钜大LARGE | 点击量：452次 | 2019年03月02日
氢能汽车产业化在技术层面需要哪些努力
氢燃料电池汽车全产业链核心技术积累依然需要长期的积淀。
“与丰田近三十年的技术相比，中国的（技术积累）时间还是短了一些。”日前，刚从黑河赶到张家口做氢能燃料电池客车高寒实验的宇通10米燃料电池公交车项目经理王越对记者说。“相对于黑河的高寒气候环境，张家口较大的温差能够为试验数据的完整性提供有意义的参考价值。”在北方冬季寒冷地区，保障车用氢燃料电池能够在低温冷启动非常重要，这也是王越在热河和张家口做氢能燃料电池客车高寒试验的目的所在。
车用氢燃料电池的低温冷启动问题待解
“低温冷启动对燃料电池寿命有何影响，（这项课题）依然还在研究当中。”1月20日在中国电池联盟举办的全国氢燃料电池汽车产业技术峰会上加拿大国家工程院院士张久俊表示。他介绍说，氢燃料电池内部化学反应的生成物是水，而燃料电池内部是多孔介质结构，低温环境下的相变（液态水向固态冰转变）会阻碍反应体在多孔介质内部的传质，从而影响电化学反应，导致性能下降，产热降低，甚至发热失败。
“目前，从车企公布的数据来看，丰田Mirai能够在-30℃实现低温冷启动，上海荣威950能够在-20℃度实现低温冷启动。”张久俊表示。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
从宇通客车实验测试和氢燃料电池汽车示范运营情况来看，低温冷启动问题似乎并不严峻。“宇通氢燃料电池客车，置于-30℃高寒环境舱20小时后，可实现15min内成功启动，多次启动后燃料电池系统性能无衰减，车载氢系统安全无泄漏。2018年12月29日，在黑河-25℃环境温度下，宇通燃料电池公交完成了整车8.2分钟启动，满载C-WTVC工况下，完成200km路试试验验证。”在日前举办的中国电动汽车百人会论坛上国家电动客车电控与安全工程技术研究中心副主任李飞强介绍说。同时他以张家口宇通客车的示范运营为例，表示宇通氢燃料公交搭载60kW燃料电池系统在示范运营期间，能够完全满足整车全部能量需求，燃料电池功率输出相对稳定。截止到2018年12月31日，25辆公交车累计运行里程超过45.9万公里，单车平均运行里程为1.856万公里。”
“问题是，在长期低温环境下，车辆启动对燃料电池寿命有何影响，目前还没有相应的数据和报道。”张久俊说。
而之所以氢燃料电池汽车的低温冷启动受到关注，在于其核心部件氢燃料电池电堆是一个“敏感”部件，“通入氢气的温度和纯度都能影响其工作的效能，导致电池寿命的衰减。”一位业内人士向记者介绍说。
应该大力发展电池动力系统核心技术
“燃料电池目前面临很多挑战，在电池发动机层面主要是膜电极和空压机。”中国科学院院士欧阳明高不久前在电动汽车百人会上表示。
在张家口亿华通动力科技有限公司的一层展示大厅，记者见到了氢燃料电池电堆。这是一个由多个黑色板块层层叠叠的物件，将双极板与膜电极三合一组建的单体电池以串联方式层叠而成，是氢能燃料电池汽车动力系统的核心部件。在整个动力系统中，电堆的成本占据了总体的40%～55%。在电堆之中，膜电极组件又是关键中的关键。
“氢燃料电池动力系统中零部件基本能够实现国产替代，但是膜电极组件还需要依赖进口，尽管国内科研机构有技术上的突破，但一些产品还是用国外的部件，因为国外产品的一致性相对较好。”一位业内人士告诉记者。
除了核心部件膜电极，氢燃料电池动力系统还需要大量的辅助系统，一般而言，电堆、氢氧供应系统、水热管理系统、电能变换系统和控制系统一起组成了氢燃料电池的发电系统。
空压机则是空气压缩机，是车用燃料电池氢氧供应系统的重要部件，它将常压的空气压缩到燃料电池期望的压力，由于燃料电池内部的化学反应对环境“苛刻”的要求，参与反应的空气（其中的氧气）的温度、湿度、压力和流量需要空压机进行控制与调整。据介绍，车用氢燃料电池空压机的性能可以直接影响燃料电池系统的效率、紧凑性和水平衡特性。目前广泛应用的工业压缩机无法满足其性能需求。
张久俊表示，中国车用氢能燃料电池在关键部件与国外存在较大的差距，如高性能空压机，氢循环系统，水泵，散热器，中冷器等大部分为进口设备，尤其是膜电极组件受制于人，亟需攻关。
氢气的制备和存储应寻求更多技术上的可能性
在氢能燃料电池汽车上游，低成本制备氢气和储氢是制约氢能产业向规模化发展的另一瓶颈。
专家表示，主流的煤气化制备氢气的氢技术难点在于氢气的提纯，“煤气化制得的氢气杂质含量多且复杂，尤其是气体硫含量较大，若达到氢燃料电池的质量标准，其处理成本及难度较大。
与制氢相比较，更大的难度在于储氢技术的突破。
在加氢环节，首先是加氢站的成本。“建成一座加氢站大概需要1000万元。”王越说，“几年前建设加氢站还有补贴，现在没有了，这对加氢站的运营带来了很大的困难。”成本高的困难是多方面的，记者从相关人士处获悉，加氢站的建设本身难度并不大，而如今作为危化品管理的氢气，在建设油-氢合建站及气-氢合建站标准没有明确且全国没有统一的审批流程。加氢站本身的高投入还在于加氢部分设备及管压管道及阀门管件尚不能国产化，基本依靠进口，不仅造价高而且供货时间长。
车用储氢技术也亟需攻关。目前常用的车用储氢技术是高压气态储氢，气瓶作为储氢容器在其中作用至关重要，据了解，目前车用储氢气瓶多是铝内胆纤维缠绕瓶（Ⅲ型）和塑料内胆纤维缠绕瓶（Ⅳ型），我国大多是使用Ⅲ型瓶，这种气瓶以锻压铝合金为内胆，外面包覆碳纤维，使用压力主要有35MPa、70MPa两种。我国车载储氢中主要使用35MPa的Ⅲ型瓶。
专家表示，高压气态储氢是目前较为成熟的技术，但是能够实现的质量储氢密度相比于其他储氢技术更小，若汽车长途运行，需要搭载更多的气瓶。与国外相比，国外乘用车已经开始使用质量更轻、成本更低、质量储氢密度更高的Ⅳ型瓶，而中国Ⅳ型瓶还处于研发阶段。另外，由于中国生产的碳纤维还不能满足车用氢瓶的要求，中国制作的Ⅲ型瓶的主要原材料碳纤维仍依赖进口。
除了高压气态储氢，还有低温液态储氢、高压低温液态储氢、金属氢化物储氢、有机液体储氢。上述技术都有着安全性不高，操作条件严苛，成本过高等不同程度的问题。
为此，张久俊认为在氢气的制备和储存上应寻求更多技术上的可能性。“发展站内加氢模式和研究新型储氢材料，液/固态加氢站可能是不错的选择”，同时他也表示，上述场景还面临着很大的技术挑战，我国实际应用还不现实。
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