把氢能变电能，四川造氢燃料电池“在路上”
时间:2024-07-11 08:53来源:川观新闻 作者:吴忧
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近日，一批氢能共享自行车悄然出现在成都街头，被市民亲切唤作“氢马儿”。通过小型化、轻量化的氢燃料电池系统，氢能被转化为电能，再驱动电机提供助力，令骑行体验更轻松。
氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能，直接转换成电能的发电装置，具有无污染、噪声低、高效率等特点。把氢能变电能，四川造氢燃料电池已经“在路上”——从氢能共享自行车到氢能公交车、氢能市域列车，四川造氢燃料电池系统已陆续上路投入运用；围绕高效率、长寿命等目标，四川造氢燃料电池还在迭代升级的路上寻求创新突破。
种类够多：面向不同应用场景，川企已开发多种氢燃料电池
在成都市新都区，新的“氢马儿”还在陆续下线。“只用100克氢气，就可以助力续跑100公里。”四川轻绿科技有限公司（简称“轻绿科技”）总经理杨坤介绍，助力来源于车座下方的氢燃料电池系统——这台350瓦小功率液冷型氢燃料电池系统，由轻绿科技自主研发。
轻绿科技是小功率液冷型氢燃料电池系统的研发及商业化运营开拓者，其产品主要应用于氢能共享助力车、氢能无人机、氢能户外电源、氢能低速观光车等领域。杨坤表示，公司在小功率氢燃料电池领域持续研发，正力争成为全球小功率氢燃料电池系统生产规模最大的企业之一。
同样是在新都，与轻绿科技的“小”相比，四川荣创新能动力系统有限公司（简称“荣创新能”）生产的氢燃料电池可以说是“大块头”。前不久，我国首列氢能源市域列车试跑，成功满载达速。时速160公里，每公里能耗5千瓦时，最高续航里程1000公里以上——一系列表现优异的指标，离不开荣创新能研制的“心脏”。
该列车一年多以前在成都新津下线，装备荣创新能提供的第三代氢能动力系统，采用氢燃料电池和超级电容相结合的能源供应方式。荣创新能董事长、西南交通大学氢能及储能技术研究院院长陈维荣告诉记者，第三代氢能动力系统功率更大、效率更高，可以满足轨道交通时速200公里级需求，市场前景广阔，目前国内70%氢能轨道交通车型的动力系统均出自荣创新能。
除了一小、一大，东方电气（成都）氢能科技有限公司（简称“东方氢能”）的氢燃料电池产品堪称“全”。
从各类客车到轻、中、重卡车，再到冷链物流车、环卫清扫车等专用车，东方氢能提供的氢燃料电池系统功率覆盖40千瓦—270千瓦，系统寿命实际测试达10000小时，具有功率密度高、可靠性强、耐久性好等特点。此外，针对氢发电等应用场景，东方氢能专门开发了氢燃料电池热电联供系统，功率覆盖范围可从千瓦级到兆瓦级，额定发电效率超50%，综合能量转化效率超90%，设计寿命超30000小时。
东方电气自主研发的OLAS 270A燃料电池系统，系统额定功率达270千瓦 （东方氢能供图）
“不同的应用场景，对氢燃料电池系统的参数指标侧重点不同。”东方氢能燃料电池系统开发部工程师李宁解释说，例如对车载氢燃料电池系统来说，功率密度、使用寿命就非常关键；对无人机使用的氢燃料电池系统来说，小型化、轻量化的要求更加苛刻；对氢燃料电池发电系统来说，往往需要功率绝对值更大、稳定性更强，“我们近期还在针对一些特殊场景开发新产品，例如高原地区氢燃料电池热电联供系统，需要提升系统对高原低氧环境的适应性。”
数量还少：价格依然较高，市场推广仍需政策支撑
在氢能轨道交通领域，荣创新能创造了多次“首列”：全球首列时速160公里氢能源全自动市域动车、国内首列氢能铰接轻轨车、世界首列氢能接触网作业车、国内首辆氢能地铁施工作业车、国内首辆氢燃料电池混合动力调车机车……不过，公司负责人坦言，许多“首列”也是目前的“唯一一列”。
搭载氢燃料电池系统的搅拌车 （东方氢能供图）
受制于制造成本、使用成本等因素，氢能源电池的市场规模还不算大，部分产品虽然已实现量产，但客户还停留在尝鲜、试水阶段，市场推广仍需政策支撑。
“近些年，随着技术突破和产品迭代，以及产业配套逐渐成熟，氢能燃料电池的价格已明显下降。”陈维荣介绍，每千瓦的价格已从数万元降至数千元，但价格进一步下降特别需要规模化应用支撑，“规模上去了才能降低成本，应用场景起来了产业链才能发展。”
相较于轨道交通领域，商用车领域用氢更早、数量更多，但规模依然不算大。
在成都市郫都区街头，新近投用了一批氢能公交车。它们是去年成都大运会的保障用车，搭载东方电气自主研发的氢燃料电池动力系统，平均百公里氢耗低至4公斤，加氢一次可行驶450公里。
“像这样的氢能公交车，我们一共有200辆。”郫都区巴士公交有限公司技术部科长鲍昱志说，从第一辆氢能公交车运行至今已近7年，运营线路已超过30条，累计行驶2934万公里，载客1975万人次，“在使用数量和使用时间上，我们都是成都乃至四川最多的。”
鲍昱志算了一笔账，氢能公交车的购置成本约为纯电公交车的3倍，在享受加氢补价的前提下，使用成本约为纯电车的4倍、与燃油车相当。以采用200千瓦的氢燃料电池系统的公交车为例，氢燃料电池系统的价格就超过100万元，占车辆总价的一半以上。价格较高，限制了氢能公交车的大规模推广应用。
在李宁看来，氢燃料电池系统价格高，归根结底还是成本没降下去。首先，氢燃料电池系统技术门槛高，导致研发成本较高，在没有规模化应用的情况下，分摊到单个产品上的成本就更高。通过规模化推广应用，可以在一定程度上降低成本，从而把价格打下来。截至目前，东方氢能交付的氢燃料电池发动机约400台，这一数字领先于其他川企，但“空间还大”。
另一方面，由于材料等要求，氢燃料电池系统本身的制造成本也较高。李宁介绍，在一套氢燃料电池系统中，成本最高的要数膜电极，而膜电极中成本最高的就是催化剂，“目前还没有找到比贵金属铂更好更成熟的催化剂，只能尽量减少使用量。”
前路还长：努力突破关键材料部件方面的“卡脖子”问题
氢燃料电池与常见的锂电池不同，系统更为复杂，主要由电堆和系统部件（空压机、增湿器、氢循环泵、氢瓶等）组成。中国工程院的学术报告显示，近年来，氢燃料电池系统的国产化程度逐步提升，2017年只有30%左右，国内企业仅掌握系统集成、双极板制造等技术；2020年已有60%左右，但部分关键材料与核心组件仍未摆脱受制于人的局面。
国家发展改革委、国家能源局联合印发的《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》明确提出，着力推进核心零部件以及关键装备研发制造。
“在膜电极方面，我们还在努力追赶。”东方氢能膜电极开发部工程师孔禹介绍，膜电极是电堆的核心部件，由催化层、质子交换膜、气体扩散层组成，是将化学能高效转变为电能的反应场所，其成本占了电堆的一半以上，“目前国内质子交换膜、气体扩散层等主要依赖进口，拉高了成本，同时影响供应链安全。”
围绕突破关键材料部件方面的“卡脖子”问题，东方氢能依托长寿命燃料电池四川省重点实验室，自主开发性能领先的膜电极产品，掌握了膜电极高通量、高精度、高一致性自动化制造技术，部分指标已追上全球第一方阵的水平。东方氢能副总经理陈亮介绍，在位于成都市郫都区的东方氢能产业园，将引入产业上下游企业，构建燃料电池核心原材料及核心零部件企业集群。
在系统部件空压机方面，位于成都市新都区的势加透博（成都）科技有限公司（简称“势加透博”）也在奋力突破。
此前，势加透博研制的氢燃料电池无油离心空压机，已成功打破国外垄断，截至去年底交付全球客户超过18000台，占据了国内空压机市场超七成的份额。该公司已突破高性能气动设计、高功率密度高速电机及高频电控等六大技术瓶颈，实现空压机每分钟3万转甚至10万转的转速。
“目前正持续加大在小型高速离心压缩机技术上的升级迭代。”公司负责人介绍，下一步将推进低能耗空压机的研制和测试平台建设，在更多关键设备国产化方面实现0到1的突破。
(责任编辑：子蕊)
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