深耕30年,高性能产品打开氢能利用空间

转自:光明网 发表于2020-07-06 12:01:11

本网7月06日讯 “中汽研汽车检验中心(天津)有限公司(以下简称检验中心)的测试结果显示,我们研发的40千瓦车用金属双极板水冷电堆产品,在体积功率密度、大电流持续稳定放电能力、单位面积放电电流密度等关键核心技术指标上,超过丰田、本田、现代等国际主流车企的产品。”7月3日,清华大学核能与新能源技术研究院毛宗强教授对科技日报记者表示。

检验中心6月初的这一纸测试认定书,是73岁的毛宗强带领团队在氢能源领域深耕近30年的成绩单。业内专家表示,这标志着该项技术已从产品开发迈入规模化发展阶段,而该技术的突破,在我国氢能产业的发展历程上,有着里程碑式的意义。

缺乏自主知识产权的产品

什么是金属双极板水冷电堆技术,它对燃料电池车发展有何意义?

毛宗强说,电堆是氢气发生电化学反应的场所,是组成燃料电池的最基础、最关键的部件。电堆之于氢能经济的重要性,相当于中央处理器(CPU)在信息产业中的地位。

“燃料电池有很多种技术路径,比较适用于车辆的是质子交换膜燃料电池(PEMFC),PEMFC主要有两种实现方式,即石墨双极板和金属双极板水冷电堆技术。”毛宗强介绍道。

石墨双极板是多年前加拿大巴拉德公司开发的技术。但由于巴拉德不是汽车企业,毛宗强说,丰田等日本车企考虑到整车开发的需求,在第一代石墨双极板水冷电堆之后,改变了石墨堆应用于整车的技术方案,投入巨资,开展在低温启动、体积与功率和成本等方面更具优势的金属双极板水冷电堆的开发工作。经过将近30年,丰田于2014年年底率先推出采用金属双极板水冷电堆技术的燃料电池汽车,实现了燃料电池乘用车的产业化。

“近年来,随着中国氢能源产业的发展,国内企业也纷纷瞄准金属双极板水冷电堆技术。”毛宗强说,部分企业也推出了一些技术和产品,但从公开数据看,其性能离先进水平还有一定差距,电堆单位面积放电功率很难突破每平方厘米1.0瓦,生产成本居高不下,“40千瓦车用金属双极板水冷电堆产品研发出来前,国内仍然缺乏知识产权和核心技术完全自主可控的金属双极板水冷电堆产品”。

不尽早赶上差距会越来越大

这是因为,燃料电池的研发是个难度极高的活儿。

毛宗强分析,电堆设计要实现反应物质的传输、水热管理和产生的电流之间能相互协同工作,需要膜电极等基础材料的配套,对零部件的加工工艺和加工精度要求也极高。

“由于起步较晚,中国企业与国际先进水平有较大的差距。”毛宗强说,国外技术领先的企业积累了海量的数据,建立和完善了自己的产品大数据体系,并将积累的大数据应用于产品的设计,“如果不尽早赶上,未来差距可能会越来越大”。

自1993年进入氢能研究领域,毛宗强带领团队一直专注于膜电极等最基本的研究。“我们的金属双极板水冷电堆技术能取得突破,主要是改进了金属板的设计,极大提高了性能。”毛宗强说。

毛宗强团队牢牢抓住电堆和控制策略这两大核心技术作为突破口。在产品开发过程中,各项关键技术指标全面对标国际标杆企业的产品,形成了具有完全自主知识产权和全套核心技术的氢燃料电池金属双极板水冷电堆的技术体系,具备了自主开发和迭代改进电堆的能力。

已经具备规模化生产的条件

为了加快技术推广应用,毛宗强去年成立了北京嘉清新能源科技公司(以下简称嘉清新能源),这也是北京市大兴区政府重点高科技引进项目。

目前,嘉清新能源技术团队拥有金属双极板、电芯模块化、装堆策略、电堆控制策略等关键核心技术,已经具备自主建设电堆生产线并进行规模化生产的条件。

“我们在产品设计、膜电极等关键材料和零部件制备、生产制造工艺等方面,实现了跨越式的进步,这些技术已能够正式应用于产品。”嘉清新能源总经理方谋说,这也意味着燃料电池这个关键核心战略性产业,在产品级别方面,中国将实现从远远落后到并驾齐驱、局部领先的战略性转变。

方谋介绍,嘉清新能源团队已与国际知名系统集成厂家达成合作意向,共同开发氢燃料发动机系统,并将首先应用在大巴车、物流车上,通过上车实验将进一步完成大数据积累。

“今年底,将完成年产2000台40千瓦车用金属双极板水冷电堆的生产线建设,实现电堆产品在叉车、乘用车、物流车等不同应用场景的产业化应用。”毛宗强表示,同时,将推进单堆100千瓦金属双极板水冷电堆的开发工作,实现100千瓦电堆进入小批量生产,目标市场为大巴、重卡、轨道交通、储能等方面的应用。(操秀英)