破除零部件國產化難題 氫燃料電池領域或將再度提速

汽車行業(yè)經歷動力轉型變革的當下,鋰離子動力電池和燃料電池領域,相關技術的正向研發(fā)正呈現(xiàn)前所未有的井噴之象。

由此,在雄厚的產業(yè)化基礎下,我國鋰離子動力電池技術發(fā)展迅猛,2017年,在全球動力電池銷量前十中,7家來自中國電池企業(yè)進榜。

令人欣喜的是,相比略顯平靜的氫燃料電池領域,似乎也將迎來又一輪技術提速。

例如,幾日前,國務院總理李克強在日本首相安倍晉三陪同下,參觀考察了豐田汽車北海道廠區(qū),氫燃料電池汽車是參觀項目之一。此外,在諸多政策中,燃料電池也被列為重點關注的技術路線。2016年5月,中共中央、國務院印發(fā)《國家創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略綱要》,表示要“開發(fā)氫能、燃料電池等新一代能源技術?！倍?018年,新能源汽車補貼加速退坡的情況下,中國將繼續(xù)保持燃料電池汽車補貼不變。

基于政策起效,中國的氫燃料電池汽車市場開始逐漸活躍,更多的企業(yè)以及資本愿意進入這一領域。

盡管政府大力鼓勵與支持,在發(fā)展氫燃料電池汽車的過程中,但還是遇到了一系列的問題:例如氫氣來源、儲存、運輸、加注等技術匱乏,以及燃料電池電堆、電池系統(tǒng)外圍零部件缺乏等等狀況。

“關鍵問題還是燃料電池電堆高成本問題,其核心還是氫燃料電池的關鍵零部件的知識產權及國產化問題?！?/span>

武漢喜瑪拉雅光電科技股份有限公司(以下簡稱:喜瑪拉雅)總工程師謝金水認為,從全球來看,氫燃料電池和關鍵零部件被少數(shù)發(fā)達國家掌握和壟斷,目前在我國裝車的氫燃料電池汽車中,大多采用國外電堆和技術,其比例估計達到70%以上。只有鼓勵燃料電池零部件完全國產化,減少對進口的依賴,進一步降低燃料電池發(fā)動機的成本,使燃料電池汽車達到或接近燃油車的成本,這才能進一步促使氫燃料電池汽車的親民化落地。

而在核心零部件上,氫燃料電池的膜電極技術,包括電解質薄膜和催化劑技術的自主研發(fā),將是打破國外壟斷的重點領域。

圍繞上述關鍵零部件,以喜瑪拉雅為首的諸多技術公司,正在加快該領域的研發(fā)工作,例如其早于2015年已攜手清華大學于湖北咸寧市建立了氫燃料電池產業(yè)化基地,目前已孵化出諸多成果,并斬獲了17項專利。

首先,催化劑方面,喜瑪拉雅研制出一系列不同質量分數(shù)的Pt/c催化劑,這囊括了40wt%,50wt%,60wt%,70wt%等不同數(shù)值。采用連續(xù)微波的工藝路線,讓產品電化學活性面積達到90m2/g,同時,日產10公斤/天的能力,將成本大幅降低到了同類進口產品的一半。

此外,雙極板領域,其采用石墨粉做導電骨料,并通過采用模壓方式生產,在保證該部件產品一致性的同時,延長使用,這也讓生產成本比進口的同類零部件降低了80%。

作為燃料電池多相物質傳輸和電化學反應的場所,膜電極決定了燃料電池的性能、壽命、成本,喜瑪拉雅在該領域,利用石墨烯優(yōu)異的導電性和導熱性,噴涂在CCM與GDL之間,這不僅增加膜電極的導電性,并加快向外傳遞熱量的速度,以利于成型后電堆的熱管理。采用這種“熱定型”膜電極制備方法,一體化封裝成型,在提高功率密度的同時,也讓制造成本相應降低。

正因在催化劑、膜電極、雙極板等關鍵零部件的生產技術和工藝具備自主知識產權,喜瑪拉雅電堆模塊可快速靈活地配置燃料電池,適應不同的功率需求、不同的電壓平臺,功率實現(xiàn)1KW到100KW全覆蓋,電堆質量密度達到了1.39KW/Kg,體積密度達到1.86KW/L。此外,在流場設計中采用了“穩(wěn)壓”流場技術,這也改良了氣場流態(tài),讓各單電池的進口流量均勻;石墨烯的加入,使得電堆的水、熱管理變得相對容易迅速,有利于燃料電池系統(tǒng)的適時控制。

而為滿足不同用車情境下,提高燃料電池的適應能力,喜瑪拉雅針對應低溫、高海拔等惡劣環(huán)境條件,也提供了更具針對性的解決方案。

在電堆設計中,喜瑪拉雅采取了具備低溫-40°C存儲,-20°C啟動的措施,在控制系統(tǒng)中集成了加熱組件,提高了燃料電池系統(tǒng)的低溫啟動速度。同時,針對高海拔地區(qū)缺氧問題,該系統(tǒng)中增設了檢測環(huán)境絕對壓力的傳感器,根據壓力推測空氣中的含氧量,自動調節(jié)空氣供給比,滿足不同功率下的氧氣需求量,將空壓機的功耗控制在合理的范圍,減少了BOP的能耗。

目前,該技術已在燃料電池公交車上搭載運營,產品由喜瑪拉雅、中植汽車合作開發(fā),電機額定功率135KW,配置50Kwh鋰電池,燃料電池上,輸出功率36Kw,續(xù)航里程達到500km。而兩種動力路線的共同作用,在車輛產品運行過程中,提高了能量的利用效率。

譬如,能量分配上,燃料電池作為車輛行駛的主動力,在上坡、加速等加力情況下,鋰電池提供額外的功率補充;在下坡、減速、剎車等情況下,燃料電池輸出的功率大于電機消耗的功率,多余的能量用于給鋰電池充電。

基于氫燃料電池關鍵材料及零部件的國產化,相比進口同類產品,武漢喜瑪拉雅光電科技股份有限公司自主研發(fā)產品成本降低50%-80%,且部分零部件的質量和性能已具領先優(yōu)勢。去年5月,已建成年生產1000臺燃料電池電堆生產線,今年年產能力將達12000臺。

無疑,隨著喜瑪拉雅等諸多技術企業(yè)的研發(fā)落地,這不僅將徹底打破少數(shù)國家的長期壟斷,也為燃料電池領域的再度提速奠定良好基礎。