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【中國智能制造網(wǎng) 技術(shù)前沿】“與豐田近三十年的技術(shù)相比，中國的(技術(shù)積累)時(shí)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(shí)驗(yàn)的宇通10米燃料電池公交車項(xiàng)目經(jīng)理王越對(duì)記者說。“相對(duì)于黑河的高寒氣候環(huán)境，張家口較大的溫差能夠?yàn)樵囼?yàn)數(shù)據(jù)的完整性提供有意義的參考價(jià)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(dòng)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(yàn)的目的所在。
氫能汽車產(chǎn)業(yè)化 技術(shù)層面有何為？
車用氫燃料電池的低溫冷啟動(dòng)問題待解
“低溫冷啟動(dòng)對(duì)燃料電池壽命有何影響，(這項(xiàng)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(huì)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(huì)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(shí)現(xiàn)低溫冷啟動(dòng)，上海榮威950能夠在-20℃度實(shí)現(xiàn)低溫冷啟動(dòng)。”張久俊表示。
從宇通客車實(shí)驗(yàn)測(cè)試和氫燃料電池汽車示范運(yùn)營(yíng)情況來看，低溫冷啟動(dòng)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(shí)后，可實(shí)現(xiàn)15min內(nèi)成功啟動(dòng)，多次啟動(dòng)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(dòng)，滿載C-WTVC工況下，完成200km路試試驗(yàn)驗(yàn)證。”在日前舉辦的中國電動(dòng)汽車百人會(huì)論壇上國家電動(dòng)客車電控與安全工程技術(shù)研究中心副主任李飛強(qiáng)介紹說。同時(shí)他以張家口宇通客車的示范運(yùn)營(yíng)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(yùn)營(yíng)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(duì)穩(wěn)定。截止到2018年12月31日，25輛公交車?yán)塾?jì)運(yùn)行里程超過45.9萬公里，單車平均運(yùn)行里程為1.856萬公里。”
“問題是，在長(zhǎng)期低溫環(huán)境下，車輛啟動(dòng)對(duì)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(bào)道。”張久俊說。
而之所以氫燃料電池汽車的低溫冷啟動(dòng)受到關(guān)注，在于其核心部件氫燃料電池電堆是一個(gè)“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(dòng)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(dòng)機(jī)層面主要是膜電極和空壓機(jī)。”中國科學(xué)院院士歐陽明高不久前在電動(dòng)汽車百人會(huì)上表示。
在張家口億華通動(dòng)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(gè)由多個(gè)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(dòng)力系統(tǒng)的核心部件。在整個(gè)動(dòng)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(dòng)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(jìn)口，盡管國內(nèi)科研機(jī)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?yàn)閲猱a(chǎn)品的一致性相對(duì)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(dòng)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(jī)則是空氣壓縮機(jī)，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(duì)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(jī)進(jìn)行控制與調(diào)整。據(jù)介紹，車用氫燃料電池空壓機(jī)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(jī)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(jī)，氫循環(huán)系統(tǒng)，水泵，散熱器，中冷器等大部分為進(jìn)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(chǔ)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(chǔ)氫是制約氫能產(chǎn)業(yè)向規(guī)?；l(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(diǎn)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(dá)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(chǔ)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(bǔ)貼，現(xiàn)在沒有了，這對(duì)加氫站的運(yùn)營(yíng)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?；饭芾淼臍錃?，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(jìn)口，不僅造價(jià)高而且供貨時(shí)間長(zhǎng)。
車用儲(chǔ)氫技術(shù)也亟需攻關(guān)。目前常用的車用儲(chǔ)氫技術(shù)是高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫，氣瓶作為儲(chǔ)氫容器在其中作用至關(guān)重要，據(jù)了解，目前車用儲(chǔ)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(chǔ)氫中主要使用35MPa的Ⅲ型瓶。
專家表示，高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫是目前較為成熟的技術(shù)，但是能夠?qū)崿F(xiàn)的質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度相比于其他儲(chǔ)氫技術(shù)更小，若汽車長(zhǎng)途運(yùn)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?jī)?chǔ)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(jìn)口。
除了高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫，還有低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、高壓低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、金屬氫化物儲(chǔ)氫、有機(jī)液體儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)氫材料，液/固態(tài)加氫站可能是不錯(cuò)的選擇”，同時(shí)他也表示，上述場(chǎng)景還面臨著很大的技術(shù)挑戰(zhàn)，我國實(shí)際應(yīng)用還不現(xiàn)實(shí)。
(原標(biāo)題：氫能汽車產(chǎn)業(yè)化 技術(shù)層面有何為？)
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