川觀新聞記者 吳憂
近日，一批氫能共享自行車悄然出現(xiàn)在成都街頭，被市民親切喚作“氫馬兒”。通過小型化、輕量化的氫燃料電池系統(tǒng)，氫能被轉(zhuǎn)化為電能，再驅(qū)動電機提供助力，令騎行體驗更輕松。
氫燃料電池是將氫氣和氧氣的化學(xué)能，直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置，具有無污染、噪聲低、高效率等特點。把氫能變電能，四川造氫燃料電池已經(jīng)“在路上”——從氫能共享自行車到氫能公交車、氫能市域列車，四川造氫燃料電池系統(tǒng)已陸續(xù)上路投入運用;圍繞高效率、長壽命等目標，四川造氫燃料電池還在迭代升級的路上尋求創(chuàng)新突破。
四川造氫燃料電池已有哪些亮點?下一步有何重點?近日，聚焦氫燃料電池這一氫能開發(fā)利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，記者深入多家川企開展調(diào)研。
種類夠多
面向不同應(yīng)用場景，川企已開發(fā)多種氫燃料電池
在成都市新都區(qū)，新的“氫馬兒”還在陸續(xù)下線。“只用100克氫氣，就可以助力續(xù)跑100公里。”四川輕綠科技有限公司(簡稱“輕綠科技”)總經(jīng)理楊坤介紹，助力來源于車座下方的氫燃料電池系統(tǒng)——這臺350瓦小功率液冷型氫燃料電池系統(tǒng)，由輕綠科技自主研發(fā)。
輕綠科技是小功率液冷型氫燃料電池系統(tǒng)的研發(fā)及商業(yè)化運營開拓者，其產(chǎn)品主要應(yīng)用于氫能共享助力車、氫能無人機、氫能戶外電源、氫能低速觀光車等領(lǐng)域。楊坤表示，公司在小功率氫燃料電池領(lǐng)域持續(xù)研發(fā)，正力爭成為全球小功率氫燃料電池系統(tǒng)生產(chǎn)規(guī)模最大的企業(yè)之一。
同樣是在新都，與輕綠科技的“小”相比，四川榮創(chuàng)新能動力系統(tǒng)有限公司(簡稱“榮創(chuàng)新能”)生產(chǎn)的氫燃料電池可以說是“大塊頭”。前不久，我國首列氫能源市域列車試跑，成功滿載達速。時速160公里，每公里能耗5千瓦時，最高續(xù)航里程1000公里以上——一系列表現(xiàn)優(yōu)異的指標，離不開榮創(chuàng)新能研制的“心臟”。
該列車一年多以前在成都新津下線，裝備榮創(chuàng)新能提供的第三代氫能動力系統(tǒng)，采用氫燃料電池和超級電容相結(jié)合的能源供應(yīng)方式。榮創(chuàng)新能董事長、西南交通大學(xué)氫能及儲能技術(shù)研究院院長陳維榮告訴記者，第三代氫能動力系統(tǒng)功率更大、效率更高，可以滿足軌道交通時速200公里級需求，市場前景廣闊，目前國內(nèi)70%氫能軌道交通車型的動力系統(tǒng)均出自榮創(chuàng)新能。
除了一小、一大，東方電氣(成都)氫能科技有限公司(簡稱“東方氫能”)的氫燃料電池產(chǎn)品堪稱“全”。
從各類客車到輕、中、重卡車，再到冷鏈物流車、環(huán)衛(wèi)清掃車等專用車，東方氫能提供的氫燃料電池系統(tǒng)功率覆蓋40千瓦—270千瓦，系統(tǒng)壽命實際測試達10000小時，具有功率密度高、可靠性強、耐久性好等特點。此外，針對氫發(fā)電等應(yīng)用場景，東方氫能專門開發(fā)了氫燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)，功率覆蓋范圍可從千瓦級到兆瓦級，額定發(fā)電效率超50%，綜合能量轉(zhuǎn)化效率超90%，設(shè)計壽命超30000小時。
東方電氣自主研發(fā)的OLAS 270A燃料電池系統(tǒng)，系統(tǒng)額定功率達270千瓦。(東方氫能供圖)
“不同的應(yīng)用場景，對氫燃料電池系統(tǒng)的參數(shù)指標側(cè)重點不同。”東方氫能燃料電池系統(tǒng)開發(fā)部工程師李寧解釋說，例如對車載氫燃料電池系統(tǒng)來說，功率密度、使用壽命就非常關(guān)鍵;對無人機使用的氫燃料電池系統(tǒng)來說，小型化、輕量化的要求更加苛刻;對氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)來說，往往需要功率絕對值更大、穩(wěn)定性更強，“我們近期還在針對一些特殊場景開發(fā)新產(chǎn)品，例如高原地區(qū)氫燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)，需要提升系統(tǒng)對高原低氧環(huán)境的適應(yīng)性。”
數(shù)量還少
價格依然較高，市場推廣仍需政策支撐
在氫能軌道交通領(lǐng)域，榮創(chuàng)新能創(chuàng)造了多次“首列”：全球首列時速160公里氫能源全自動市域動車、國內(nèi)首列氫能鉸接輕軌車、世界首列氫能接觸網(wǎng)作業(yè)車、國內(nèi)首輛氫能地鐵施工作業(yè)車、國內(nèi)首輛氫燃料電池混合動力調(diào)車機車……不過，公司負責(zé)人坦言，許多“首列”也是目前的“唯一一列”。
搭載氫燃料電池系統(tǒng)的攪拌車。(東方氫能供圖)
受制于制造成本、使用成本等因素，氫能源電池的市場規(guī)模還不算大，部分產(chǎn)品雖然已實現(xiàn)量產(chǎn)，但客戶還停留在嘗鮮、試水階段，市場推廣仍需政策支撐。
“近些年，隨著技術(shù)突破和產(chǎn)品迭代，以及產(chǎn)業(yè)配套逐漸成熟，氫能燃料電池的價格已明顯下降。”陳維榮介紹，每千瓦的價格已從數(shù)萬元降至數(shù)千元，但價格進一步下降特別需要規(guī)?；瘧?yīng)用支撐，“規(guī)模上去了才能降低成本，應(yīng)用場景起來了產(chǎn)業(yè)鏈才能發(fā)展。”
相較于軌道交通領(lǐng)域，商用車領(lǐng)域用氫更早、數(shù)量更多，但規(guī)模依然不算大。
在成都市郫都區(qū)街頭，新近投用了一批氫能公交車。它們是去年成都大運會的保障用車，搭載東方電氣自主研發(fā)的氫燃料電池動力系統(tǒng)，平均百公里氫耗低至4公斤，加氫一次可行駛450公里。
在成都行駛的氫能公交車上，搭載有東方氫能開發(fā)的燃料電池系統(tǒng)。(東方氫能供圖)
“像這樣的氫能公交車，我們一共有200輛。”郫都區(qū)巴士公交有限公司技術(shù)部科長鮑昱志說，從第一輛氫能公交車運行至今已近7年，運營線路已超過30條，累計行駛2934萬公里，載客1975萬人次，“在使用數(shù)量和使用時間上，我們都是成都乃至四川最多的。”
鮑昱志算了一筆賬，氫能公交車的購置成本約為純電公交車的3倍，在享受加氫補價的前提下，使用成本約為純電車的4倍、與燃油車相當(dāng)。以采用200千瓦的氫燃料電池系統(tǒng)的公交車為例，氫燃料電池系統(tǒng)的價格就超過100萬元，占車輛總價的一半以上。價格較高，限制了氫能公交車的大規(guī)模推廣應(yīng)用。
在李寧看來，氫燃料電池系統(tǒng)價格高，歸根結(jié)底還是成本沒降下去。首先，氫燃料電池系統(tǒng)技術(shù)門檻高，導(dǎo)致研發(fā)成本較高，在沒有規(guī)?；瘧?yīng)用的情況下，分攤到單個產(chǎn)品上的成本就更高。通過規(guī)?；茝V應(yīng)用，可以在一定程度上降低成本，從而把價格打下來。截至目前，東方氫能交付的氫燃料電池發(fā)動機約400臺，這一數(shù)字領(lǐng)先于其他川企，但“空間還大”。
另一方面，由于材料等要求，氫燃料電池系統(tǒng)本身的制造成本也較高。李寧介紹，在一套氫燃料電池系統(tǒng)中，成本最高的要數(shù)膜電極，而膜電極中成本最高的就是催化劑，“目前還沒有找到比貴金屬鉑更好更成熟的催化劑，只能盡量減少使用量。”
前路還長
努力突破關(guān)鍵材料部件方面的“卡脖子”問題
氫燃料電池與常見的鋰電池不同，系統(tǒng)更為復(fù)雜，主要由電堆和系統(tǒng)部件(空壓機、增濕器、氫循環(huán)泵、氫瓶等)組成。中國工程院的學(xué)術(shù)報告顯示，近年來，氫燃料電池系統(tǒng)的國產(chǎn)化程度逐步提升，2017年只有30%左右，國內(nèi)企業(yè)僅掌握系統(tǒng)集成、雙極板制造等技術(shù);2020年已有60%左右，但部分關(guān)鍵材料與核心組件仍未擺脫受制于人的局面。
國家發(fā)展改革委、國家能源局聯(lián)合印發(fā)的《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021-2035年)》明確提出，著力推進核心零部件以及關(guān)鍵裝備研發(fā)制造。
“在膜電極方面，我們還在努力追趕。”東方氫能膜電極開發(fā)部工程師孔禹介紹，膜電極是電堆的核心部件，由催化層、質(zhì)子交換膜、氣體擴散層組成，是將化學(xué)能高效轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿姆磻?yīng)場所，其成本占了電堆的一半以上，“目前國內(nèi)質(zhì)子交換膜、氣體擴散層等主要依賴進口，拉高了成本，同時影響供應(yīng)鏈安全。”
圍繞突破關(guān)鍵材料部件方面的“卡脖子”問題，東方氫能依托長壽命燃料電池四川省重點實驗室，自主開發(fā)性能領(lǐng)先的膜電極產(chǎn)品，掌握了膜電極高通量、高精度、高一致性自動化制造技術(shù)，部分指標已追上全球第一方陣的水平。東方氫能副總經(jīng)理陳亮介紹，在位于成都市郫都區(qū)的東方氫能產(chǎn)業(yè)園，將引入產(chǎn)業(yè)上下游企業(yè)，構(gòu)建燃料電池核心原材料及核心零部件企業(yè)集群。
東方氫能自主研發(fā)的膜電極產(chǎn)品。(東方氫能供圖)
在系統(tǒng)部件空壓機方面，位于成都市新都區(qū)的勢加透博(成都)科技有限公司(簡稱“勢加透博”)也在奮力突破。
此前，勢加透博研制的氫燃料電池?zé)o油離心空壓機，已成功打破國外壟斷，截至去年底交付全球客戶超過18000臺，占據(jù)了國內(nèi)空壓機市場超七成的份額。該公司已突破高性能氣動設(shè)計、高功率密度高速電機及高頻電控等六大技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)空壓機每分鐘3萬轉(zhuǎn)甚至10萬轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速。
“目前正持續(xù)加大在小型高速離心壓縮機技術(shù)上的升級迭代。”公司負責(zé)人介紹，下一步將推進低能耗空壓機的研制和測試平臺建設(shè)，在更多關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化方面實現(xiàn)0到1的突破。
