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氢燃料电池汽车零部件下一个风口来临?

作者:赵建国 来源:中国汽车报 发布时间:2020-07-11 浏览:
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中国储能网讯:“加氢3分钟,续驶800至1000公里。”近来,随着技术进步和业界重视,从国外到国内,氢燃料电池汽车再度升温,相关零部件引发关注。

6月上旬,丰田签署协议,联合一汽、东风、广汽、北汽四家汽车企业以及亿华通公司计划在年内成立联合燃料电池系统研发(北京)有限公司。

6月16日,上海骥翀氢能科技有限公司(以下简称骥翀氢能)发布MH170型车用燃料电池金属板电堆升级版,该产品单堆功率137kW,是国内外燃料电池领域已知的最大金属板单堆功率。

当前,尽管国内氢燃料电池汽车零部件供应链尚不够成熟,但各界却越来越重视。“引导加大氢燃料电池基础科研投入,突破核心材料和关键部件技术瓶颈,促进产品国产化;鼓励、推动各地因地制宜开展氢能示范应用,推动大规模产业集群形成;引导社会资本投入,鼓励能源企业牵头建立稳定、便利、低成本的氢能供应体系;完善标准法规建设,加快氢气纳入能源管理体系后的管理细则制定;制定顶层氢能规划,合理规划加氢站,制定长期稳定的燃料电池汽车发展政策。”在今年全国两会上,全国人大代表、长城汽车总裁王凤英再次为发展氢燃料电池产业提出建议。

国内企业持续努力

6月12日,上市不久的美国氢燃料电池汽车创业公司尼古拉市值达到230亿美元,最高点一度达到340亿美元,超过了福特的市值260亿美元。对于一家产品尚未批量投放市场的新创企业,其中包含的无非是业内外对氢燃料电池汽车的厚望。

就氢燃料电池汽车产业链而言,丰田是在氢能源领域投入较大、实力较强的汽车厂商。1992年以来,丰田在燃料电池电堆、高压储氢、燃料系统软件、氢气生成等方面积累了大量技术及专利,尤其是在电池电堆和高压储氢技术方面领先世界。

在国内燃料电池汽车零部件方面,依然是商用车比乘用车先进。“氢燃料电池汽车零部件整体技术不够成熟、推广难度较大、加氢站建设不便等因素制约了其发展。”中国公路学会客车分会专家委员会委员陈世平在接受记者采访时说,这一清洁能源汽车的发展,应该从零部件开始,加大支持力度,推动其加快发展。

在国内,近来的氢燃料电池零部件也在不断前行。“此次与丰田等汽车企业合作,是亿华通‘自主+合作’双运作模式下的一次战略性路线布局,进一步完善了亿华通‘自主石墨板+国际金属板’双技术路线。”亿华通公司相关负责人表示,在对国际先进技术积极吸收、借鉴与合作的同时,亿华通将持续深化自主石墨板技术创新,提升在氢燃料电池技术尤其是石墨板路线方面的技术储备及产品市场竞争力。

亿华通公司是清华大学节能与新能源汽车工程中心的产业化实体,也是北京清华工业开发研究院长期孵化支持的重点企业。早在14年前,亿华通就联合清华大学承接了国家“863计划”节能与新能源汽车重点专项中的氢燃料电池客车开发,并先后参与了北京奥运会、上海世博会、新加坡首届青奥会等多个世界级重大活动的燃料电池客车示范运营专项。亿华通为福田汽车等整车企业提供燃料电池发动机系统,相关车辆已经在北京、张家口、郑州、上海、苏州等多地开展商业化运营,产品实现客车、公交车、物流车、轿车等多元化覆盖。其中,北京与张家口在线运营的近300辆氢燃料电池汽车,经历了高纬度地区冬季低温环境考验,运行状况良好,为2022年北京冬奥会的示范应用提供了技术保障。

2018年,亿华通与丰田开展合作。2019年4月,亿华通与丰田联合研发了60kW氢燃料电池发动机。至今,亿华通的氢燃料电池发动机已经覆盖30kW至100kW。

电堆是电化学反应发生的容器,是燃料电池动力系统的核心组件。电堆由多个燃料电池组成,核心部件为双极板和膜电极。电堆工作时,氢气和空气通过管道分配到双极板,由双极板导流均匀分配到电极,通过电极支撑体与催化剂接触进行电化学反应。双极板主要分为石墨双极板和金属双极板两种。

近年来,氢燃料电池行业发展迅速,但受产业各环节技术瓶颈限制,当前市场上的电堆性能多集中在30kW至60kW,超过110kW的应用几乎寥寥无几。如果功率小了,可能性能达不到重卡的应用水平。骥翀氢能的130KW以上的金属板电堆应用在重卡上,国内外尚不多见。

“137KW的单堆功率,完全可以‘落地’7.5米的物流车、8.5至12米的公交车。这意味着国内的氢燃料商用车市场不再局限于政策补贴,而是真正的满足需求。”骥翀氢能创始人付宇介绍,功率大,意味着动力更足、应用领域更广。另外,功率密度高,意味着电池体积更小、更方便汽车厂商做系统集成。

骥翀氢能的上述产品,采用的是金属双极板路线。当前,国外主流厂商也大多采用此路线。根据骥翀氢能发展规划,2020年公司完成中试基地一期,主要功能为制造双极板及电堆中试线;2021年完成中试基地二期,主要功能为双极板及电堆中试线全新工艺升级;2022年至2023年,完成量产基地,该基地主要功能为电堆及关键部件批量制造。

亟待解决的技术问题

当前,国内氢燃料电池供应链虽然在一些“点”上有所突破,但整体发展仍然较慢。

“国内氢燃料电池供应链发展比较慢,与一些环节上存在技术问题、成本居高不下、支持政策不到位等都有一定关系。”中国公路学会客车分会高级技术顾问裴志浩在接受《中国汽车报》记者采访时表示,逐步解决一些瓶颈问题,才能加速氢燃料电池汽车零部件行业发展。

氢燃料电池通过氢气和氧气间的电化学反应,将化学能转变为电能。当前,国内生产的氢燃料电池大多只能使用2000小时至3000小时,效率只有40%。中国科学院大连化学物理研究所研究员衣宝廉院士表示,国外氢燃料电池产品使用期限比国内产品更长,国内还要解决燃料电池成本问题。要实现燃料电池大面积应用,必须解决造价高和行驶费用高的问题。

价格高的源头之一是催化剂含铂量高。在氢燃料发电的过程中,需要用到含铂催化剂,但铂金属于贵金属。在丰田,其氢燃料电池车Mirai每辆车用铂20克,约合0.17g/kW。因此,通过技术进步,不断降低铂金属使用量,也是降低氢燃料电池汽车使用成本的途径之一。

解决氢燃料电池核心组件的技术难关,国内的企业与科研单位正在合作攻关。上海交通大学、新源动力股份有限公司、上汽集团和上海治臻新能源装备有限公司共同研发的“高功率密度燃料电池薄型金属双极板及批量化精密制造技术”获得2019年度上海市技术发明奖特等奖。通常情况下,电堆占燃料电池系统60%的成本及整车30%的成本,成为燃料电池汽车降低成本的重要路径。

“由于氢燃料电池汽车对于大功率、长距离、低成本的要求,燃料电池电堆发展趋势应该是从原来增程式或小功率向全功率模式转变。”该专项负责人、上海交通大学机械与动力工程学院教授来新民告诉记者,历经十余年研究,发明了薄型金属双极板“两板三场”新结构。基于该结构,氢、氧、水流场的新型分配形式,创造出第三代12款金属双极板。这是业界首个400片115kW大功率车用电堆,实现了燃料电池汽车的全功率驱动,加一次氢气,可以续驶600公里。“这只是中国氢能源燃料电池汽车发展的一步。”来新民表示,要在新能源汽车上真正实现弯道超车,还需要在多个部件、材料、系统上有更大的突破。

当前,虽然氢能源推广逐渐形成更多共识,既能达到零排放的低碳环保,又能如同汽油车一样没有续驶里程焦虑,但受零部件技术、基础设施等条件制约,氢能源未能大范围普及。国内氢燃料电池汽车累计销量依然有限,加氢站也仅有数十座。同时,氢燃料电池汽车推广应用的领域主要在公交、物流等领域。

王凤英认为,国内氢能产业集群未形成规模化,氢能供应体系尚不稳定,核心材料和关键零部件技术尚不成熟,氢能产业得不到快速且健全的发展。其实,这些问题也是业内专家、学者和企业家的普遍共识。

发展前景值得期待

当前,开发氢能、燃料电池等新一代能源技术,已成为国家创新驱动发展战略的重要内容之一。近年来,国家积极推动充电、加氢等设施建设,推动氢燃料电池行业进入快速发展期。各地积极出台政策加以跟进,全力支持氢燃料电池车发展。

至今,全国有20多个省发布了氢能产业发展规划,在长三角、珠三角、京津冀等地区,氢能已经有一些小规模示范应用。一些地方形成了制备、储运、加注燃料电池和下游应用的完整产业链。日前发布的《北京市加快新型基础设施建设行动方案(2020年至2022年)》提出,探索推进氢燃料电池等绿色先进技术在特定边缘数据中心试点应用,打造国内领先的氢燃料电池汽车产业试点示范城市。《天津市氢能产业发展行动方案(2020年至2022年)》提出,天津市将构建技术、产业、应用融合发展的氢能产业生态圈;到2022年,氢能产业总产值突破150亿元;在技术产业方面,到2022年,培育和引进一批氢气制备和储运、氢燃料电池制造、科技研发和配套服务等企业,引进培育2至3家在氢燃料电池及核心零部件、动力系统集成、检验检测等领域具有国际竞争力的优势企业,积极争取国家有关氢能产业集群的试点,初步形成氢能全产业链发展格局。

鉴于氢燃料电池汽车良好的环保性能,国内各方面的支持力度也在逐步加大。近日,工信部公示的第333批《道路机动车辆生产企业及产品公告》显示,其中有79个产品是氢燃料电池汽车相关产品。

同时,在逐步健全的政策支持下,我国新能源汽车产业迎来新的发展机遇。经过多年努力,我国新能源汽车产业技术水平显著提升,产业体系日趋完善,新能源汽车产销量、保有量连续四年居世界首位。据中国汽车工程学会预测,我国氢燃料电池汽车保有量将在2020年达到1万辆,2025年达到10万辆,2030年达到100万辆。“这些都给氢燃料电池汽车及其零部件发展带来新的机会。”裴志浩认为。

的确,国内企业也在不断向氢燃料电池汽车零部件发力。长城汽车在氢能源技术领域布局较早,已组建起一支600人的氢能、燃料电池系统及整车技术研发团队,由来自德国、英国、韩国、日本、美国和中国本土的行业专业人士组成,大多数拥有十年以上燃料电池、储氢、加氢、制氢、运氢技术、整车集成等领域工作经验。长城汽车在相关零部件方面的计划,是集中对膜电极、Ⅳ型70MPa储氢瓶、高集成度的瓶口阀和减压阀等核心零部件进行技术攻关。其中,膜电极、瓶口阀和减压阀将在今年内具备小批量生产能力,后期还将推出燃料电池电堆、储氢瓶等产品。

同时,早在2018年8月,长城汽车就收购上海燃料电池汽车动力系统有限公司51%股权并实现完全控股。上燃动力研发的乘用车85kW氢燃料电池系统,2020年将配装长城氢燃料电池样车。这套系统的净输出峰值功率达到85kW,系统最高效率达到60%,冷启动温度可以低至-30℃,体积比功率大于700W/L。

2019年4月长城汽车投资4.5亿元在上海成立的未势能源科技有限公司定位于燃料电池汽车零部件生产商和系统集成商,是其打造氢燃料电池汽车供应链的又一重要载体。

今年3月,上汽集团旗下上海捷氢科技有限公司(以下简称捷氢科技)燃料电池专项在上海开工建设。据介绍,捷氢科技坚持自主开发,掌握燃料电池电堆、系统等核心关键技术,具备完整的自主知识产权,当前累计参与15项燃料电池国标制定,发布7项燃料电池汽车企业标准、350项燃料电池相关领域专利。配装捷氢科技燃料电池的上汽荣威950燃料电池轿车是国内惟一一款实现公告、销售和上牌的燃料电池乘用车,也是国内首款应用70MPa储氢系统的燃料电池车型。其一期项目计划在2021年8月投产,将达到1.2万台(套)燃料电池电堆和系统的产能,预计2024年实现产值12亿元。“该项目开工将进一步补全公司的研发、制造能力,并将通过规模化、批量化进一步优化产品成本、提升产品质量,加速上汽燃料电池产品产业化进程。”捷氢科技相关负责人表示。

当前,潍柴动力持续高度重视氢能源业务布局,不断加大相关的关键核心零部件研发投入,已承担国家新能源汽车重点专项“氢燃料电池发动机及商用车产业化技术与应用”及山东省多个新旧动能转换重大项目,正在加快产品商业化和工程化落地。同时,公司已投资加拿大巴拉德动力系统有限公司和英国锡里斯动力控股有限公司,加速布局氢燃料电池和固态氧化物燃料电池业务。

业内专家认为,当前,汽车企业加速布局氢燃料电池汽车市场,关键技术逐渐取得突破,成本下降路径清晰,未来有望被市场接受。在核心零部件领域,越来越多的汽车企业开始通过兼收并购或者股权投资等方式布局具有技术壁垒的燃料电池产业链企业,占领市场先机。在国内汽车企业加码推动燃料电池汽车关键零部件技术及产业化进步的同时,具备领先技术的丰田汽车也转变策略,加紧开拓中国市场。“这无异于将加剧国内氢燃料电池汽车及其零部件的市场竞争。”陈世平认为,国内零部件企业更应该下功夫,加速相关零部件研发及应用。

在氢燃料电池领域,国际氢能委员会报告显示,到2050年,全球氢气需求将达到5.6亿吨,氢燃料电池将在交通、电力、供热等领域扮演重要角色,氢能将占人类能源消费的18%。在氢能应用的众多领域中,交通运输领域将率先具备成本竞争力。

“整个氢燃料电池汽车系统发展需要有国家战略规划。”衣宝廉认为,国家应当成立氢燃料电池汽车重大专项,而不是像现在将其包含在电动汽车重大专项,其中包括氢能的制备运输等,并把氢能的各种用途都放进去,把氢能的应用先做起来,这样才能推动氢燃料电池汽车产业发展。

记者感言:氢燃料汽车零部件肩上的担子并不轻

近来,氢燃料电池汽车在全球范围内得到了更多、更广泛的重视。与世界先进水平相比,国内相关零部件的差距很大。现实的氢燃料电池汽车产业发展需求却日益紧迫。这就需要相关零部件企业尽快提升技术水平,不断努力解决薄弱环节、补齐短板、消除瓶颈、加快发展。

首先,要抓住新的市场带来的新需求、新机遇。中国是世界最大的新能源汽车市场。正因如此,丰田、宝马等跨国氢燃料电池汽车企业都把氢燃料电池市场布局的重点放在中国。近来,丰田更是先行一步,拿出2亿元与一汽等五家企业共同发起成立“联合燃料电池系统研发(北京)有限公司”,并且已经与亿华通、福田等企业联手,在氢燃料电池、发动机等方面开展合作,无疑是对抢占市场先机充满信心的表现。在这样的情况下,国内氢燃料电池零部件企业更应该认清现实,找准自己的位置,努力应有的一块蛋糕。

其次,要找准薄弱环节,进行技术攻关,积聚前行动力。就现实而言,国内氢燃料电池相关零部件发展并不尽如人意。比如,氢燃料电池的耐用性、效率和加氢站的建设以及储氢、运氢的相关技术储备不足,与丰田等跨国公司相比差距很大。因此,国内相关企业应当立足现实,制定攻关计划,认真组织力量,开展产学研合作,加大技术创新力度,一方面着力突破领先技术,另一方面补齐基础技术的不足,打造完整的氢燃料电池供应链、产业链,逐步做大做强。

第三,要积极参与市场竞争,努力拓展市场空间。近年来,虽然国内氢燃料电池零部件行业还存在不均衡、不健全、不完善、不配套等问题,但随着氢燃料电池汽车的优势逐渐增多,国内对这一行业的重视程度、政策支持力度也逐步增加,国家层面、地方层面先后出台了一系列支持政策,推动着氢燃料电池产业加快发展。在日趋向好的背景下,氢燃料电池供应链上的企业应充分利用政策机遇、市场机遇、技术机遇,在新的“风口”来临之际,主动布局,加快发展,抢占先机,在竞争中赢得先机,赢得市场,赢得未来。

总之,国内氢燃料电池零部件行业应当自强不息,不懈努力,要跟上国际先进潮流,跟上市场发展节奏,跟上技术创新步伐,在自主创新基础上,实现新的进步、新的提升、新的飞跃。

关键字:氢能 燃料电池

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