應(yīng)用，加快推進(jìn)先進(jìn)適用儲(chǔ)氫材料產(chǎn)業(yè)化”，“健全氫燃料制儲(chǔ)運(yùn)、加注等標(biāo)準(zhǔn)體系”。

如今，“我國(guó)在氫能和氫燃料電池產(chǎn)業(yè)方面，已實(shí)現(xiàn)了‘制、儲(chǔ)、運(yùn)、加、用’的全產(chǎn)業(yè)鏈布局，氫能和氫燃料電池汽車創(chuàng)新鏈產(chǎn)業(yè)鏈實(shí)現(xiàn)了自主可控?！眳侵救硎尽?/p>

在氫能源頭方面，2020年10月，環(huán)宇京輝京城氣體科技有限公司參與了由清華大學(xué)牽頭承擔(dān)的科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)課題“科技冬奧‘氫能出行’關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用示范”項(xiàng)目，主要任務(wù)是參與加氫站建設(shè)，并協(xié)助建立“制、儲(chǔ)、運(yùn)、加”全供應(yīng)鏈信息監(jiān)控系統(tǒng)。

“環(huán)宇京輝擁有煤、天然氣提碳制氫，氣態(tài)高壓儲(chǔ)氫，超純氫氣提純，副產(chǎn)氫提純等多項(xiàng)核心技術(shù)，所生產(chǎn)的氫氣純度高達(dá)99.99999%，氫氣年產(chǎn)能1200萬(wàn)立方米。”環(huán)宇京輝京城氣體科技有限公司副總經(jīng)理張巖向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》介紹，環(huán)宇京輝還與京能集團(tuán)合作，利用由光伏、風(fēng)能等所產(chǎn)生的“綠電”進(jìn)行氫氣的制取工作，實(shí)現(xiàn)“綠電制綠氫” 。

而傳統(tǒng)燃油企業(yè)燕山石化也積極在制氫領(lǐng)域開(kāi)展布局。在北京冬奧會(huì)期間，為保障氫源供應(yīng)，燕山石化和環(huán)宇京輝的制氫能力達(dá)到7.2噸/天，為冬奧會(huì)氫燃料電池汽車提供了充足的清潔氫源供給。

加氫站建設(shè)的流程也不斷優(yōu)化。“加氫站屬于新生事物，安全等級(jí)要求較高，相關(guān)技術(shù)仍處于不斷發(fā)展完善階段?！眳侵救硎荆瑸榇_保加氫站安全穩(wěn)定運(yùn)行，國(guó)家明確了油氫合建站的審批流程，并創(chuàng)新了工作程序和工作方法，為今后加氫站的建設(shè)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

示范應(yīng)用也帶動(dòng)了氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的極大進(jìn)步。為實(shí)現(xiàn)氫燃料電池汽車在冬奧場(chǎng)景的使用，我國(guó)推動(dòng)修訂了《燃料電池電動(dòng)汽車加氫口》《燃料電池電動(dòng)汽車車載氫系統(tǒng)試驗(yàn)方法》等多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)?！斑@使我國(guó)氫能與燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)往高端化發(fā)展?！眲⒗^紅表示。

氫能產(chǎn)業(yè)也成為各地“十四五”產(chǎn)業(yè)規(guī)劃的重點(diǎn)。在北京，“正在落實(shí)氫能和氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，積極推動(dòng)京津冀燃料電池汽車示范城市群建設(shè)。”吳志全介紹，北京將圍繞“車用在哪、氫從哪來(lái)、技術(shù)如何突破、產(chǎn)業(yè)如何持續(xù)發(fā)展”四大關(guān)鍵問(wèn)題，打造燃料電池汽車關(guān)鍵零部件和裝備制造產(chǎn)業(yè)集群。

“未來(lái)，隨著氫能產(chǎn)業(yè)鏈的進(jìn)一步完善，氫燃料電池客車還將憑借安全、舒適、低碳的優(yōu)勢(shì)擴(kuò)展到更多的領(lǐng)域?！眲⒗^紅對(duì)我國(guó)氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展充滿了信心。

氫燃料電池汽車服務(wù)冬奧會(huì)

國(guó)產(chǎn)70兆帕氫瓶成功應(yīng)用于汽車

制氫站

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