圖為2019中國電動汽車百人會論壇上用于擺渡氫燃料電池汽車。

江暉

■中國工業(yè)報實習(xí)記者

氫燃料電池汽車全產(chǎn)業(yè)鏈核心技術(shù)積累依然需要長期的積淀。

“與豐田近三十年的技術(shù)相比，中國的(技術(shù)積累)時間還是短了一些。”日前，剛從黑河趕到張家口做氫能燃料電池客車高寒實驗的宇通10米燃料電池公交車項目經(jīng)理王越對記者說。“相對于黑河的高寒氣候環(huán)境，張家口較大的溫差能夠為試驗數(shù)據(jù)的完整性提供有意義的參考價值。”在北方冬季寒冷地區(qū)，保障車用氫燃料電池能夠在低溫冷啟動非常重要，這也是王越在熱河和張家口做氫能燃料電池客車高寒試驗的目的所在。

車用氫燃料電池的低溫冷啟動問題待解

“低溫冷啟動對燃料電池壽命有何影響，(這項課題)依然還在研究當(dāng)中。”1月20日在中國電池聯(lián)盟舉辦的全國氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)峰會上加拿大國家工程院院士張久俊表示。他介紹說，氫燃料電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)的生成物是水，而燃料電池內(nèi)部是多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)，低溫環(huán)境下的相變(液態(tài)水向固態(tài)冰轉(zhuǎn)變)會阻礙反應(yīng)體在多孔介質(zhì)內(nèi)部的傳質(zhì)，從而影響電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致性能下降，產(chǎn)熱降低，甚至發(fā)熱失敗。

“目前，從車企公布的數(shù)據(jù)來看，豐田Mirai能夠在-30℃實現(xiàn)低溫冷啟動，上海榮威950能夠在-20℃度實現(xiàn)低溫冷啟動。”張久俊表示。

從宇通客車實驗測試和氫燃料電池汽車示范運營情況來看，低溫冷啟動問題似乎并不嚴(yán)峻。“宇通氫燃料電池客車，置于-30℃高寒環(huán)境艙20小時后，可實現(xiàn)15min內(nèi)成功啟動，多次啟動后燃料電池系統(tǒng)性能無衰減，車載氫系統(tǒng)安全無泄漏。2018年12月29日，在黑河-25℃環(huán)境溫度下，宇通燃料電池公交完成了整車8.2分鐘啟動，滿載C-WTVC工況下，完成200km路試試驗驗證。”在日前舉辦的中國電動汽車百人會論壇上國家電動客車電控與安全工程技術(shù)研究中心副主任李飛強介紹說。同時他以張家口宇通客車的示范運營為例，表示宇通氫燃料公交搭載60kW燃料電池系統(tǒng)在示范運營期間，能夠完全滿足整車全部能量需求，燃料電池功率輸出相對穩(wěn)定。截止到2018年12月31日，25輛公交車?yán)塾嬤\行里程超過45.9萬公里，單車平均運行里程為1.856萬公里。”

“問題是，在長期低溫環(huán)境下，車輛啟動對燃料電池壽命有何影響，目前還沒有相應(yīng)的數(shù)據(jù)和報道。”張久俊說。

而之所以氫燃料電池汽車的低溫冷啟動受到關(guān)注，在于其核心部件氫燃料電池電堆是一個“敏感”部件，“通入氫氣的溫度和純度都能影響其工作的效能，導(dǎo)致電池壽命的衰減。”一位業(yè)內(nèi)人士向記者介紹說。

應(yīng)該大力發(fā)展電池動力系統(tǒng)核心技術(shù)

“燃料電池目前面臨很多挑戰(zhàn)，在電池發(fā)動機層面主要是膜電極和空壓機。”中國科學(xué)院院士歐陽明高不久前在電動汽車百人會上表示。

在張家口億華通動力科技有限公司的一層展示大廳，記者見到了氫燃料電池電堆。這是一個由多個黑色板塊層層疊疊的物件，將雙極板與膜電極三合一組建的單體電池以串聯(lián)方式層疊而成，是氫能燃料電池汽車動力系統(tǒng)的核心部件。在整個動力系統(tǒng)中，電堆的成本占據(jù)了總體的40%～55%。在電堆之中，膜電極組件又是關(guān)鍵中的關(guān)鍵。

“氫燃料電池動力系統(tǒng)中零部件基本能夠?qū)崿F(xiàn)國產(chǎn)替代，但是膜電極組件還需要依賴進口，盡管國內(nèi)科研機構(gòu)有技術(shù)上的突破，但一些產(chǎn)品還是用國外的部件，因為國外產(chǎn)品的一致性相對較好。”一位業(yè)內(nèi)人士告訴記者。

除了核心部件膜電極，氫燃料電池動力系統(tǒng)還需要大量的輔助系統(tǒng)，一般而言，電堆、氫氧供應(yīng)系統(tǒng)、水熱管理系統(tǒng)、電能變換系統(tǒng)和控制系統(tǒng)一起組成了氫燃料電池的發(fā)電系統(tǒng)。

空壓機則是空氣壓縮機，是車用燃料電池氫氧供應(yīng)系統(tǒng)的重要部件，它將常壓的空氣壓縮到燃料電池期望的壓力，由于燃料電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)對環(huán)境“苛刻”的要求，參與反應(yīng)的空氣(其中的氧氣)的溫度、濕度、壓力和流量需要空壓機進行控制與調(diào)整。據(jù)介紹，車用氫燃料電池空壓機的性能可以直接影響燃料電池系統(tǒng)的效率、緊湊性和水平衡特性。目前廣泛應(yīng)用的工業(yè)壓縮機無法滿足其性能需求。

張久俊表示，中國車用氫能燃料電池在關(guān)鍵部件與國外存在較大的差距，如高性能空壓機，氫循環(huán)系統(tǒng)，水泵，散熱器，中冷器等大部分為進口設(shè)備，尤其是膜電極組件受制于人，亟需攻關(guān)。

氫氣的制備和存儲應(yīng)尋求更多技術(shù)上的可能性

在氫能燃料電池汽車上游，低成本制備氫氣和儲氫是制約氫能產(chǎn)業(yè)向規(guī)模化發(fā)展的另一瓶頸。

專家表示，主流的煤氣化制備氫氣的氫技術(shù)難點在于氫氣的提純，“煤氣化制得的氫氣雜質(zhì)含量多且復(fù)雜，尤其是氣體硫含量較大，若達到氫燃料電池的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，其處理成本及難度較大。

與制氫相比較，更大的難度在于儲氫技術(shù)的突破。

在加氫環(huán)節(jié)，首先是加氫站的成本。“建成一座加氫站大概需要1000萬元。”王越說，“幾年前建設(shè)加氫站還有補貼，現(xiàn)在沒有了，這對加氫站的運營帶來了很大的困難。”成本高的困難是多方面的，記者從相關(guān)人士處獲悉，加氫站的建設(shè)本身難度并不大，而如今作為危化品管理的氫氣，在建設(shè)油-氫合建站及氣-氫合建站標(biāo)準(zhǔn)沒有明確且全國沒有統(tǒng)一的審批流程。加氫站本身的高投入還在于加氫部分設(shè)備及管壓管道及閥門管件尚不能國產(chǎn)化，基本依靠進口，不僅造價高而且供貨時間長。

車用儲氫技術(shù)也亟需攻關(guān)。目前常用的車用儲氫技術(shù)是高壓氣態(tài)儲氫，氣瓶作為儲氫容器在其中作用至關(guān)重要，據(jù)了解，目前車用儲氫氣瓶多是鋁內(nèi)膽纖維纏繞瓶(Ⅲ型)和塑料內(nèi)膽纖維纏繞瓶(Ⅳ型)，我國大多是使用Ⅲ型瓶，這種氣瓶以鍛壓鋁合金為內(nèi)膽，外面包覆碳纖維，使用壓力主要有35MPa、70MPa兩種。我國車載儲氫中主要使用35MPa的Ⅲ型瓶。

專家表示，高壓氣態(tài)儲氫是目前較為成熟的技術(shù)，但是能夠?qū)崿F(xiàn)的質(zhì)量儲氫密度相比于其他儲氫技術(shù)更小，若汽車長途運行，需要搭載更多的氣瓶。與國外相比，國外乘用車已經(jīng)開始使用質(zhì)量更輕、成本更低、質(zhì)量儲氫密度更高的Ⅳ型瓶，而中國Ⅳ型瓶還處于研發(fā)階段。另外，由于中國生產(chǎn)的碳纖維還不能滿足車用氫瓶的要求，中國制作的Ⅲ型瓶的主要原材料碳纖維仍依賴進口。

除了高壓氣態(tài)儲氫，還有低溫液態(tài)儲氫、高壓低溫液態(tài)儲氫、金屬氫化物儲氫、有機液體儲氫。上述技術(shù)都有著安全性不高，操作條件嚴(yán)苛，成本過高等不同程度的問題。

為此，張久俊認(rèn)為在氫氣的制備和儲存上應(yīng)尋求更多技術(shù)上的可能性。“發(fā)展站內(nèi)加氫模式和研究新型儲氫材料，液/固態(tài)加氫站可能是不錯的選擇”，同時他也表示，上述場景還面臨著很大的技術(shù)挑戰(zhàn)，我國實際應(yīng)用還不現(xiàn)實。

編輯 : 沈新竹

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