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氢燃料电池汽车:从0到1再到100

来源:中国科学报 作者:郑金武 人气: 发布时间:2022-03-02 09:27:16

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国产70兆帕储氢瓶成功应用于氢燃料电池汽车。郑金武摄

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

此前,由于面临技术、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”的举办则极大助推了该产业的长足发展和示范应用。

2008年北京夏季奥运会期间投入运行了3辆氢燃料电池汽车,并建成我国首座车用加氢站,开启氢燃料电池汽车“从0到1”的示范应用。“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。”北京市经济和信息化局汽车交通处副处长吴志全表示,我国已实现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关键。

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,电池堆的催化剂普遍采用贵金属铂,技术难度大、产业化程度不高,导致电池总体成本较高,难以实现规模化应用。

2008年北京奥运会期间,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。”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乘用车每百公里减排二氧化碳约18.79公斤,丰田柯斯达中巴车每百公里减排二氧化碳约47.01公斤,丰田—福田合作开发的12米大巴车,每百公里减排二氧化碳约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

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。

北京亿华通科技股份有限公司(以下简称亿华通)常务副总经理于民告诉《中国科学报》,该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,仅用116秒就可成功启动。”于民表示,这为在北方地区规模化推广氢燃料电池汽车奠定了基础。

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

北京理工华创电动车技术有限公司还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‘卡脖子’的境况,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

吴志全表示,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”全产业链布局,并实现了自主可控。

在氢能源头方面,环宇京辉京城气体科技有限公司参与了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,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,该公司还与京能集团合作,利用光伏、风能等产生的“绿电”进行氢气制取工作,实现“绿电制绿氢” 。

而传统燃油企业燕山石化也在制氢领域积极布局。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。

我国加氢站建设流程也在不断优化。“加氢站安全等级要求较高,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。吴志全介绍,北京将围绕“车用在哪儿、氢从哪儿来、技术如何突破、产业如何持续发展”四大关键问题,打造氢燃料电池汽车关键零部件和装备制造产业集群。

“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。”刘继红说。

(编辑:逍遥客)

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