發展氫燃料電池汽車，發揮氫氣、氧氣電化學反應輸出物為水、電、熱，全過程無污染物和碳排放的優勢，是交通領域踐行能源革命和實現“雙碳”目標的重要方式之一。但此前，由于技術、產業、成本等瓶頸性難題，我國氫能產業和氫燃料電池汽車發展并不盡如人意。
早在2008年，北京奧運會投入運行了3輛氫燃料電池汽車，并建成了我國首座車用加氫站，開啟了氫燃料電池汽車“從0到1”的示范。“北京2022年冬奧會，共計投入使用816輛氫燃料電池汽車，作為主運力開展示范運營服務。”北京市經信局汽車交通處副處長吳志全表示，我國已實現了氫能和氫燃料電池汽車“從1到100”的規模化應用和產業化突破。
清華大學核能與新能源技術研究院研究員王誠表示，氫燃料電池成本由燃料電池堆、空氣供給系統、氫氣供給系統、冷卻排水系統及電能控制系統等部分組成。例如電堆的催化劑普遍采用貴金屬鉑，技術難度高，產業化程度不足，導致電池總體成本較高，難以實現規?；瘧谩?/div>
2008年，3輛氫燃料電池客車由福田汽車公司提供。而今年的北京冬奧會期間，福田汽車公司帶來了515輛氫燃料電池汽車。
“福田汽車和豐田汽車、億華通公司三方共同合作，推出了可商用的系列氫燃料電池客車。”福田汽車歐輝客車事業部研發副總裁劉繼紅告訴《中國科學報》，這些氫燃料電池汽車不僅在延慶賽區閉環內使用，還在閉環外提供接駁運輸服務。
“北京冬奧會為氫能和氫燃料電池汽車示范應用提供了世界級舞臺，是對我國氫能和氫燃料電池汽車全產業鏈的一次全面檢驗。”吳志全介紹，北京冬奧會上的816輛氫燃料電池汽車，包括豐田全新Mirai第二代乘用車、首次實現本土研發及生產的豐田柯斯達中巴車、豐田-福田首次合作開發的大巴車等。
而氫燃料電池汽車的應用，也使交通領域加速走向零碳排放。例如，豐田Mirai乘用車每百公里可減少排放二氧化碳大約18.79公斤，豐田柯斯達中巴車每百公里可減少排放二氧化碳大約47.01公斤，豐田-福田合作開發的12米大巴車，每百公里可減少排放二氧化碳大約57.86公斤。
“北京市兩個賽區投入312輛氫燃料電池汽車，自冬奧會2月4日開幕以來到2月14日，累計用氫約42.04噸，二氧化碳減排作用十分明顯。”吳志全表示。
關鍵技術實現國產替代
從燃油車到氫燃料電池汽車的跨越，不是簡單地從“燒油”變為“燒氫氣”，背后是氫燃料電池發動機核心技術、多重耦合安全技術、全氣候動力電池技術等一系列最新技術的探索和應用。
王誠介紹，此前我國的制氫效率比較低，氫氣儲存和整個供應鏈體系依然使用傳統技術，氫燃料電池的主要原材料如碳紙、催化劑等都依靠進口。
但如今，氫燃料電池汽車的許多關鍵技術，都已經實現了國產替代。
“在冬奧運輸服務保障中，氫燃料電池汽車整車由豐田汽車和福田汽車提供，氫燃料電池電堆由豐田提供，大巴車氫燃料電池系統由億華通集成，氫瓶、空壓機等零部件主要由北京企業供給。”吳志全介紹。
北京億華通科技股份有限公司常務副總經理于民告訴《中國科學報》，在北京市“高環境耐受性燃料電池系統產品研制”項目的支持下，公司研發的燃料電池發動機系列產品，耐低溫性能提前兩年達到國家標準，并已應用于福田汽車的氫燃料電池客車中。
早在2020年1月，億華通公司的氫燃料電池發動機就在海拉爾完成了極寒測試。“測試結果顯示，氫燃料電池客車在-30℃的環境下，放置超過8小時后，進行超低溫冷啟動測試，116秒就成功啟動。”于民表示，這為在北方地區規?；茝V燃料電池汽車奠定了基礎。
而北京新研創能科技有限公司則在近日完成了220千瓦級燃料電池模塊的研發，使氫燃料電池的應用場景擴展到重型卡車領域。
北京新研創能科技公司總經理齊志剛介紹，一般車輛需要的燃料電池額定功率在80kW左右，但重型卡車對燃料電池的額定功率提出了更高要求，大概需要200kW。公司為此開發了雙堆燃料電池模塊，并突破相關技術難題，實現了兩個電堆的流體的均勻分配。
北京天海氫能裝備有限公司則開發了70兆帕儲氫瓶，實現了國產替代，并交付冬奧會燃料電池客車使用，極大拓展了氫燃料電池汽車的續航里程。
“我們開發了燃料電池用大流量高壓減壓裝置，開展氫燃料系統高壓管路連接及密封可靠性研究，集成了瓶閥、高壓管路、儲氫瓶等部件，為氫燃料電池客車提供車載儲氫系統產品。”北京天海氫能裝備有限公司總工岳增柱介紹。
盟固利新能源科技股份有限公司、北京理工大學等單位合作，打造了全氣候動力電池，該成果具有升溫快速、耗能低、加熱均勻的優點，能夠解決電池在極寒環境下的使用“瓶頸”問題。
北京理工華創電動車技術有限公司實現了氫燃料電池汽車雙電機及變速箱一體化設計，由動力控制器實現兩臺電機高效協同配合，使車輛整體動力性能明顯增強，百公里能耗降低。該系統在扭矩、功率、爬坡、車速、舒適、經濟六方面，性能均優于單電機動力系統。
“正是這些技術突破，使得我國氫燃料電池汽車在關鍵技術上擺脫了被‘卡脖子’，也為我國氫燃料電池汽車下一步產業化奠定了基礎。”吳志全表示。
產業鏈邁向自主可控
“氫氣的供應鏈體系還不健全，制氫、儲氫、運氫沒有形成完備高效的供應鏈體系。”王誠認為，這是限制我國氫燃料電池汽車產業發展的又一大關鍵問題，規模、廉價的氫氣資源匱乏，制約了氫燃料電池汽車的規模化應用。
2020年國務院辦公廳印發的《新能源汽車產業發展規劃（2021-2035）》提出，我國要“提高氫燃料制儲運經濟性。因地制宜開展工業副產氫及可再生能源制氫技術應用，加快推進先進適用儲氫材料產業化”，“健全氫燃料制儲運、加注等標準體系”。
如今，“我國在氫能和氫燃料電池產業方面，已實現了‘制、儲、運、加、用’的全產業鏈布局，氫能和氫燃料電池汽車創新鏈產業鏈實現了自主可控。”吳志全表示。
在氫能源頭方面，2020年10月，環宇京輝京城氣體科技有限公司參與了由清華大學牽頭承擔的科技部國家重點研發課題“科技冬奧‘氫能出行’關鍵技術研發和應用示范”項目，主要任務是參與加氫站建設，并協助建立“制、儲、運、加”全供應鏈信息監控系統。
“環宇京輝擁有煤、天然氣提碳制氫，氣態高壓儲氫，超純氫氣提純，副產氫提純等多項核心技術，所生產的氫氣純度高達99.99999%，氫氣年產能1200萬立方米。”環宇京輝京城氣體科技有限公司副總經理張巖向《中國科學報》介紹，環宇京輝還與京能集團合作，利用由光伏、風能等所產生的“綠電”進行氫氣的制取工作，實現“綠電制綠氫” 。
而傳統燃油企業燕山石化也積極在制氫領域開展布局。在北京冬奧會期間，為保障氫源供應，燕山石化和環宇京輝的制氫能力達到7.2噸/天，為冬奧會氫燃料電池汽車提供了充足的清潔氫源供給。
加氫站建設的流程也不斷優化。“加氫站屬于新生事物，安全等級要求較高，相關技術仍處于不斷發展完善階段。”吳志全表示，為確保加氫站安全穩定運行，國家明確了油氫合建站的審批流程，并創新了工作程序和工作方法，為今后加氫站的建設積累了豐富的經驗。
示范應用也帶動了氫燃料電池汽車產業標準的極大進步。為實現氫燃料電池汽車在冬奧場景的使用，我國推動修訂了《燃料電池電動汽車加氫口》《燃料電池電動汽車車載氫系統試驗方法》等多項標準。“這使我國氫能與燃料電池汽車產業往高端化發展。”劉繼紅表示。
氫能產業也成為各地“十四五”產業規劃的重點。在北京，“正在落實氫能和氫燃料電池汽車產業發展規劃，積極推動京津冀燃料電池汽車示范城市群建設。”吳志全介紹，北京將圍繞“車用在哪、氫從哪來、技術如何突破、產業如何持續發展”四大關鍵問題，打造燃料電池汽車關鍵零部件和裝備制造產業集群。
“未來，隨著氫能產業鏈的進一步完善，氫燃料電池客車還將憑借安全、舒適、低碳的優勢擴展到更多的領域。”劉繼紅對我國氫燃料電池汽車產業的發展充滿了信心。
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