把氫能變電能，四川造氫燃料電池“在路上”
時間:2024-07-11 08:53來源:川觀新聞 作者:吳憂
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近日，一批氫能共享自行車悄然出現在成都街頭，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，氫能被轉化為電能，再驅動電機提供助力，令騎行體驗更輕松。
氫燃料電池是將氫氣和氧氣的化學能，直接轉換成電能的發電裝置，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“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已陸續上路投入運用；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新突破。
種類夠多：面向不同應用場景，川企已開發多種氫燃料電池
在成都市新都區，新的“氫馬兒”還在陸續下線。“只用100克氫氣，就可以助力續跑100公里。”四川輕綠科技有限公司（簡稱“輕綠科技”）總經理楊坤介紹，助力來源于車座下方的氫燃料電池系統——這臺350瓦小功率液冷型氫燃料電池系統，由輕綠科技自主研發。
輕綠科技是小功率液冷型氫燃料電池系統的研發及商業化運營開拓者，其產品主要應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域。楊坤表示，公司在小功率氫燃料電池領域持續研發，正力爭成為全球小功率氫燃料電池系統生產規模最大的企業之一。
同樣是在新都，與輕綠科技的“小”相比，四川榮創新能動力系統有限公司（簡稱“榮創新能”）生產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，最高續航里程1000公里以上——一系列表現優異的指標，離不開榮創新能研制的“心臟”。
該列車一年多以前在成都新津下線，裝備榮創新能提供的第三代氫能動力系統，采用氫燃料電池和超級電容相結合的能源供應方式。榮創新能董事長、西南交通大學氫能及儲能技術研究院院長陳維榮告訴記者，第三代氫能動力系統功率更大、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70%氫能軌道交通車型的動力系統均出自榮創新能。
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”）的氫燃料電池產品堪稱“全”。
從各類客車到輕、中、重卡車，再到冷鏈物流車、環衛清掃車等專用車，東方氫能提供的氫燃料電池系統功率覆蓋40千瓦—270千瓦，系統壽命實際測試達10000小時，具有功率密度高、可靠性強、耐久性好等特點。此外，針對氫發電等應用場景，東方氫能專門開發了氫燃料電池熱電聯供系統，功率覆蓋范圍可從千瓦級到兆瓦級，額定發電效率超50%，綜合能量轉化效率超90%，設計壽命超30000小時。
東方電氣自主研發的OLAS 270A燃料電池系統，系統額定功率達270千瓦 （東方氫能供圖）
“不同的應用場景，對氫燃料電池系統的參數指標側重點不同。”東方氫能燃料電池系統開發部工程師李寧解釋說，例如對車載氫燃料電池系統來說，功率密度、使用壽命就非常關鍵；對無人機使用的氫燃料電池系統來說，小型化、輕量化的要求更加苛刻；對氫燃料電池發電系統來說，往往需要功率絕對值更大、穩定性更強，“我們近期還在針對一些特殊場景開發新產品，例如高原地區氫燃料電池熱電聯供系統，需要提升系統對高原低氧環境的適應性。”
數量還少：價格依然較高，市場推廣仍需政策支撐
在氫能軌道交通領域，榮創新能創造了多次“首列”：全球首列時速160公里氫能源全自動市域動車、國內首列氫能鉸接輕軌車、世界首列氫能接觸網作業車、國內首輛氫能地鐵施工作業車、國內首輛氫燃料電池混合動力調車機車……不過，公司負責人坦言，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模還不算大，部分產品雖然已實現量產，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，隨著技術突破和產品迭代，以及產業配套逐漸成熟，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萬元降至數千元，但價格進一步下降特別需要規模化應用支撐，“規模上去了才能降低成本，應用場景起來了產業鏈才能發展。”
相較于軌道交通領域，商用車領域用氫更早、數量更多，但規模依然不算大。
在成都市郫都區街頭，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的氫燃料電池動力系統，平均百公里氫耗低至4公斤，加氫一次可行駛450公里。
“像這樣的氫能公交車，我們一共有200輛。”郫都區巴士公交有限公司技術部科長鮑昱志說，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。以采用200千瓦的氫燃料電池系統的公交車為例，氫燃料電池系統的價格就超過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模推廣應用。
在李寧看來，氫燃料電池系統價格高，歸根結底還是成本沒降下去。首先，氫燃料電池系統技術門檻高，導致研發成本較高，在沒有規模化應用的情況下，分攤到單個產品上的成本就更高。通過規模化推廣應用，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動機約400臺，這一數字領先于其他川企，但“空間還大”。
另一方面，由于材料等要求，氫燃料電池系統本身的制造成本也較高。李寧介紹，在一套氫燃料電池系統中，成本最高的要數膜電極，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，系統更為復雜，主要由電堆和系統部件（空壓機、增濕器、氫循環泵、氫瓶等）組成。中國工程院的學術報告顯示，近年來，氫燃料電池系統的國產化程度逐步提升，2017年只有30%左右，國內企業僅掌握系統集成、雙極板制造等技術；2020年已有60%左右，但部分關鍵材料與核心組件仍未擺脫受制于人的局面。
國家發展改革委、國家能源局聯合印發的《氫能產業發展中長期規劃（2021-2035年）》明確提出，著力推進核心零部件以及關鍵裝備研發制造。
“在膜電極方面，我們還在努力追趕。”東方氫能膜電極開發部工程師孔禹介紹，膜電極是電堆的核心部件，由催化層、質子交換膜、氣體擴散層組成，是將化學能高效轉變為電能的反應場所，其成本占了電堆的一半以上，“目前國內質子交換膜、氣體擴散層等主要依賴進口，拉高了成本，同時影響供應鏈安全。”
圍繞突破關鍵材料部件方面的“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，自主開發性能領先的膜電極產品，掌握了膜電極高通量、高精度、高一致性自動化制造技術，部分指標已追上全球第一方陣的水平。東方氫能副總經理陳亮介紹，在位于成都市郫都區的東方氫能產業園，將引入產業上下游企業，構建燃料電池核心原材料及核心零部件企業集群。
在系統部件空壓機方面，位于成都市新都區的勢加透博（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無油離心空壓機，已成功打破國外壟斷，截至去年底交付全球客戶超過18000臺，占據了國內空壓機市場超七成的份額。該公司已突破高性能氣動設計、高功率密度高速電機及高頻電控等六大技術瓶頸，實現空壓機每分鐘3萬轉甚至10萬轉的轉速。
“目前正持續加大在小型高速離心壓縮機技術上的升級迭代。”公司負責人介紹，下一步將推進低能耗空壓機的研制和測試平臺建設，在更多關鍵設備國產化方面實現0到1的突破。
(責任編輯：子蕊)
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