氫能汽車產業化 技術層面有何為？

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

■中國工業報實習記者

氫燃料電池汽車全產業鏈核心技術積累依然需要長期的積淀。

“與豐田近三十年的技術相比，中國的(技術積累)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理王越對記者說。“相對于黑河的高寒氣候環境，張家口較大的溫差能夠為試驗數據的完整性提供有意義的參考價值。”在北方冬季寒冷地區，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)依然還在研究當中。”1月20日在中國電池聯盟舉辦的全國氫燃料電池汽車產業技術峰會上加拿大國家工程院院士張久俊表示。他介紹說，氫燃料電池內部化學反應的生成物是水，而燃料電池內部是多孔介質結構，低溫環境下的相變(液態水向固態冰轉變)會阻礙反應體在多孔介質內部的傳質，從而影響電化學反應，導致性能下降，產熱降低，甚至發熱失敗。

“目前，從車企公布的數據來看，豐田Mirai能夠在-30℃實現低溫冷啟動，上海榮威950能夠在-20℃度實現低溫冷啟動。”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峻。“宇通氫燃料電池客車，置于-30℃高寒環境艙20小時后，可實現15min內成功啟動，多次啟動后燃料電池系統性能無衰減，車載氫系統安全無泄漏。2018年12月29日，在黑河-25℃環境溫度下，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定。截止到2018年12月31日，25輛公交車累計運行里程超過45.9萬公里，單車平均運行里程為1.856萬公里。”

“問題是，在長期低溫環境下，車輛啟動對燃料電池壽命有何影響，目前還沒有相應的數據和報道。”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，導致電池壽命的衰減。”一位業內人士向記者介紹說。

應該大力發展電池動力系統核心技術

“燃料電池目前面臨很多挑戰，在電池發動機層面主要是膜電極和空壓機。”中國科學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方式層疊而成，是氫能燃料電池汽車動力系統的核心部件。在整個動力系統中，電堆的成本占據了總體的40%～55%。在電堆之中，膜電極組件又是關鍵中的關鍵。

“氫燃料電池動力系統中零部件基本能夠實現國產替代，但是膜電極組件還需要依賴進口，盡管國內科研機構有技術上的突破，但一些產品還是用國外的部件，因為國外產品的一致性相對較好。”一位業內人士告訴記者。

除了核心部件膜電極，氫燃料電池動力系統還需要大量的輔助系統，一般而言，電堆、氫氧供應系統、水熱管理系統、電能變換系統和控制系統一起組成了氫燃料電池的發電系統。

空壓機則是空氣壓縮機，是車用燃料電池氫氧供應系統的重要部件，它將常壓的空氣壓縮到燃料電池期望的壓力，由于燃料電池內部的化學反應對環境“苛刻”的要求，參與反應的空氣(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整。據介紹，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的效率、緊湊性和水平衡特性。目前廣泛應用的工業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鍵部件與國外存在較大的差距，如高性能空壓機，氫循環系統，水泵，散熱器，中冷器等大部分為進口設備，尤其是膜電極組件受制于人，亟需攻關。

氫氣的制備和存儲應尋求更多技術上的可能性

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業向規模化發展的另一瓶頸。

專家表示，主流的煤氣化制備氫氣的氫技術難點在于氫氣的提純，“煤氣化制得的氫氣雜質含量多且復雜，尤其是氣體硫含量較大，若達到氫燃料電池的質量標準，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的突破。

在加氫環節，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，“幾年前建設加氫站還有補貼，現在沒有了，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，記者從相關人士處獲悉，加氫站的建設本身難度并不大，而如今作為危化品管理的氫氣，在建設油-氫合建站及氣-氫合建站標準沒有明確且全國沒有統一的審批流程。加氫站本身的高投入還在于加氫部分設備及管壓管道及閥門管件尚不能國產化，基本依靠進口，不僅造價高而且供貨時間長。

車用儲氫技術也亟需攻關。目前常用的車用儲氫技術是高壓氣態儲氫，氣瓶作為儲氫容器在其中作用至關重要，據了解，目前車用儲氫氣瓶多是鋁內膽纖維纏繞瓶(Ⅲ型)和塑料內膽纖維纏繞瓶(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，高壓氣態儲氫是目前較為成熟的技術，但是能夠實現的質量儲氫密度相比于其他儲氫技術更小，若汽車長途運行，需要搭載更多的氣瓶。與國外相比，國外乘用車已經開始使用質量更輕、成本更低、質量儲氫密度更高的Ⅳ型瓶，而中國Ⅳ型瓶還處于研發階段。另外，由于中國生產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。

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

為此，張久俊認為在氫氣的制備和儲存上應尋求更多技術上的可能性。“發展站內加氫模式和研究新型儲氫材料，液/固態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挑戰，我國實際應用還不現實。

編輯 : 沈新竹

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