在河北張家口太子城服務區(qū)的加氫站里，氫燃料電池汽車駛?cè)牒螅恍鑾追昼姇r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500公里。
發(fā)展氫燃料電池汽車，發(fā)揮氫氣、氧氣電化學反應輸出物為水、電、熱，全過程無污染物和碳排放的優(yōu)勢，是交通領域踐行能源革命和實現(xiàn)“雙碳”目標的重要方式之一。但此前，由于技術、產(chǎn)業(yè)、成本等瓶頸性難題，我國氫能產(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，極大助推了我國氫能產(chǎn)業(yè)和氫燃料汽車的長足發(fā)展和示范應用。
早在2008年，北京奧運會投入運行了3輛氫燃料電池汽車，并建成了我國首座車用加氫站，開啟了氫燃料電池汽車“從0到1”的示范。“北京2022年冬奧會，共計投入使用816輛氫燃料電池汽車，作為主運力開展示范運營服務。”北京市經(jīng)信局汽車交通處副處長吳志全表示，我國已實現(xiàn)了氫能和氫燃料電池汽車“從1到100”的規(guī)模化應用和產(chǎn)業(yè)化突破。
走向規(guī)模化示范應用
技術和成本是氫燃料電池汽車走向規(guī)模化應用的核心問題。
清華大學核能與新能源技術研究院研究員王誠表示，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，技術難度高，產(chǎn)業(yè)化程度不足，導致電池總體成本較高，難以實現(xiàn)規(guī)模化應用。
2008年，3輛氫燃料電池客車由福田汽車公司提供。而今年的北京冬奧會期間，福田汽車公司帶來了515輛氫燃料電池汽車。
“福田汽車和豐田汽車、億華通公司三方共同合作，推出了可商用的系列氫燃料電池客車。”福田汽車歐輝客車事業(yè)部研發(fā)副總裁劉繼紅告訴《中國科學報》，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)外提供接駁運輸服務。
“北京冬奧會為氫能和氫燃料電池汽車示范應用提供了世界級舞臺，是對我國氫能和氫燃料電池汽車全產(chǎn)業(yè)鏈的一次全面檢驗。”吳志全介紹，北京冬奧會上的816輛氫燃料電池汽車，包括豐田全新Mirai第二代乘用車、首次實現(xiàn)本土研發(fā)及生產(chǎn)的豐田柯斯達中巴車、豐田-福田首次合作開發(fā)的大巴車等。
而氫燃料電池汽車的應用，也使交通領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。
“北京市兩個賽區(qū)投入312輛氫燃料電池汽車，自冬奧會2月4日開幕以來到2月14日，累計用氫約42.04噸，二氧化碳減排作用十分明顯。”吳志全表示。
關鍵技術實現(xiàn)國產(chǎn)替代
從燃油車到氫燃料電池汽車的跨越，不是簡單地從“燒油”變?yōu)?ldquo;燒氫氣”，背后是氫燃料電池發(fā)動機核心技術、多重耦合安全技術、全氣候動力電池技術等一系列最新技術的探索和應用。
王誠介紹，此前我國的制氫效率比較低，氫氣儲存和整個供應鏈體系依然使用傳統(tǒng)技術，氫燃料電池的主要原材料如碳紙、催化劑等都依靠進口。
但如今，氫燃料電池汽車的許多關鍵技術，都已經(jīng)實現(xiàn)了國產(chǎn)替代。
“在冬奧運輸服務保障中，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、空壓機等零部件主要由北京企業(yè)供給。”吳志全介紹。
北京億華通科技股份有限公司常務副總經(jīng)理于民告訴《中國科學報》，在北京市“高環(huán)境耐受性燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)品研制”項目的支持下，公司研發(fā)的燃料電池發(fā)動機系列產(chǎn)品，耐低溫性能提前兩年達到國家標準，并已應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)動機就在海拉爾完成了極寒測試。“測試結果顯示，氫燃料電池客車在-30℃的環(huán)境下，放置超過8小時后，進行超低溫冷啟動測試，116秒就成功啟動。”于民表示，這為在北方地區(qū)規(guī)模化推廣燃料電池汽車奠定了基礎。
而北京新研創(chuàng)能科技有限公司則在近日完成了220千瓦級燃料電池模塊的研發(fā)，使氫燃料電池的應用場景擴展到重型卡車領域。
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。公司為此開發(fā)了雙堆燃料電池模塊，并突破相關技術難題，實現(xiàn)了兩個電堆的流體的均勻分配。
北京天海氫能裝備有限公司則開發(fā)了70兆帕儲氫瓶，實現(xiàn)了國產(chǎn)替代，并交付冬奧會燃料電池客車使用，極大拓展了氫燃料電池汽車的續(xù)航里程。
“我們開發(fā)了燃料電池用大流量高壓減壓裝置，開展氫燃料系統(tǒng)高壓管路連接及密封可靠性研究，集成了瓶閥、高壓管路、儲氫瓶等部件，為氫燃料電池客車提供車載儲氫系統(tǒng)產(chǎn)品。”北京天海氫能裝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、北京理工大學等單位合作，打造了全氣候動力電池，該成果具有升溫快速、耗能低、加熱均勻的優(yōu)點，能夠解決電池在極寒環(huán)境下的使用“瓶頸”問題。
北京理工華創(chuàng)電動車技術有限公司實現(xiàn)了氫燃料電池汽車雙電機及變速箱一體化設計，由動力控制器實現(xiàn)兩臺電機高效協(xié)同配合，使車輛整體動力性能明顯增強，百公里能耗降低。該系統(tǒng)在扭矩、功率、爬坡、車速、舒適、經(jīng)濟六方面，性能均優(yōu)于單電機動力系統(tǒng)。
“正是這些技術突破，使得我國氫燃料電池汽車在關鍵技術上擺脫了被‘卡脖子’，也為我國氫燃料電池汽車下一步產(chǎn)業(yè)化奠定了基礎。”吳志全表示。
產(chǎn)業(yè)鏈邁向自主可控
“氫氣的供應鏈體系還不健全，制氫、儲氫、運氫沒有形成完備高效的供應鏈體系。”王誠認為，這是限制我國氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的又一大關鍵問題，規(guī)模、廉價的氫氣資源匱乏，制約了氫燃料電池汽車的規(guī)模化應用。
2020年國務院辦公廳印發(fā)的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035）》提出，我國要“提高氫燃料制儲運經(jīng)濟性。因地制宜開展工業(yè)副產(chǎn)氫及可再生能源制氫技術應用，加快推進先進適用儲氫材料產(chǎn)業(yè)化”，“健全氫燃料制儲運、加注等標準體系”。
如今，“我國在氫能和氫燃料電池產(chǎn)業(yè)方面，已實現(xiàn)了‘制、儲、運、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)鏈實現(xiàn)了自主可控。”吳志全表示。
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牽頭承擔的科技部國家重點研發(fā)課題“科技冬奧‘氫能出行’關鍵技術研發(fā)和應用示范”項目，主要任務是參與加氫站建設，并協(xié)助建立“制、儲、運、加”全供應鏈信息監(jiān)控系統(tǒng)。
“環(huán)宇京輝擁有煤、天然氣提碳制氫，氣態(tài)高壓儲氫，超純氫氣提純，副產(chǎn)氫提純等多項核心技術，所生產(chǎn)的氫氣純度高達99.99999%，氫氣年產(chǎn)能1200萬立方米。”環(huán)宇京輝京城氣體科技有限公司副總經(jīng)理張巖向《中國科學報》介紹，環(huán)宇京輝還與京能集團合作，利用由光伏、風能等所產(chǎn)生的“綠電”進行氫氣的制取工作，實現(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域開展布局。在北京冬奧會期間，為保障氫源供應，燕山石化和環(huán)宇京輝的制氫能力達到7.2噸/天，為冬奧會氫燃料電池汽車提供了充足的清潔氫源供給。
加氫站建設的流程也不斷優(yōu)化。“加氫站屬于新生事物，安全等級要求較高，相關技術仍處于不斷發(fā)展完善階段。”吳志全表示，為確保加氫站安全穩(wěn)定運行，國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積累了豐富的經(jīng)驗。
示范應用也帶動了氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)標準的極大進步。為實現(xiàn)氫燃料電池汽車在冬奧場景的使用，我國推動修訂了《燃料電池電動汽車加氫口》《燃料電池電動汽車車載氫系統(tǒng)試驗方法》等多項標準。“這使我國氫能與燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)往高端化發(fā)展。”劉繼紅表示。
氫能產(chǎn)業(yè)也成為各地“十四五”產(chǎn)業(yè)規(guī)劃的重點。在北京，“正在落實氫能和氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，積極推動京津冀燃料電池汽車示范城市群建設。”吳志全介紹，北京將圍繞“車用在哪、氫從哪來、技術如何突破、產(chǎn)業(yè)如何持續(xù)發(fā)展”四大關鍵問題，打造燃料電池汽車關鍵零部件和裝備制造產(chǎn)業(yè)集群。
“未來，隨著氫能產(chǎn)業(yè)鏈的進一步完善，氫燃料電池客車還將憑借安全、舒適、低碳的優(yōu)勢擴展到更多的領域。”劉繼紅對我國氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展充滿了信心。
