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上汽集团的氢燃料电池技术野心:十款、百亿、千人、万辆

收藏 评论 时间:2020-09-13 16:07 作者:杨波 来源:EV世纪

9月13日,上汽集团正式宣布了其氢燃料电池技术战略,同时上汽大通MAXUS发布了一款较为成熟的产品——EUNIQ7 Fuel Cell。自2001年开始投入氢燃料电池技术路线,上汽集团先后推出了多款示范运营的氢燃料大巴车(申沃FCV)、商用车(FCV80)和乘用车产品(荣威950 Fuel Cell)。

如今上汽集团进入到第三代氢燃料电池技术,不仅在电堆功率等多项核心技术指标上领先全球,还实现了主要一级零部件自有国产化,成为国内汽车企业中氢燃料电池技术的先驱者。

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●氢燃料是新能源汽车的重要版图

2020年下半年开始,政策和舆论开始逐渐向本来被打入冷宫的氢燃料技术路线偏斜。在新能源汽车行业发展初期,由于日本为主的其他国家在该技术上处于领先地位,我们设定了以纯电动为主要路线,插电式混动和增程式混动并行过渡的大概方案。不过,近期多位行业专家在公开发言时,开始力挺氢燃料电池技术,2020年成为氢燃料电池的翻身之年。

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氢燃料电池技术其实原理非常简单,是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电过程。其放电原理可以看做是电解水的逆反应,氢和氧分别供给正极和负极,氢扩散和电解质发生反应放出电子,经过负载流向负极与氧气结合形成最终排放物“水”。

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由于最终产物是毫无污染的水,燃料电池从技术上被视为新能源汽车的终极解决方案。相比目前的锂离子电池纯电动汽车,氢燃料电池汽车的优势非常明显:1,续航里程更长,500km属于起步水准,最高超过1000km也不是问题;2,补能时间短,和燃油车加油一样,基本只需要几分钟时间;3,燃料来源氢气可通过多种方式制取,排放物水没有任何污染。


●上汽第三代氢燃料电池技术

上汽集团旗下燃料电池公司捷氢科技,于活动现场公开了新一代车用质子交换膜燃料电池电堆,PROME P390的核心技术参数。

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燃料电池系统的电堆可以看做我们燃油汽车的发动机,是车辆的唯一能量提供来源,其技术指标决定了产品的实际表现。捷氢科技的新一代电堆的功率可以达到130kW(理论可支持的电机功率超过200kW),功率密度3.8kW/L,寿命超过10000小时,并且可以在-30℃到95℃的环境下正常启动使用。

而目前日本、韩国的一线水准,电堆功率也仅在110kW上下,使用寿命约为50000小时。

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更关键的是,捷氢科技正在电堆核心的58个一级零部件上全部实现国产化。其中最主要的金属双极板采用了高稳定和长耐久的贵金属涂层,以及两板三腔结构设计,具有高功率密度(>1W/cm²)和超低Pt铂载量(<0.3g/kW,Pt/C用作催化剂),不仅提高了效率而且降低了制造成本。

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此外,上汽集团的第三代氢燃料电池系统还采用了高活性合金催化剂,相比国际主流品牌的氢燃料电池乘用车在催化效率方面提升了20%;其内置的85000r/min无油离心式空压机,可源源不断的为电化学反应提供足量纯净进气,效率更高的同时保障电堆稳定运行;系统应用了水汽分离、多级减震设计、高压脉冲静音、无油空气轴承等创新技术,全面攻克了氢燃料电池车NVH控制的世界性难题,使得整车NVH性能比肩主流纯电动车型。


●EUNIQ7 Fuel Cell轻体验

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搭载上汽最新自主开发第三代燃料电池系统的首款车型,为上汽大通MAXUS EUNIQ7。新车整体基于大通MAXUS G20打造而来,不过动力系统进行了氢燃料电池系统的取代。

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捷氢科技的PROME P390电堆置于前发动机舱内,看起来类似纯电动汽车的电控系统,不过它的技术含量和价格要高的多。总容量可达6.4kg的高压储氢罐位于底盘上方,单次加满氢后其NEDC续航里程可达605km,百公里氢耗1.18kg,折合每公里使用成本仅需0.4元。

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一块由宁德时代提供的10kWh三元锂电池位于后悬架上方,后轴上还有一台最高功率150kW、最大扭矩390Nm的驱动电机。隐藏式的“排气管”,在这台EUNIQ7上排出的是水。

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你可能会问,不是氢燃料电池汽车吗,怎么还有一块电池呢?在这台EUNIQ7上,这块容量不大的电池用作临时储能用,将电堆的多余功率、能量回收电量储存起来,在需要高功率输出时辅助电堆。毕竟电堆作为纯“发电机”,并不具备储能能力。

多数时间内,你踩下加速踏板,看到的都是通过蓝色的氢罐——黄色电堆——红色电机的驱动过程。偶尔电堆的电量或能量回收电量会充入电池,急加速时电池也会短暂参与能量输出。当然,上面看起来很繁杂的能量转换过程,并不会让你有任何可察觉的体感。

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这台氢燃料电池汽车开起来,和现在的纯电动汽车基本没有差别。最后我们还体验了一次加氢过程,远没有想象中的那么危险,不需要禁用手机等电子设备。不过操作人员要执行比较严格的检查过程,包括探测车辆有无氢气泄漏、接地线等等。

实际包括检查在内,完成加氢的总时间不超过10分钟,相比快充也1小时起步的纯电动汽车,体验确实非常棒。


●氢燃料电池的困境

虽然近两年我们在氢燃料技术上取得了一定进步,但是在关键材料、核心技术,如:催化剂、隔膜、碳纸和氢气循环泵等方面,仍然需要依靠进口。

有部分企业在高功率密度金属双极板和低铂电极上取得了出色的成绩,但是还限于实验室阶段,像上汽集团捷氢科技这样可以进行量产应用的比较少。

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其次,电池电堆的成本目前仍然比较高昂。膜电极成本占到了整个电堆成本的70%,主要以Pt/C(铂纳米颗粒分散到碳粉载体上)成分为主的催化剂,其中的铂也是一种非常贵的金属。降低铂含量,或寻找成本更低的替代品,是燃料电池技术推广的必要条件。

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最后就是我们常谈到的加氢站建设了,目前加氢站建设成本高,氢气运输成本也居高不下,对操作人员的素质要求较其他能源补给方式要求更高更复杂。加氢站数量的稀少,直接制约了消费者对氢燃料电池汽车的关注热情和未来对的购买意愿。

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编辑总结:在当今世界格局中,能源问题已经成为众多国家的发展瓶颈。一方面,我国能源消费持续增长,能源安全至关重要;另一方面,我国能源体系以化石能源为主,碳减排压力巨大。因此,中国需要推进能源革命,构建清洁低碳、安全高效的能源体系。

氢能作为二次能源,具有零碳、高效、能源互联媒介、可储存、安全可控等显著优势,可在交通、工业和建筑等诸多领域推广应用。使用氢作为“燃料”的燃料电池汽车,具有无污染、高效率、载重高、加注快和续航长等显著优势,加快发展燃料电池汽车已成为我国新能源汽车战略的重要组成部分。国家工信部制定的《节能与新能源汽车技术路线图》明确提出,到2030年燃料电池汽车推广应用达到百万辆,加氢站建设超过1000座的目标。

加快发展应用燃料电池技术,对于增强中国车企在新能源汽车领域的核心竞争力和国际影响力,推动中国汽车行业的创新绿色发展,提升我国能源战略安全,都有着十分重要的战略意义。上汽集团发布的中国汽车行业首个“氢战略”:在2025年前,推出至少十款燃料电池整车产品,上汽捷氢科技(为行业提供燃料电池产品及工程服务的高科技企业)达到百亿级市值,建立起千人以上燃料电池研发运营团队,形成万辆级燃料电池整车产销规模,市场占有率在10% 以上。

作者:杨波
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