“氫汽車”發(fā)展駛?cè)肟燔嚨?/h1>
2020-09-09 01:13:26谷業(yè)凱劉詩瑤
科學(xué)導(dǎo)報 2020年52期
谷業(yè)凱 劉詩瑤
加氫三分鐘，續(xù)航700公里，真正實現(xiàn)零排放……近年來，作為新能源汽車的主要技術(shù)路徑之一，“氫汽車”正帶給人們無窮的想象空間。
前不久，我國金屬雙極板水冷電堆技術(shù)取得重要突破。北京嘉清新能源科技有限公司依托清華大學(xué)毛宗強(qiáng)技術(shù)團(tuán)隊，成功研發(fā)出40千瓦車用金屬雙極板水冷電堆產(chǎn)品。第三方測試結(jié)果顯示，產(chǎn)品在體積功率密度、大電流持續(xù)穩(wěn)定放電能力、單位面積放電電流密度等關(guān)鍵指標(biāo)上，全面對標(biāo)國際一流產(chǎn)品，形成了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)體系。
那么，我國氫燃料電池汽車技術(shù)進(jìn)展如何？還有哪些瓶頸？未來前景怎樣？筆者進(jìn)行了采訪。
加注時間短、續(xù)航里程長，氫能被業(yè)界視為傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)理想的替代解決方案
氫能，被視為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉矗且环N二次能源。它的來源多樣，能實現(xiàn)終端零排放、環(huán)境友好;它的用途廣泛，除了發(fā)電、發(fā)熱，也是理想的交通替代能源。
上世紀(jì)70年代起，氫能的獨特優(yōu)勢被國際社會矚目。一些國家積極開發(fā)氫能、燃料電池等新一代能源技術(shù)。近年來，我國也大力支持氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。將氫能應(yīng)用于汽車行業(yè)，打造氫燃料電池汽車，是各方深思熟慮的結(jié)果。
國際氫能協(xié)會副主席、清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院毛宗強(qiáng)教授介紹，氫燃料電池汽車加注時間短、續(xù)航里程長、零排放、無污染，被業(yè)界視為傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)理想的替代解決方案。而且，氫能效能高且穩(wěn)定，僅少量水就能制備出可觀的氫氣，再轉(zhuǎn)換成電能，簡單便利。
從技術(shù)原理看，氫燃料電池由電堆、電控、供氫裝置、供空氣裝置等部件組成?！半姸咽墙M成燃料電池的最基礎(chǔ)、最關(guān)鍵的核心部件。電堆中的氫氣和氧氣相遇，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電。其中的技術(shù)難點在于，整個過程必須實現(xiàn)氣、水、熱、電、力這五個要素的相互協(xié)同，才能釋放出最大效能?！泵趶?qiáng)說。
關(guān)于氫燃料電池，國際通常兩條技術(shù)路線并行：金屬雙極板水冷電堆和石墨雙極板水冷電堆。前者在低溫啟動、體積與功率密度等方面具有優(yōu)勢，后者在可靠性、壽命和成本等方面有長處，是目前燃料電池商用車的首選對象。
我國是世界上氫資源最豐富的國家，同時擁有最大的汽車市場。但氫燃料電堆技術(shù)距離世界領(lǐng)先水平，還有一定差距。
專家解釋，電堆關(guān)鍵技術(shù)主要由國際主流車企掌握?！半姸言O(shè)計技術(shù)門檻高，對材料、加工工藝等要求極高。想要發(fā)展得好，必須依靠自主創(chuàng)新?！泵趶?qiáng)說，他率領(lǐng)的嘉清團(tuán)隊，就是通過提升電堆單位、縮小電堆體積等技術(shù)創(chuàng)新，降低電堆的成本，提升了電堆的體積功率密度。
尋找適合的商業(yè)化路徑也不容忽視。當(dāng)下，國內(nèi)氫能汽車多數(shù)采取“鋰電池+氫燃料電池”的電電混合模式，未來將向純氫燃料汽車方向發(fā)展。多家國內(nèi)企業(yè)大膽嘗試、持續(xù)攻關(guān)，實現(xiàn)氫燃料電池在大巴車、物流車、重卡、專用車等不同應(yīng)用場景的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
氫燃料電池汽車的發(fā)展不僅是一個技術(shù)問題，還依賴于整個產(chǎn)業(yè)鏈的支撐
近年來，隨著技術(shù)成熟度提升，氫燃料電池技術(shù)路線逐漸受到關(guān)注，“氫汽車”發(fā)展也駛?cè)搿翱燔嚨馈薄?019年，氫能首次寫進(jìn)《政府工作報告》，要求“推動充電、加氫等設(shè)施建設(shè)”;有關(guān)部門密集出臺政策，引導(dǎo)并鼓勵氫能和氫燃料電池技術(shù)的開發(fā)利用;大部分省區(qū)市出臺氫能發(fā)展規(guī)劃，即將到來的2022年冬奧會也有望為產(chǎn)業(yè)帶來新機(jī)遇……
在云?。ǚ鹕剑淠軜?biāo)準(zhǔn)化創(chuàng)新研發(fā)中心主任趙吉詩看來，氫燃料電池技術(shù)已經(jīng)逐漸進(jìn)入產(chǎn)業(yè)導(dǎo)入期，前景廣闊?！皣鴥?nèi)氫燃料電池汽車的保有量已經(jīng)超過6000輛，通過這幾千輛車逐步做驗證，有了支撐，就能促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步、降低成本，為規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化奠定基礎(chǔ)?！?/p>
然而，氫燃料電池汽車發(fā)展不僅是一個技術(shù)問題，還依賴于整個產(chǎn)業(yè)鏈的支撐，特別是上游的氫氣制取、儲運(yùn)以及加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施?！爸挥写蛟斐觥?、儲、運(yùn)、加、用一體化的產(chǎn)業(yè)鏈，才能進(jìn)一步推動氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)化和氫能商業(yè)化?！壁w吉詩強(qiáng)調(diào)。
在制氫方面，有電解水、煤制氫、天然氣制氫等主要方法。我國氫能來源廣泛，既有大量的工業(yè)副產(chǎn)氫氣，又有大量棄風(fēng)棄光電、低谷電等可供制氫的存量資源。氫制備出來后，需要運(yùn)輸至加氫站并貯存。我國普遍采用20兆帕的氣態(tài)高壓運(yùn)輸，經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)輸效率較低。
此外，我國長期把氫歸于?；饭芾?，也在一定程度上制約了氫能的利用。趙吉詩說：“認(rèn)可氫的能源屬性，按照車用能源進(jìn)行管理，才能進(jìn)一步滿足氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)化的需要?！?/p>
作為氫燃料電池汽車的基礎(chǔ)設(shè)施，加氫站也需大量新建。據(jù)了解，從2006年第一座加氫站落地，我國已累計建成61座加氫站，僅去年一年，就建成30座加氫站。廣東國鴻氫能科技有限公司副總經(jīng)理燕希強(qiáng)介紹，建設(shè)一座日加氫能力在500～1000千克的加氫站，成本在1500萬～2500萬元。他建議，未來可采取加氫、加油、充電站混建的方式來逐步降低運(yùn)營成本，擴(kuò)大加氫站建設(shè)規(guī)模。
國家層面也開始重視氫燃料電池汽車基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。今年4月，國家能源局發(fā)布《能源法（征求意見稿）》，首次將氫能納入能源種類;6月，住建部辦公廳發(fā)布關(guān)于國家標(biāo)準(zhǔn)《加氫站技術(shù)規(guī)范（局部修訂條文征求意見稿）》，擬新增液態(tài)氫儲存相關(guān)內(nèi)容及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。一系列政策的落地，有望進(jìn)一步推動全產(chǎn)業(yè)鏈降本增效。
燕希強(qiáng)表示，氫氣的制取、儲運(yùn)以及加氫站等產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)，直接決定了氫氣的加注價格，即車輛的使用成本?！艾F(xiàn)在氫燃料汽車的能源成本與燃油車差不多，急需通過產(chǎn)業(yè)鏈上游的規(guī)?；?，來降低氫燃料的使用成本?！?/p>
我國氫燃料電池汽車發(fā)展較快，核心技術(shù)方面還存在差距，應(yīng)繼續(xù)加大研發(fā)投入
過去10年，我國新能源汽車?yán)塾嬐茝V超過450萬輛，但大部分以純電動汽車為主。2016年，中國汽車工程學(xué)會發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》預(yù)計，我國氫燃料電池汽車?yán)塾嬩N量在2020年、2025年和2030年將分別達(dá)到5000輛、5萬輛和100萬輛。
近年來，我國氫燃料電池汽車銷量增速明顯。從2015年僅有10輛，到2019年全年銷售2737輛，累計銷量達(dá)6000多輛，已達(dá)成2020年的階段性目標(biāo)。其中，氫燃料電池商用車發(fā)展較快，在物流配送、公共出行等領(lǐng)域，實現(xiàn)了氫燃料汽車的商業(yè)化落地。乘用車方面，國內(nèi)一些車企雖然也在積極研發(fā)，但規(guī)模相對較小，占比較低。
在上海重塑能源科技有限公司董事長林琦看來，乘用車生產(chǎn)量大，又面向消費(fèi)端，開發(fā)、驗證的周期較長。此外，加氫站目前還沒有形成網(wǎng)絡(luò)，使得氫燃料電池乘用車相對純電動汽車，仍然發(fā)展較緩。趙吉詩也認(rèn)為：“如果技術(shù)突破帶動成本降低，乘用車市場巨大?！?/p>
技術(shù)層面，我國已經(jīng)初步掌握了氫燃料電池電堆、空壓機(jī)等關(guān)鍵材料技術(shù)，大部分零部件能實現(xiàn)不同程度的國產(chǎn)化，但與國外先進(jìn)水平相比，仍存在一定差距?！皻淙剂想姵仉姸训暮诵牧悴考?，如催化劑、質(zhì)子交換膜等，一些關(guān)鍵材料和部件仍依賴進(jìn)口，核心技術(shù)離產(chǎn)業(yè)化還有一定距離。”鴻基創(chuàng)能科技（廣州）有限公司副董事長、首席技術(shù)官葉思宇表示。
今年4月，財政部等公布《四部委關(guān)于完善新能源汽車推廣應(yīng)用財政補(bǔ)貼政策的通知》，提出爭取通過4年左右時間，建立氫能和燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈，關(guān)鍵核心技術(shù)取得突破，形成布局合理、協(xié)同發(fā)展的良好局面?！凹夹g(shù)和產(chǎn)業(yè)的全面發(fā)展需要一定的沉淀?！比~思宇說，要從產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的角度出發(fā)，不斷加大研發(fā)投入，把知識成果轉(zhuǎn)化成產(chǎn)業(yè)，并通過產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，促進(jìn)創(chuàng)新技術(shù)發(fā)展。
專家同時指出，放眼新能源汽車領(lǐng)域，氫燃料電池汽車與純電動汽車既有一定程度的競爭，又相輔相成，關(guān)鍵是要能夠形成能源革命的合力，共同驅(qū)動一個更加美好的未來。隨著我國在燃料電池電堆技術(shù)上取得突破，期待更多的示范企業(yè)以點帶面，推動我國燃料電池和氫能汽車產(chǎn)業(yè)的有序發(fā)展，形成氫能經(jīng)濟(jì)的崛起態(tài)勢。
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那么，我國氫燃料電池汽車技術(shù)進(jìn)展如何？還有哪些瓶頸？未來前景怎樣？筆者進(jìn)行了采訪。
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從技術(shù)原理看，氫燃料電池由電堆、電控、供氫裝置、供空氣裝置等部件組成?！半姸咽墙M成燃料電池的最基礎(chǔ)、最關(guān)鍵的核心部件。電堆中的氫氣和氧氣相遇，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電。其中的技術(shù)難點在于，整個過程必須實現(xiàn)氣、水、熱、電、力這五個要素的相互協(xié)同，才能釋放出最大效能?！泵趶?qiáng)說。
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我國是世界上氫資源最豐富的國家，同時擁有最大的汽車市場。但氫燃料電堆技術(shù)距離世界領(lǐng)先水平，還有一定差距。
專家解釋，電堆關(guān)鍵技術(shù)主要由國際主流車企掌握?！半姸言O(shè)計技術(shù)門檻高，對材料、加工工藝等要求極高。想要發(fā)展得好，必須依靠自主創(chuàng)新?！泵趶?qiáng)說，他率領(lǐng)的嘉清團(tuán)隊，就是通過提升電堆單位、縮小電堆體積等技術(shù)創(chuàng)新，降低電堆的成本，提升了電堆的體積功率密度。
尋找適合的商業(yè)化路徑也不容忽視。當(dāng)下，國內(nèi)氫能汽車多數(shù)采取“鋰電池+氫燃料電池”的電電混合模式，未來將向純氫燃料汽車方向發(fā)展。多家國內(nèi)企業(yè)大膽嘗試、持續(xù)攻關(guān)，實現(xiàn)氫燃料電池在大巴車、物流車、重卡、專用車等不同應(yīng)用場景的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
氫燃料電池汽車的發(fā)展不僅是一個技術(shù)問題，還依賴于整個產(chǎn)業(yè)鏈的支撐
近年來，隨著技術(shù)成熟度提升，氫燃料電池技術(shù)路線逐漸受到關(guān)注，“氫汽車”發(fā)展也駛?cè)搿翱燔嚨馈薄?019年，氫能首次寫進(jìn)《政府工作報告》，要求“推動充電、加氫等設(shè)施建設(shè)”;有關(guān)部門密集出臺政策，引導(dǎo)并鼓勵氫能和氫燃料電池技術(shù)的開發(fā)利用;大部分省區(qū)市出臺氫能發(fā)展規(guī)劃，即將到來的2022年冬奧會也有望為產(chǎn)業(yè)帶來新機(jī)遇……
在云?。ǚ鹕剑淠軜?biāo)準(zhǔn)化創(chuàng)新研發(fā)中心主任趙吉詩看來，氫燃料電池技術(shù)已經(jīng)逐漸進(jìn)入產(chǎn)業(yè)導(dǎo)入期，前景廣闊?！皣鴥?nèi)氫燃料電池汽車的保有量已經(jīng)超過6000輛，通過這幾千輛車逐步做驗證，有了支撐，就能促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步、降低成本，為規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化奠定基礎(chǔ)?！?/p>
然而，氫燃料電池汽車發(fā)展不僅是一個技術(shù)問題，還依賴于整個產(chǎn)業(yè)鏈的支撐，特別是上游的氫氣制取、儲運(yùn)以及加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施?！爸挥写蛟斐觥?、儲、運(yùn)、加、用一體化的產(chǎn)業(yè)鏈，才能進(jìn)一步推動氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)化和氫能商業(yè)化?！壁w吉詩強(qiáng)調(diào)。
在制氫方面，有電解水、煤制氫、天然氣制氫等主要方法。我國氫能來源廣泛，既有大量的工業(yè)副產(chǎn)氫氣，又有大量棄風(fēng)棄光電、低谷電等可供制氫的存量資源。氫制備出來后，需要運(yùn)輸至加氫站并貯存。我國普遍采用20兆帕的氣態(tài)高壓運(yùn)輸，經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)輸效率較低。
此外，我國長期把氫歸于?；饭芾?，也在一定程度上制約了氫能的利用。趙吉詩說：“認(rèn)可氫的能源屬性，按照車用能源進(jìn)行管理，才能進(jìn)一步滿足氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)化的需要?！?/p>
作為氫燃料電池汽車的基礎(chǔ)設(shè)施，加氫站也需大量新建。據(jù)了解，從2006年第一座加氫站落地，我國已累計建成61座加氫站，僅去年一年，就建成30座加氫站。廣東國鴻氫能科技有限公司副總經(jīng)理燕希強(qiáng)介紹，建設(shè)一座日加氫能力在500～1000千克的加氫站，成本在1500萬～2500萬元。他建議，未來可采取加氫、加油、充電站混建的方式來逐步降低運(yùn)營成本，擴(kuò)大加氫站建設(shè)規(guī)模。
國家層面也開始重視氫燃料電池汽車基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。今年4月，國家能源局發(fā)布《能源法（征求意見稿）》，首次將氫能納入能源種類;6月，住建部辦公廳發(fā)布關(guān)于國家標(biāo)準(zhǔn)《加氫站技術(shù)規(guī)范（局部修訂條文征求意見稿）》，擬新增液態(tài)氫儲存相關(guān)內(nèi)容及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。一系列政策的落地，有望進(jìn)一步推動全產(chǎn)業(yè)鏈降本增效。
燕希強(qiáng)表示，氫氣的制取、儲運(yùn)以及加氫站等產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)，直接決定了氫氣的加注價格，即車輛的使用成本?！艾F(xiàn)在氫燃料汽車的能源成本與燃油車差不多，急需通過產(chǎn)業(yè)鏈上游的規(guī)?；?，來降低氫燃料的使用成本?！?/p>
我國氫燃料電池汽車發(fā)展較快，核心技術(shù)方面還存在差距，應(yīng)繼續(xù)加大研發(fā)投入
過去10年，我國新能源汽車?yán)塾嬐茝V超過450萬輛，但大部分以純電動汽車為主。2016年，中國汽車工程學(xué)會發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》預(yù)計，我國氫燃料電池汽車?yán)塾嬩N量在2020年、2025年和2030年將分別達(dá)到5000輛、5萬輛和100萬輛。
近年來，我國氫燃料電池汽車銷量增速明顯。從2015年僅有10輛，到2019年全年銷售2737輛，累計銷量達(dá)6000多輛，已達(dá)成2020年的階段性目標(biāo)。其中，氫燃料電池商用車發(fā)展較快，在物流配送、公共出行等領(lǐng)域，實現(xiàn)了氫燃料汽車的商業(yè)化落地。乘用車方面，國內(nèi)一些車企雖然也在積極研發(fā)，但規(guī)模相對較小，占比較低。
在上海重塑能源科技有限公司董事長林琦看來，乘用車生產(chǎn)量大，又面向消費(fèi)端，開發(fā)、驗證的周期較長。此外，加氫站目前還沒有形成網(wǎng)絡(luò)，使得氫燃料電池乘用車相對純電動汽車，仍然發(fā)展較緩。趙吉詩也認(rèn)為：“如果技術(shù)突破帶動成本降低，乘用車市場巨大?！?/p>
技術(shù)層面，我國已經(jīng)初步掌握了氫燃料電池電堆、空壓機(jī)等關(guān)鍵材料技術(shù)，大部分零部件能實現(xiàn)不同程度的國產(chǎn)化，但與國外先進(jìn)水平相比，仍存在一定差距?！皻淙剂想姵仉姸训暮诵牧悴考?，如催化劑、質(zhì)子交換膜等，一些關(guān)鍵材料和部件仍依賴進(jìn)口，核心技術(shù)離產(chǎn)業(yè)化還有一定距離。”鴻基創(chuàng)能科技（廣州）有限公司副董事長、首席技術(shù)官葉思宇表示。
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