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捷氢科技卢兵兵:车用燃料电池技术开发及应用

时间:  2020-08-22 17:19  来源:  汽车总站网   作者:   fergus

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 2020年8月13日-15日,“2020中国汽车论坛”在上海隆重召开。该论坛是由中国汽车工业协会(CAAM)主办,世界汽车组织(OICA)、世界经济论坛(WEF)唯一支持的行业顶级论坛。本届论坛以“新变局 新挑战 新思路——引领中国汽车新征程”为主题,紧扣时代脉搏, 求索突破之道,紧密围绕“十四五”规划,把控宏观产业形势,解析全球汽车产业发展动态。其中,在8月14日下午举办的“氢能产业发展及燃料电池技术创新论坛”分论坛上,上海捷氢科技有限公司总经理卢兵兵发表了主题演讲,以下为演讲实录:
捷氢科技卢兵兵:车用燃料电池技术开发及应用
 捷氢科技卢兵兵:车用燃料电池技术开发及应用
卢兵兵:大家好!我分享的题目是《车用燃料电池技术开发及应用》。我的演讲主要分三个部分,一部分是氢能战略之重,主要讲讲我们为什么要大力发展氢能产业。第二个产业发展之路,我们20年燃料电池整个产业是怎么一步步走到今天的。第三,技术创新巨变。我们现在这个行业面临哪些挑战,我们如何在产业上有所突破。
首先大家看看氢能战略之重。大家看看整个人类进化的历史过程中,能源的利用从这里大家可以看出来,有两个特点。第一,能源的密度是越来越大,从柴薪、煤碳、到石油,到氢能。氢能大概是石油的单位质量密度三倍,而氢能大概是柴薪的12倍左右,这个能量密度越来越高,同时这是去碳增氢的过程,柴火的时候大概是10:1,煤炭2:1,石油是1:2,到氢能社会可以实现无碳的能源利用。
同时我们国家能源面临许多的挑战。第一,我们的能源消费对国外的进口依赖非常严重,我们石油大概占70%的进口,天然气占40%,再依赖进口,我们的国际环境和经济环境都不能持续支持。
第二,我们现在整个能源、整个二氧化碳排放也是不可以持续,目前2019年为例,我们的碳排放占全球的29%。第三,尽管我们这几年可再生能源有了迅猛的发展,但我们的整个规模和利用效率还是有待于进一步提升。现在我国可再生能源的比例占15%左右,但是细分气电以及气网大概一年的规模在500多度。其实大家说对氢气的利用,所谓的绿氢是可再生能源,绿氢是以后等到成本下降一定程度,给整个燃料电池氢能利用是非常重要的来源,因为它是彻底无碳的,整个过程中是绿色的。
我们国内通过这几年的技术进步和能源意识的提升,目前的效率不断提升,但和国外世界先进水平比,我们国内的能耗水平比国外高1.5倍左右,所以我们整个能源从长期发展来看,我们势必要构建清洁低碳、安全高效的能源体系。
氢能可以把传统的化石能源、电能以及氢能进行有效的转含,所以氢能作为二次能源,具有零碳、高效、能源互联媒介、可存储、安全可控等显著优势,广泛应用于交通、工业和建筑等诸多领域推广应用。将氢能纳入终端能源体系,可与电力协同互补,未来将成为终端能源的主要部分,并且可以带来十几万亿的新兴产业。
这是国际氢能委员会的预测,氢能可以占到总能源消费的18%,同时如果达到18%的氢能利用率,它一年可以减碳6Gt,同时可以减少2.5万亿美金的营收,同时可以产生3000万的工作岗位,所以氢能的利用,这是一张未来比较美好的蓝图。当然这个蓝图的实现,还有待于各个要素的协同发展。同时氢能产业链也是非常庞大的产业链,可以从能源的来源可以看到,有不同的来源,也可以通过石油、化工、风能、石油等各方面,所以它涵盖的制氢、储氢、运氢,通过氢能转换,可以应用于终端,终端可以应用于飞机、无人机、叉车,可以这张图是产业里面的上游,就是氢气的获得。制氢、储氢、运氢、加氢,如果一个加氢站出去地价在1000-1500左右,所以现在的初步规划是2030年国内将造1000个加氢站,这块也是一个最大的产业。同时在下游,我们既有交通领域,也有固定式的拉面式的电源,也有便携式的应用。燃料电池后面也会讲到,最重要的也就是三个关键材料,三个零件,膜电极里面最重要的是质子交换膜、催化剂、气体扩散层。燃料电池加上供氢、供氧和热管理,整个升降压和其他的控制形成了燃电池系统。这些核心零件在车子上的大致的位置以及和汽车的相互关系。
后面就是整个国内外产业化制度处于什么样的水平,上汽是国内比较早地提出了“新四化”-电动化、智能网联化、共享化、国际化。所以说上汽是在诸多汽车集团里面,唯一一家纯电动、插电混动、燃料电池的公司。我们有全系列、全平台、全路线的新能源产品开发,同时掌握核心的三电开发和生产能力,同时按照量产的要求开发所有的零部件。目前累积在三电领域的投资超过两百亿。
上汽最早从2001年开始设计燃料电池,当初在一辆别克GL8上面和美国通用合作,用美国通用的燃料电池系统改造燃料电池汽车,2008年参加的奥运会,2010年参加了世博会,2014年推出第一辆燃料电池轿车是荣威750,2015年推出燃料电池轿车950,这是国内首款完成公告销售的燃料电池轿车,也是国内第一款用70兆帕储氢系统的,正是这辆汽车的开发,把国内70兆帕系统的标准规范一并建立起来。2018年为了加快燃料电池的产业化、商业化,成立了捷氢科技公司,2019开发新的燃料电池P390在大通的EUNIQ7,大家在整个的会场入口可以看到这款G20的车。
在今年3月份,我们是嘉定区第一个开工的燃料电池新园区,这个园区是四合一的园区。我们集研发办公、测试认证、生产制造和氢气供应为一体,我们将于年底整个施工完成,进入设备安装调试,估计明年二季度可以进入正式的生产。通过这么多年的努力,上汽在研发方面已形成了完整的开发体系,同时坚持自主开发,掌握核心技术,具备完整的自主知识产权,现在拥有超过350项的燃料电池相关专利,同时积极参与行业标准制定,同时也是行业标准制定的引领者。商乘并举,我们既推动商用车的应用,同时通过技术升级,尽可能把燃料电池能够往乘用车领域应用。
捷氢科技是成立于2018年的6月份,所以说这个团队承载和传承了上汽将近20年在燃料电池的积累,把上汽20多年来的项目、技术、人才,各方面都能够有效转到捷氢科技,所以我们现在的能源一部分是来源于整车企业,一部分是原来做燃料电池的,还有一部分做零部件的,还有一部分从高校、科研院所招聘,目前的员工是180多个,年底将近200人。这里面三分之二是研发人员,大家可以看到员工的基本情况,所有的员工研究生以上的学历占到70%,其中有博士18人,研发人员占到85%以上是研究生及以上学历。
这就是嘉定氢能港里捷氢科技的效果图,我们占地64亩,一期的产能总共是1.2万台套,同时也预留了二期发展的产地。
燃料电池最主要的产品是P390,现在P390通过我们的努力,系统的稳态功率可以做到92kW,可以实现30度以下的低温启动,一万小时的耐久,我们的耐久实际上测试已经超过5800小时,同时我们用智能化的上访,确保燃料电池氢的高效以及响应的机制。
这是我们的电堆,峰值功率是115 kW,体积功率密度是3.1 kW /L,我们用的是无外增湿的膜电极设计,并且用超薄的金属板和超薄质子交换膜,所以说如果要开发一个车用的燃料电池系统,其实还是要有一个严苛和完善的体系和流程。得益于我们来源于汽车系统,我们开发了HPDP,我们把整个产品开发分成不同的阶段,每个阶段都有相对应的交付物,每个交付物到一定的时间节点,确保多维度开展的工程条件下,都能达到下一步交付的要求,确保开发的工程质量达到车规级的要求。
我们的产品越来越多地在整车上进行了装车,后续这些车子会陆续亮场,有城市客车和乘用车的应用,同时在跃进的12吨和18吨的物流车,也包括12吨和18吨的燃料电车系统底盘,可以基于这些底盘上面可以做不同的上装改造,不同的应用场景变成红岩燃料车。同时在重卡上面,42吨也有清洗车和自动车,我们也有很多业外的合作,随着我们的交付,这些会进一步展示,现在还在合同签署和交付准备阶段。
后续整个产业面临很多的挑战,我们怎么一步一步在技术上突破和创新?燃料电池系统由电堆加上供氢、供氧和热管理,加上其他的变压装置等形成电堆。而燃料电池最核心的就是电堆,它既是性能的要点,同时也是最大的成本载体,所以说燃料电池整个系统占电堆的70%的成本,而电堆里面主要是有膜电极和双极板构成的,电堆里面膜电极大概占了70%的电堆成本,双极板大概占20%的电堆成本,所以说怎么样开发核心产品,掌握核心产品的技术要点,是保证电堆性能的关键,同时也是控制成本的关键。我们随着量的增长,我们将来会逐步磨炼,会把最新的成果体现在膜电级上、体现在性能上,也可以成本上得到有效的控制。
目前整个仿真和虚拟技术,在整个工程和汽车领域里面,得到了广泛的应用。燃料电池也一样,通过这么多年的实践,我们建立从微观到宏观、从材料到系统的全尺寸和多维度仿真分析模型,同时也建立了相应的流体力学、结构力学、传热传质学、控制学的算法模拟等,这一切不光可以缩短研发的过程,也可以大大降低开发过程的成本。
我们一直秉着应用一代、开发一代、规划一代的原则,所以在300系统马上进入生产销售环节时,一方面做好这个产品的应用数据积累和数据分析,同时用我们的PHDP对下一代的400型电堆进行开发。同时为了确保整个系统技术的连续性,我们也制定了Pre-HG9的流程,是新产品开发的核心技术开发,所以我们也对400以后的500型电堆开发,也逐步进行新型的技术部署和架构部署,以确保以车规级的技术和产品开发体系保障技术和创新的领先性。
这就是我们整个后续的开发规划,所以我们2020年会在200堆、300堆实现量产,到2022年底,我们会400堆进行量产,等到2025年底对500堆进行量产,所以我们对未来的规划制定了非常清晰的产品线图和技术线图。
燃料电池有很多的应用瓶颈,第一个瓶颈是加氢站,第二个瓶颈是成本,第三个瓶颈是进口依赖,第四个瓶颈是大批量使用相适应的法律法规的匹配。一旦加氢站的建设为氢的获得性有了足够的保障,其实最大的问题就是成本。对我们来说,也从300堆核心系统的成本怎么到400堆,怎么到500堆,也制定了相应的成本下降曲线,所以降成本无非这几个方面:第一个方面通过规模降本,第二个怎么样进行国产化替代。其实汽车34年的发展充分利用了国产化替代,把成本大幅度下降。90年代初,23万的桑塔纳已经卖到了6万,这个时候的桑塔纳性能配置比那个时候高得多,现在四分之一价格可以买到三十年前好的产品,就是靠成本不断地下降,也是靠不断地国产化。
第三点是工艺和材料技术进步给我们带来降本。第四,有些法律法规的完善。怎么样适应和燃料电池规模相适应的法律法规,可以把用车成本大幅度降下来。第五,我认为整个产业的协同、上下游的协同,也可以有效地降低成本,所以说我们认为通过努力,第四代燃料电池汽车系统可以在第三代的基础上降40%,第五代可以在第四代基础上再进一步下降。
后面就是大家讲到的,目前除了燃料电池、机电类型的电池,其实到今年年底基本上可以实现国产化。下一步是膜电级的三个核心材料,一个是催化剂,一个是质子交换膜,一个是碳质。我们目前是和国内主流的上游供应商进行有效合作,大家共同努力,来突破燃料电池核心材料上的国产化。主要就是介绍这些,谢谢大家! 
 
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