汽车行业经历动力转型变革的当下,锂离子动力电池和燃料电池领域,相关技术的正向研发正呈现前所未有的井喷之象。
由此,在雄厚的产业化基础下,我国锂离子动力电池技术发展迅猛,2017年,在全球动力电池销量前十中,7家来自中国电池企业进榜。
令人欣喜的是,相比略显平静的氢燃料电池领域,似乎也将迎来又一轮技术提速。
例如,几日前,国务院总理李克强在日本首相安倍晋三陪同下,参观考察了丰田汽车北海道厂区,氢燃料电池汽车是参观项目之一。此外,在诸多政策中,燃料电池也被列为重点关注的技术路线。2016年5月,中共中央、国务院印发《国家创新驱动发展战略纲要》,表示要“开发氢能、燃料电池等新一代能源技术。”而在2018年,新能源汽车补贴加速退坡的情况下,中国将继续保持燃料电池汽车补贴不变。
基于政策起效,中国的氢燃料电池汽车市场开始逐渐活跃,更多的企业以及资本愿意进入这一领域。
尽管政府大力鼓励与支持,在发展氢燃料电池汽车的过程中,但还是遇到了一系列的问题:例如氢气来源、储存、运输、加注等技术匮乏,以及燃料电池电堆、电池系统外围零部件缺乏等等状况。
“关键问题还是燃料电池电堆高成本问题,其核心还是氢燃料电池的关键零部件的知识产权及国产化问题。”
武汉喜玛拉雅光电科技股份有限公司(以下简称:喜玛拉雅)总工程师谢金水认为,从全球来看,氢燃料电池和关键零部件被少数发达国家掌握和垄断,目前在我国装车的氢燃料电池汽车中,大多采用国外电堆和技术,其比例估计达到70%以上。只有鼓励燃料电池零部件完全国产化,减少对进口的依赖,进一步降低燃料电池发动机的成本,使燃料电池汽车达到或接近燃油车的成本,这才能进一步促使氢燃料电池汽车的亲民化落地。
而在核心零部件上,氢燃料电池的膜电极技术,包括电解质薄膜和催化剂技术的自主研发,将是打破国外垄断的重点领域。
围绕上述关键零部件,以喜玛拉雅为首的诸多技术公司,正在加快该领域的研发工作,例如其早于2015年已携手清华大学于湖北咸宁市建立了氢燃料电池产业化基地,目前已孵化出诸多成果,并斩获了17项专利。
首先,催化剂方面,喜玛拉雅研制出一系列不同质量分数的Pt/c催化剂,这囊括了40wt%,50wt%,60wt%,70wt%等不同数值。采用连续微波的工艺路线,让产品电化学活性面积达到90m2/g,同时,日产10公斤/天的能力,将成本大幅降低到了同类进口产品的一半。
此外,双极板领域,其采用石墨粉做导电骨料,并通过采用模压方式生产,在保证该部件产品一致性的同时,延长使用,这也让生产成本比进口的同类零部件降低了80%。
作为燃料电池多相物质传输和电化学反应的场所,膜电极决定了燃料电池的性能、寿命、成本,喜玛拉雅在该领域,利用石墨烯优异的导电性和导热性,喷涂在CCM与GDL之间,这不仅增加膜电极的导电性,并加快向外传递热量的速度,以利于成型后电堆的热管理。采用这种“热定型”膜电极制备方法,一体化封装成型,在提高功率密度的同时,也让制造成本相应降低。
正因在催化剂、膜电极、双极板等关键零部件的生产技术和工艺具备自主知识产权,喜玛拉雅电堆模块可快速灵活地配置燃料电池,适应不同的功率需求、不同的电压平台,功率实现1KW到100KW全覆盖,电堆质量密度达到了1.39KW/Kg,体积密度达到1.86KW/L。此外,在流场设计中采用了“稳压”流场技术,这也改良了气场流态,让各单电池的进口流量均匀;石墨烯的加入,使得电堆的水、热管理变得相对容易迅速,有利于燃料电池系统的适时控制。
而为满足不同用车情境下,提高燃料电池的适应能力,喜玛拉雅针对应低温、高海拔等恶劣环境条件,也提供了更具针对性的解决方案。
在电堆设计中,喜玛拉雅采取了具备低温-40°C存储,-20°C启动的措施,在控制系统中集成了加热组件,提高了燃料电池系统的低温启动速度。同时,针对高海拔地区缺氧问题,该系统中增设了检测环境绝对压力的传感器,根据压力推测空气中的含氧量,自动调节空气供给比,满足不同功率下的氧气需求量,将空压机的功耗控制在合理的范围,减少了BOP的能耗。
目前,该技术已在燃料电池公交车上搭载运营,产品由喜玛拉雅、中植汽车合作开发,电机额定功率135KW,配置50Kwh锂电池,燃料电池上,输出功率36Kw,续航里程达到500km。而两种动力路线的共同作用,在车辆产品运行过程中,提高了能量的利用效率。
譬如,能量分配上,燃料电池作为车辆行驶的主动力,在上坡、加速等加力情况下,锂电池提供额外的功率补充;在下坡、减速、刹车等情况下,燃料电池输出的功率大于电机消耗的功率,多余的能量用于给锂电池充电。
基于氢燃料电池关键材料及零部件的国产化,相比进口同类产品,武汉喜玛拉雅光电科技股份有限公司自主研发产品成本降低50%-80%,且部分零部件的质量和性能已具领先优势。去年5月,已建成年生产1000台燃料电池电堆生产线,今年年产能力将达12000台。
无疑,随着喜玛拉雅等诸多技术企业的研发落地,这不仅将彻底打破少数国家的长期垄断,也为燃料电池领域的再度提速奠定良好基础。
