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氢燃料电池汽车加速商业化

作者:郭昊 来源:中国石化报 发布时间:2024-06-18 浏览:

数字储能网讯:衣宝廉院士:汽车将打开氢能应用的突破口

  问:为什么说上下游协同降本能推动氢燃料电池汽车迈向商业化应用新阶段?

  答:用氢能代替燃油驱动各种交通工具,不仅能实现交通领域节能减排,而且能提高国家能源的安全性。尽管氢燃料电池汽车有诸多优点,但其发展必须攻克成本难点:第一,目前燃料电池发动机比较贵,导致一辆燃料电池汽车的售价是燃油车的2~3倍、锂离子电池汽车的1.5~2倍;第二,加氢站的建设费用比较高,在1200万~1500万元;第三,加氢站的加氢费用每千克为60~70元,只有降到30元以下才能跟燃油车竞争。因此,要实现无补贴的燃料电池汽车商业化运行,必须大幅降低供氢成本和氢燃料电池系统成本,进而降低氢燃料电池汽车运行成本。

  问:降低供氢成本需要考虑哪几个方面?

  答:一是氢源方面,二是储运方面。

  氢源方面,主要有三种制氢方式:化石燃料制氢、工业副产氢制氢、可再生能源制氢。我国具有丰富的副产氢资源,年产量近千万吨;可再生能源制氢是利用弃风、弃水、弃光的富余电量和生物质等进行电解水制氢,电解水制氢类型包括碱水电解、纯水电解(质子交换膜水电解)、高温固体氧化物水蒸气电解,我国碱水电解技术水平世界第一,售价是国际售价的1/3。纯水电解国内已做到兆瓦级,但数量和性能与国外比还有差距。高温固体氧化物电解效率最高,但还处于发展阶段。

  储运方面,利用“三北”地区丰富的水力、风能、太阳能发电,大力发展质子交换膜电解水制氢,把氢气送入天然气管网,最高浓度可达20%,在需要氢气的地方,采用膜分离从天然气氢混合物中提取纯氢,当氢浓度低时,可抽取等热值天然气进行重整制氢。在近海地区发展海上风电,采用电解水制氢,利用氢气管道将氢气输送至海港,将氢液化作为商品用管车送至附近加氢站。加氢站建设电解水制氢装置和天然气重整制氢装置,利用上述方案提高氢气输送效率,降低用氢成本。氢气压缩机、高压储氢瓶、加氢机等也需要尽快国产化和批量生产,还要建设油氢电合建站,大幅降低加氢站的建设费用。

 问:降低燃料电池系统成本需要从哪些方面着手?

  答:首先要降低燃料电池电堆的成本,电堆成本为燃料电池系统的50%左右,要提高电堆比功率,研究高活性的催化剂,同时降低铂用量。制备高性能超薄增强复合膜,增加机械强度,实现低透气率。对于膜电极组合而言,膜减薄后,大幅降低了欧姆极化,同时采用静电喷涂,形成结构部分有序化,从而降低氧传质阻力和提高电极活性。在双极板类型中,无孔碳板和金属板工艺在国内已成熟,加大力度对无涂层的不锈钢板工艺进行研究,薄金属冲压双极板具有比功率高、成本低的优势。改进流场结构,提高电池性能,提高氧气传质速率、排水效率,将电堆的工作电流密度由现在每平方厘米2安培提高为4~5安培,电堆成本由1000~1500元降为500~700元。

  其次,在组装燃料电池系统中,要使电堆在最适宜运行的条件下工作,电-电混合能控制燃料电池输出功率,使其平稳输出,解决燃料电池响应慢的问题,提升电池系统的可靠性和耐久性,降低研发和售后服务成本摊销。

  最后,突破关键材料和氢瓶瓶口阀等“卡脖子”核心零部件,提升核心技术创新能力,实现关键材料、关键部件国产化、批量化生产,显著降低燃料电池系统成本。按美国能源部预测,实现燃料部件批量生产,达到万辆级生产,电池系统成本可降低50%以上,这样,到“十四五”结束,燃料电池发动机成本可降为每千瓦500元左右。

  “我国氢能与氢燃料电池汽车产业体系建设取得显著成效,已建成涵盖氢能制、储、运、加全产业链体系,氢燃料电池汽车及关键零部件研发制造等各环节较为完善的产业生态链,正加速从技术研发向商业化发展阶段迈进。”这是近日中汽数据有限公司在《氢能汽车蓝皮书(2023)》(下称《蓝皮书》)发布会上透露的。

  尽管我国各地陆续发布了上百份与氢能相关的规划和政策,但氢能行业仍未形成统一有序的管理机制、自主可控的产业体系,面临补短板、降成本等挑战。多位专家表示,推动氢燃料电池汽车行业高质量发展任重道远,仍需行业各方共同努力,健全行业管理政策和标准体系,完善氢能供给体系建设,加强核心技术攻关,创新商业模式,推动氢能及氢燃料电池汽车产业高质量发展。

核心技术创新加快推进,牵引车和专用车成市场主流

  近几年,在“双碳”战略目标和国家氢能产业规划的推动下,我国氢燃料电池汽车产业链上下游企业积极开展氢能技术创新、产业链布局和示范应用。整体来看,我国氢燃料电池汽车呈现核心技术创新加快推进、自主产业体系趋于完善、市场销量快速增长、示范应用车型向多场景拓展等趋势。

  “比如,燃料电池膜电极核心材料一直是我国氢能关键材料的短板,目前,国产质子交换膜、催化剂和气体扩散层技术指标已能满足车用燃料电池使用要求,处于有供应能用向好用方向发展阶段,以往核心材料严重依赖进口的被动局面开始得到缓解。”中汽数据高级工程师王建建介绍,国产质子交换膜和催化剂核心材料已基本实现自主化研发,部分技术指标具备一定优势,并具备批量化供应能力,并实现了多车型、多场景装车应用。尤其是随着氢燃料电池城市群示范应用政策的驱动,我国氢燃料电池汽车市场迎来快速增长。

  值得注意的是,随着车型供给结构不断丰富,牵引车和专用车成为市场主流。2022年以来,我国氢燃料电池汽车公告数量显著增加,新增及变更氢燃料电池车型公告700余款,半挂牵引车、自卸汽车、冷藏车和环卫车等车型的公告数量占比大幅增加。从2023年前三季度市场终端表现来看,氢燃料电池半挂牵引车、物流专用车、自卸汽车成为市场主流。

  截至目前,我国氢燃料电池汽车应用场景已从早期单一的公交领域应用向城市公交、客运班车、城市物流、冷链运输、渣土转运、市政环卫、倒短运输、公务用车、共享出行等多场景应用拓展,牵引、物流、环卫、自卸等细分领域产品矩阵、吨位结构、车辆用途进一步丰富和完善。

  受上述变化的影响,企业也积极布局,越来越多的整车企业开始不断加快在氢燃料电池汽车产业的研发投入和市场推广。近两年,我国氢燃料电池汽车市场竞争加剧,福田、宇通、金龙、飞驰车企位居头部,2023年前三季度,行业前五企业市场份额占比45%,市场集中度较2022年同期有所下降,市场初期成熟稳定的竞争格局仍未形成。

政策环境仍需完善,终端用氢降本需求迫切

  如今我国氢能及氢燃料电池汽车产业尚处于发展初期,支撑产业发展的基础性制度滞后,还存在非化工园区电解水制氢难、储运压力标准等级低、加氢站审批建设难、站内制氢、车载气瓶年检难等问题和挑战。

  业内人士分析,以加氢站建设审批为例,我国部分城市参照天然气汽车加气站管理模式,进行了一些先行先试,但行业仍然缺乏统一、规范的加氢站建设和运营管理审批政策、工作流程。氢能产业供给侧仍不能完全满足需求侧发展期望,产业发展形态和发展路径尚需进一步探索等,从各地发布的氢能产业引导性政策来看,普遍侧重于发展可再生能源制氢、燃料电池和电解槽装备,盲目跟风、同质化竞争和低水平建设苗头有所显现。

  制氢方面,目前车用高纯氢整体供应不足,就连备受关注的“绿氢”在汽车上的应用也极少,工业副产氢供应稳定性不能完全保障,部分区域存在有车无氢的局面;储运方面,目前外供氢加氢站氢气运输以20兆帕长管拖车为主,单车实际卸气量仅为250千克,运氢效率低、成本高,当运输距离为100~150千米时,运输成本在10元/千克左右,随着运输距离增加,长管拖车运输成本逐渐上升,需要突破运氢压力等级限制,提高单车运氢量;加氢站建设和运营方面,加氢站真正高效稳定运行仍面临较大挑战。2023年以来,我国加氢站建设和投运进度放缓,已建成加氢站空间分布不均、投资建设成本高、车站协同较差、加氢便利性低,良性的市场化运作模式尚未形成,部分区域存在加氢站利用率不高,面临有站无车、运营困难的现实问题。

  “在非示范城市群无补贴的情况下,终端加氢价格甚至在60~70元/千克,运营成本远远高于纯电动车和燃油汽车。”业内人士介绍。

  整体来看,目前,我国氢燃料电池汽车市场仍处于商业化初期阶段,氢燃料电池汽车保有量仅为新能源汽车保有量的千分之一,产业规模还比较小,规模效应带来的降本效益不够突出。

  以购置成本为例,氢燃料电池汽车虽已进入应用成本快速下降期,但当前超过百万元的车辆购置成本较传统燃油商用车甚至纯电动车型仍然偏高。

  “因此,要实现无补贴的氢燃料电池汽车商业化运行,必须大幅度降低供氢成本和氢燃料电池系统成本,进而降低氢燃料电池汽车运行成本。”中国工程院院士衣宝廉说。

融入“双碳”战略,强化核心技术创新

  作为新质生产力的典型代表,我国氢燃料电池汽车该如何在新征程上实现高质量发展?

  《蓝皮书》建议,首先要强化顶层设计,创新体制机制。在国家层面,要加强引导,持续完善顶层设计,加快管理创新和政策创新,明确氢能产业监管体系和责任部门,优化氢项目规划、立项、审批等管理工作流程,消除制约氢产业发展的堵点和卡点。与此同时,引导地方有序建设氢能及氢燃料电池汽车产业集群,探索符合本地资源禀赋、产业基础和市场需求的氢燃料电池汽车产业,避免盲目投资和低水平项目重复建设。

  科技是第一生产力,科研成果只有落地应用,才能真正产生价值。《蓝皮书》指出,把科技创新作为推动氢能产业高质量发展的主要动力,聚焦氢燃料电池汽车产业链薄弱和短板环节,切实形成产学研用创新体系,发挥企业的创新主体作用,发挥高校及科研院所在创新体系中的作用,开展以市场需求为导向的基础研究和应用基础研究。依托行业骨干企业、科研机构与高校,联合组建氢燃料电池汽车关键技术创新研发平台和攻关体,建立更加完善协同高效的创新体系。

  新质生产力的发展还需要应用场景、市场需求的紧密结合。唯有如此,才能用规模化的应用带动产业提质降本。《蓝皮书》指出,今后,要以用车场景需求为导向,挖掘氢燃料电池汽车多元场景应用潜力。在工业副产氢富集的石化化工、冶金产业集聚区加快推进中重型氢燃料电池汽车规模化示范应用,重点挖掘化工产品、钢材、煤炭等各类重载货物运输场景;积极建设跨省、市的高速氢动走廊,加氢价格互惠互利,保障氢燃料电池汽车跨区域通行运营。

  “最后,不容忽视的是,要发挥氢能在汽车领域示范应用的先行引领作用和减排效应,就必须积极融入‘双碳’,完善配套生态体系。”《蓝皮书》强调,比如,积极开展氢燃料电池汽车“绿氢”溯源认证、示范应用碳足迹追踪、生命周期碳排放核算和节能减排评价体系建设,支持应用减排量纳入温室气体自愿减排交易市场,形成对车辆应用的经济性补偿。

  多位专家表示,未来,随着可再生能源制氢规模扩大,氢燃料电池汽车的节能减碳潜力将进一步释放,可有效带动氢能在交通、工业、能源、电力和建筑等多场景应用,全面提升氢能产业的综合竞争力,对于实现“双碳”目标和应对气候变化具有重要的战略意义。


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关键字:燃料电池

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