氢燃料电池汽车发展现状、挑战及未来方向
2020-04-28 12:22来源:我爱汽车网阅读量:

摘要:作为在应用环节里真正意义上零排放的清洁能源,氢燃料电池有其独到优势。燃料电池汽车具备绿色环保、加氢时间短、续航里程长等优点,但发展关键在于氢能产业和氢能供给体系的建立。新能源汽车的发展不仅仅影响出行方式,同时更是国家能源战略的重要组成。国内氢供给体系在能源战略中的辅助定位,使得在未来一段时间内,氢燃料电池汽车恐难以像纯电动汽车一样快速大规模推开,而更适合应用于区域交通等特定场景。

随着全球化石燃料消耗量日益增加,对于清洁能源的应用需求日益增加。氢能来源丰富,可以高效转化,使用过程无排放污染,作为二次能源的载体,在工业、交通等领域中有重要前景。从1968年通用汽车设计生产了第一辆氢燃料电池汽车开始,将氢能应用于交通出行一直是解决环境污染和能源供需问题的重要途径。随着近年来新能源汽车的发展趋势日益强劲,燃料电池汽车也得到越来越多的关注。氢燃料电池汽车何时爆发,如何判断其发展方向和关键环节,本文将梳理现状并加以分析。

一、燃料电池原理概述

与普通电池储能应用不同的是,燃料电池是一种能量转化装置,通过反应过程转化产生能量。由于反应物质从外界而非电池内部供给,因此被称为“燃料”。氢燃料电池使用的反应物质为氢气和氧气,其发电的基本原理可以理解为电解水的逆反应,氢气作为燃料与氧气反应后生成电能与水。相较内燃机中燃烧过程而言,氢燃料电池的能量转化效率更高(>80%),更加清洁环保。

氢燃料电池中,工作于60℃-120℃的低温燃料电池因其安静高效,工作温度适宜,主要应用于汽车。而质子交换膜燃料电池(PEMFC)又是最为主流的技术方向。它利用聚合物质子交换膜如全氟磺酸树脂膜作为其中的电解质隔膜,用以分隔氢氧并同时传导质子,通常情况下使用铂炭作为催化剂。工作时氢气于电池阳极分解为质子和电子,质子通过隔膜到达阴极,电子在外部电路运行产生电能,电子、质子和氧气在阴极反应生成水。由于单体电池的放电电压仅为0.6-0.75V,需要将一定数量的单体电池串联形成电堆使用。

二、燃料电池产业链现状

(一)燃料电池系统

燃料电池系统包括电堆、供氢系统、进风系统、冷却系统、加注系统、控制系统等。目前国产燃料电池的水平距国外尚有差距,其中核心部件是电堆。国内电堆生产企业如北京氢璞、威力克、新源动力等,在关键指标如寿命、衰减功率上都不及加拿大巴拉德(大洋电机入股,国内建有合资公司)、美国Plug Power(亚马逊入股)和丰田的TFSC(全封闭体系)。因此部分车型采用系统集成国产化,电堆极板等进口,其他部件采用国产件。

从技术发展现状看,制约燃料电池应用的瓶颈包括:(1)电堆耐久性差,国内多数在售产品的耐久性在3000-5000小时之间,国外产品在8000小时左右。这意味着在长时间使用情境下如公交车,有可能2-3年就需要更换电堆。(2)生产成本过高。目前燃料电池系统占整车成本的65%左右,而电堆成本又超过电池系统的60%,其中质子交换膜、铂催化剂等都造价不菲。此外氢气容易渗漏对密封性要求极为严格,造成维护困难,启动需要预热时间等都影响了燃料电池的商业化进程。

(二)整车生产

根据2017年中国新能源汽车目录统计,共有10家车企、11个品牌的22款燃料电池车。其中客车19款,专用车3款。所有车型续航里程在300km至600km之间,最高车速在69km/h至110km/h之间。2017年燃料电池车共有8个品牌的10款车型在产,总产量为1272辆,其中燃料电池专用车992辆,占比78%,燃料电池客车280辆,占比22%。较2016年燃料电池车总产量629辆同比增长了102%。

国内燃料电池车全部为专用车和客车,一方面是因为乘用车对于技术和成本的要求更高,且面向个人用户销售使用的条件尚不具备;另一方面国内燃料电池车处于政策扶持阶段,专用车和客车面向园区和公共交通,符合政策试点推广的需求,对基础设施要求也相对较低。根据燃料电池公共汽车在上海世博园区道路运行试点结果,氢气消耗量约为12kg/100km,单车行驶累计超过3000km,运输乘客超过1.5万人次,基本可以满足公共交通需求。

乘用车方面中最为知名当属丰田Mirai,自2014年底上市以来,被认为是最接近商业化的乘用车型。该车最大输出功率为114kW,10s内可以完成百公里加速,加氢6kg续航里程超过500km,售价为44万元。据统计上市以来累计销量超过2000辆。此外乘用车还有本田 Clarity、现代 ix35 FC等车型。

(三)氢能产业与基础设施

从燃油供给体系到电力网络充电设施,交通车辆一直与能源供给体系协同发展,因此燃料电池汽车的发展关键在于氢能产业和氢能供给体系的建立。

国内氢气主要用于工业生产,交通用氢可忽略不计。氢能产业链主要包括制氢、储运和加氢等环节。根据统计,国内纯度≥99%的氢气年产量约为700亿m3,其中90%从各类含氢气体中提纯获得,另有2%-4%通过电解水获取。在氢气储存环节,主要方式有高压气态储氢、液态储氢和固态氢化物储氢。液态氢储罐和拖车已在国内制造并应用于航天领域,而管道氢气输送尚处于基础研究阶段。总体而言小规模储运有解决方案,但是规模化输送还不成熟,需解决提高密度、减少蒸发、降低成本等问题。

截止到2017年12月,我国加氢站已有19座。国内外运行的加氢站,基本都采用的是现场制氢加氢模式,避免了输运环节诸多问题,也适应现阶段试点运行的少量需求。国内加氢站建设成本超过1000万元(200kg/天,不含征地成本和补贴),现场制氢价格40-50元。未来如果要进一步降低成本并满足燃料电池汽车大规模使用需求,必须解决规模化制氢和经济安全输运的问题。

 

加氢

三、能源战略视角下的燃料电池汽车发展

当前很多关于新能源汽车的讨论围绕电池和汽车本身展开。但实际上,新能源汽车不仅仅影响出行方式,同时更是国家能源战略的重要组成,判断其发展趋势应当结合宏观角度下的能源构成和应用特点加以考量。

如果不考虑能源战略这一层面,就很难理解以丰田为代表的日本车企为何一度在纯电动汽车领域犹豫不决,而试图坚持从混动到燃料电池汽车这一独有的发展路线,这与日本政府确立的“氢能社会”目标密不可分。在2014年日本的《能源基本计划》中,将氢能源定位为与电力和热能并列的核心二次能源。二次能源是由自然界一次能源转化而来,是现代社会中能源得以作为商品输送和应用的载体,无论电力、燃油或者氢能,这些二次能源的配置比重将深刻影响能源应用结构,同时也与本国的能源分布、获取方式、地域人口等特点密不可分。日本人口密度大,一次能源匮乏,也不具备大规模修建光伏风电水电的条件。因此日本政府考虑在海外利用伴生氢、原油伴生气和褐煤等利用率较低的能源制造氢再运送到日本国内,并通过推广家庭燃料电池实现热电联供,减少了能源损失。日本的氢能供应体系是随着整个社会能源体系而建立,其技术发展也不仅仅应用于汽车,氢燃料电池汽车对于将氢能定位为核心二次能源的日本也就顺理成章。

反观中国与日本的能源国情大不相同,广袤的国土和不均衡的能源分布,使得电力成为最主要的二次能源形式,并通过推广特高压等输电通道和智能电网建设加以强化。如果将火电用于制氢,实际是增加了能量转化环节,不可避免的带来能源损失。而建立全国性的氢输运体系,成本极高也没有意义。合理模式一是围绕氢气制备企业一定距离内开展区域化供给;二是将氢能作为未能上网电能(如部分风光电或水电密集区域)或波谷电能的消纳方式,实现能源消纳转移。这样可以解决部分新能源上网困难,以及能源时间/空间分布不均衡导致的浪费等问题。

因此我国的能源战略决定了电力是二次能源的核心主体,这为推广纯电动汽车提供了坚实保障。反过来纯电动汽车规模越大,在能源战略中所能够发挥的调节作用和影响也就越大。国内氢供给体系在能源战略中的辅助定位,使得在未来一段时间内,氢燃料电池汽车恐难以像纯电动汽车一样快速大规模推开,而更适合应用于区域交通等特定场景。

四、结语

作为在应用环节里真正意义上零排放的清洁能源,氢燃料电池有其独到优势。具备绿色环保、加氢时间短、续航里程长等优点的燃料电池汽车,得到了有力的政策扶持。在《中国制造2025》中明确指出,到2025年,制氢、加氢等基础设施要基本完善,燃料电池汽车实现区域性规模运行。国家发改委、能源局发布的《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》中把氢能源与燃料电池技术创新研究列为15项重点任务之一。我国的新能源汽车政策中给予燃料电池汽车补贴支持,上海等地也出台了多项地方性产业政策。

下一阶段,提高核心技术水平,降低成本和加强基础设施建设将是发展重点。根据《国家节能与新能源汽车技术路线图》的规划,电堆耐久性2020年达到5000小时,2025年达到6000小时;电池的系统成本2020年降至5000元/kW,2025年降至2000元/kW;加氢站2020年超过100座,2025年超过300座;燃料电池汽车到2020年销量5000辆,2025年销量50000辆。通过政策技术双驱动消除瓶颈,规模效应降成本,推动燃料电池汽车最终实现商业化,成为我国未来新能源汽车战略中的重要组成。

 
 

氢能源汽车


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