“目前行業(yè)最大的訴求在于，如何讓燃料電池實現(xiàn)更高效率、更長壽命及更低成本。” 神力科技副總經(jīng)理周斌在2022高工氫電年會上表示，這類似經(jīng)濟學概念中的“不可能三角”，很難同時達到這些目標。但我們依然要凝心聚力尋找解題之道，通過系統(tǒng)性優(yōu)化提升燃料電池堆壽命、推進燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈國產(chǎn)化持續(xù)降本等多途徑解決難題。
在本屆年會的電堆與雙極板專場，周斌發(fā)表了“燃料電池的‘不可能三角’與解題之道”的主題演講。他深入闡釋了來自政策及終端應用對燃料電池效率、壽命、成本等方面的要求，攻克技術的難點在哪，以及具體的解題路徑。
“不可能三角”解題思路
燃料電池是多項、多尺度、動態(tài)、復雜和系統(tǒng)化的產(chǎn)品，各項性能指標相互耦合，類似于蹺蹺板，一項指標的改變，也會關聯(lián)其他指標的反彈變化，魚和熊掌難以兼得。對于燃料電池而言，要同時實現(xiàn)高效率、長壽命、低成本等多個性能指標十分不易。
效率方面，燃料電池效率提高，核心作用之一在于降低氫耗及用氫成本。從理論來看，燃料電池工作電壓從0.6V提高到0.8V，效率可以從48%提高到64%，百公里氫耗可隨之下降13.8%。比如重卡百公里氫耗10kg氫氣，效率提高后只需8.63kg。而電堆提高工作電壓，容易對壽命或者耐久性產(chǎn)生影響，故額定工作電壓的設定還需要綜合衡量而定。
壽命方面，《關于開展燃料電池汽車示范應用的通知》明確提出，燃料電池乘用車生產(chǎn)企業(yè)應提供不低于8年或12萬公里的質(zhì)保，商用車生產(chǎn)企業(yè)應提供不低于5年或20萬公里的質(zhì)保。美國DOE也提出到2030年，重型卡車的壽命應該達到25000小時。從相關數(shù)據(jù)來看，當前國內(nèi)燃料電池實際運行壽命與目標壽命相差較大。
燃料電池耐久性與可靠性也是終端用戶非常重視的性能指標。以當前銷量正在快速上升的燃料電池重卡為例，無論是物流運輸企業(yè)還是個體經(jīng)營戶都十分看重重卡的經(jīng)濟性，重卡“耐用”對于他們而言，意味著運營價值大、長期盈利能力強。
對比大巴及乘用車來看，燃料電池重卡載重量往往高達數(shù)十噸，單次運輸里程動輒數(shù)百甚至數(shù)千公里，運行環(huán)境復雜得多。司機在運輸過程中，可能會出現(xiàn)野蠻駕駛、超載、連續(xù)運行等情況，如果是一些特種作業(yè)車，還需要面對粉塵、高硫、山谷、頻繁沖洗等作業(yè)環(huán)境。這些使用條件對燃料電池的可靠性和耐久性提出了嚴苛的要求。
成本方面，目前國內(nèi)燃料電池成本高主要源于：1、整體推廣規(guī)模偏小，難以形成規(guī)模效應；2、核心部件尤其是材料成本較高。目前包括質(zhì)子膜、催化劑、氣體擴散層等核心材料依賴進口，占據(jù)成本比重大；3、技術水平與國外仍有差距。以Pt用量為例，國際上目前可以達到0.2g/kW，還在繼續(xù)突破達到0.1g/kW。國內(nèi)Pt目前使用量比較高，在0.3-0.4g/kW。
針對以上痛點問題，周斌在年會現(xiàn)場給出了大體的思路與解題方向。
一是從材料、電堆和系統(tǒng)三個方面著手，系統(tǒng)性優(yōu)化提升燃料電池壽命。材料層面，優(yōu)化催化劑和載體穩(wěn)定性，增強質(zhì)子膜機械化學性能，提高膜電極抗腐蝕能力；電堆層面，優(yōu)化電堆的一致性設計、電堆密封的耐久性、系統(tǒng)傳熱傳質(zhì)均勻性；系統(tǒng)層面，優(yōu)化電堆的溫度循環(huán)及濕度循環(huán)，改善電堆的排水能力，減緩電壓的循環(huán)變動，優(yōu)化系統(tǒng)的供氣質(zhì)量等。
周斌特別提到，燃料電池電堆運行壽命取決于電堆中電壓最低的單電池，類似于管理學中的“木桶理論”，一桶水能裝多滿取決于電堆這只“木桶”最短的那根木板。因此，維持電堆中單電池電壓均勻性是提升燃料電池壽命的最有效手段之一。為保證電堆單電池電壓一致性，神力科技電堆開發(fā)團隊從雙極板設計、膜電極開發(fā)、電堆整體均勻性仿真、堆疊工藝過程控制、主管道分配能等五個方面，進行了系統(tǒng)性優(yōu)化和創(chuàng)新。
在燃料電池系統(tǒng)中，電堆成本占比最高，是核心中的核心。電堆的各種參數(shù)需要系統(tǒng)BOP綜合起來很好地去滿足，令其在最合適的操作條件范圍內(nèi)運行，才能源源不斷地輸出能量和動力，從而達到經(jīng)濟性、壽命的各項指標和要求。
二是推進燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈國產(chǎn)化，這是持續(xù)降本的重要途徑。其實經(jīng)過多年積累，國內(nèi)燃料電池供應鏈已基本形成，且具備批量供貨能力，發(fā)動機核心零部件已實現(xiàn)100%國產(chǎn)化替代，但質(zhì)子膜、催化劑、氣體擴散層等基礎材料還需要依賴進口，是當前攻關的重點。目前國產(chǎn)材料產(chǎn)品正在測試驗證，預計2-3年內(nèi)可實現(xiàn)國產(chǎn)化替代。另外在Pt用量方面，可以通過回收及租賃模式來降低成本。
雙極板也將是未來重點研究的降本渠道和方向。周斌認為，石墨材質(zhì)具有耐久性和導電性等等多重優(yōu)勢，柔性石墨雙極板路線是降成本關鍵，有更大的成本和更長的壽命優(yōu)勢。
產(chǎn)品累計出貨320+MW，裝車1800+輛
神力科技在攻克燃料電池“不可能三角”技術痛點方面，有著深厚的技術積累。自公司成立24年來，神力科技潛心專注于國產(chǎn)自主燃料電池技術與產(chǎn)業(yè)化，是我國燃料電池核心零部件供應商與技術領導者。
一組數(shù)據(jù)足以證實神力科技的行業(yè)地位：先后自主開發(fā)了5代燃料電池系統(tǒng)和電堆，累計申請專利671項，電堆產(chǎn)品功率覆蓋30kW-300kW，具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，一級零部件國產(chǎn)化率100%；產(chǎn)品累計出貨量320+MW，累計裝車1800+輛，累計車輛運行5500+萬公里；參與起草40+國家標準、地方標準及團體標準；在九五至十四五期間，參與40+項國家及省部級科研課題；97項檢測能力獲CNAS認可。
產(chǎn)品方面，神力科技B9系列擁有高功率密度、長壽命、低成本，打破了乘用車布置空間，單堆最大可達120kW，配套今年長安新能源發(fā)布的長安深藍 SL03氫燃料電池版乘用車；B9P系列單堆最高可擴展至210kW，雙堆可達300kW，堆芯體積功率密度≥4kW/L，設計壽命>15000小時，-35℃低功率快速自啟動和-40℃低溫儲存。
市場方面，神力科技是我國唯一從夏奧到冬奧的雙奧選手。其產(chǎn)品配套18輛乘用車和2輛客車，在2008年北京奧運會期間運行76,382公里；配套455輛客車，在2022年北京冬（殘）奧運會期間運行1,100,000公里。
今年以來，除配套長安新能源推出乘用車和馳騁奧運會外，神力科技配套氫車的典型投運事件還包括：7月8日，50輛搭載神力電堆的氫能冷藏車正式交付終端用戶齊魯智行（淄博），推進冷鏈物流進入氫能時代；8月4日，國家燃料電池汽車示范應用上海市第一批車輛集中發(fā)車儀式舉辦，神力科技作為主力燃料電池供應商之一，示范任務達70輛。
當前國內(nèi)技術針對中長途和長途干線物流場景的長里程、高車速、長爬坡等特殊工況的需求，在續(xù)航、氫耗、儲氫、燃料電池功率、效率等方面仍面臨較大的挑戰(zhàn)。神力科技聯(lián)合億華通、福田汽車打造了全球首款在長續(xù)航、高功率的燃料電池重卡產(chǎn)品，滿足1000km以上續(xù)航需求，為干線物流提供最佳氫能解決方案。
截至目前，1800多輛搭載神力科技燃料電池產(chǎn)品的車輛遍布12個省市自治區(qū)，讓神力科技積累了豐富的運營經(jīng)驗。公司在7個?。ㄊ校┙⒎毡Ｕ像v點，在氫氣豐富與場景成熟的地區(qū)提前布局，正在加速開拓全國市場。
神力科技致力于成為中國乃至世界具有領先水平的燃料電池技術創(chuàng)新、研發(fā)、推廣的搖籃和基地，成為了中國燃料電池行業(yè)發(fā)展的一面鮮明旗幟。
