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燃料电池技术突破超出原有预期

日期:2019-08-28编辑作者:新萄京汽车配件

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发达国家已经加速了氢燃料电池产业化应用的道路,世界知名汽车公司着手合作进行燃料汽车研发;欧盟各国也纷纷启动了燃料电池巴士项目;能源供应商也加快了加氢站的建设。然而燃料电池能否真正替代锂电池,成为新动力的领跑者?燃料电池实现产业化的道路到底有多远?国家如何促进燃料电池汽车产业的发展?本文对这些题进行了探索和思考。

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发达国家已经加速了氢燃料电池产业化应用的道路,世界知名汽车公司着手合作进行燃料汽车研发;欧盟各国也纷纷启动了燃料电池巴士项目;能源供应商也加快了加氢站的建设。然而燃料电池能否真正替代锂电池,成为新动力的领跑者?燃料电池实现产业化的道路到底有多远?国家如何促进燃料电池汽车产业的发展?本文对这些题进行了探索和思考。

一、为什么要关注燃料电池

燃料电池汽车,不改变用户驾驶习惯,解决了锂电池续航里程焦虑和快速补充能源的问题,在低温启动、循环寿命与回收技术上也接近内燃机的性能,被认为是下一代能源技术。根据国际能源署的展望,美国、欧洲、日本为了实现2摄氏度的温控目标,2050年燃料电池乘用车保有量将达1亿台,占比约30%。目前成本、加氢站、氢气来源是横在燃料电池面前的三座大山,需要迈过。预计市场加速向上拐点将于2020-2025年出现。

一、为什么要关注燃料电池

续航里程有限和价格高昂是制约电动汽车商业化发展的最大瓶颈,这二者都与电动汽车的核心部件电池紧密相关。作为一种新的技术产品,燃料电池以其节能、高效、无污染等优点,成为应对全球能源短缺和环境污染的重要选择之一。

受益于补贴政策与技术引进,中国燃料电池汽车产业发展或快于预期:

续航里程有限和价格高昂是制约电动汽车商业化发展的最大瓶颈,这二者都与电动汽车的核心部件电池紧密相关。作为一种新的技术产品,燃料电池以其节能、高效、无污染等优点,成为应对全球能源短缺和环境污染的重要选择之一。

1.诸多优势集于一身

2016-2020年中国燃料电池的发展,或类似2009-2014年的锂电池的路径,技术从很不成熟到接近商用,成本上有大幅下降空间,产业推广阶段是从示范运行逐步过渡到商业推广。然而,近期我们看到一些有利因素,包括2017年的补贴不退坡、外资技术的引进,可能会导致中国燃料电池产业发展步伐快于预期。我们初步估计2017年中国燃料电池汽车产销量约1000台,到2020年保有量约1.5万台,对应市场规模在60-70亿元。

1.诸多优势集于一身

燃料电池是继水力、火力、核能之后的第4代发电装置,具有安全、高效、无污染、适用广、无噪声等特点,已成为当今世界能源领域的开发热点。氢燃料电池,作为发展最好的燃料电池,具备诸多优势:

水氢燃料电池产业链的机会:

燃料电池是继水力、火力、核能之后的第4代发电装置,具有安全、高效、无污染、适用广、无噪声等特点,已成为当今世界能源领域的开发热点。氢燃料电池,作为发展最好的燃料电池,具备诸多优势:

转换效率高,性能优于内燃机。氢燃料电池汽车的发动机综合效率是内燃机汽车的5~6倍。由于其能量转换效率高,也能更适应汽车加速和爬坡时的动力需求。另外,据资料显示,氢燃料电池车充电时间小于8min,单次行驶里程可以达到500~600km,是锂电池车的3~5倍。

电堆产业化条件已经比较充沛,而甲醇重整器技术也较为成熟,水氢燃料电池是将电堆和甲醇重整两个成熟的技术融合在一起,同时避开了加氢站的瓶颈,当前产业化的条件最充沛。

转换效率高,性能优于内燃机。氢燃料电池汽车的发动机综合效率是内燃机汽车的5~6倍。由于其能量转换效率高,也能更适应汽车加速和爬坡时的动力需求。另外,据资料显示,氢燃料电池车充电时间小于8min,单次行驶里程可以达到500~600km,是锂电池车的3~5倍。

环境亲和性,基本实现零排放。氢燃料电池的反应过程都是无污染的水反应,反应过程不产生污染物,同时以易于获得的氢气为燃料,废气中也不存在污染物,是真正意义上的“清洁能源”。

燃料电池是未来10年的重要投资方向

环境亲和性,基本实现零排放。氢燃料电池的反应过程都是无污染的水反应,反应过程不产生污染物,同时以易于获得的氢气为燃料,废气中也不存在污染物,是真正意义上的“清洁能源”。

结构简单化,供电可靠度高。燃料电池发动机大多数为板状和管件,结构件构造简单。同时,电池主要由多个单体燃料电池串联组成,结构灵活多变,模块化的设置使得供电系统具有极高的稳定性。

1)燃料电池原理

结构简单化,供电可靠度高。燃料电池发动机大多数为板状和管件,结构件构造简单。同时,电池主要由多个单体燃料电池串联组成,结构灵活多变,模块化的设置使得供电系统具有极高的稳定性。

2.技术突破超出原有预期

氢能燃料电池是通过氢气与空气中的氧气进行非燃烧的氧化还原反应,通过催化剂实现电子与离子的分离,进而产生电流,推动汽车电机的运转。质子交换膜燃料电池是最常见的燃料电池,因此氢离子可直接穿过质子交换膜到达阴极,而电子只能通过外电路才能到达阴极。当电子通过外电路流向阴极时就产生了直流电。

2.技术突破超出原有预期

近年来,燃料电池技术实现了较大突破。制约燃料电池汽车技术实用化的3大难题:耐久性、低温工作和低成本化,目前已解决前2个。从技术角度看,燃料电池已经具备产业化的能力。具体来看:

反应分子式如:

近年来,燃料电池技术实现了较大突破。制约燃料电池汽车技术实用化的3大难题:耐久性、低温工作和低成本化,目前已解决前2个。从技术角度看,燃料电池已经具备产业化的能力。具体来看:

耐久性问题已经解决。质子交换膜燃料电池最高寿命可达60000h,小汽车应用寿命达到5000h,大巴车已经完成12000h验证,满足10年使用寿命的设计。

2)燃料电池是一种更清洁、更高效能源

耐久性问题已经解决。质子交换膜燃料电池最高寿命可达60000h,小汽车应用寿命达到5000h,大巴车已经完成12000h验证,满足10年使用寿命的设计。

低温工作已经解决。针对各种环境的测试验证得出,目前丰田的燃料电池可以实现零下30℃的测试。

为了实现《巴黎协定》提出的2050年全球平均温度较工业化前水平升高控制在2摄氏度之内的目标,各国都在寻找更清洁有效的技术以取代内燃机与石化能源,据测算,若2050年燃料电池保有量达25%,车辆相关碳排放可以下降10%,而且,对比锂电池,燃料电池不改变用户驾驶习惯,解决了锂电池续航里程焦虑和快速补充能源的问题,在低温启动、循环寿命与回收技术上也接近内燃机的性能。

低温工作已经解决。针对各种环境的测试验证得出,目前丰田的燃料电池可以实现零下30℃的测试。

配套材料逐步升级。目前已进一步减少燃料电池中成本影响最大的催化剂用量;将双极板板材升级到超薄超轻不锈钢板;解决了加氢、储氢装置安全性问题;并掌握了燃料电池所需高纯度氢气提纯技术。

我们在下图对比了现阶段内燃机、锂电池和燃料电池技术,结论是2020年前,内燃机技术二氧化碳排放有望下降,一是通过技术效率提高30%,二是通过使用更加清洁的生物燃油;但2020年以后,改善空间不大;锂电池由于目前的电池容量、续航里程和充电时间限制,更加适用于城市短驳小车;燃料电池续航里程、能量补充时间及各项性能都接近内燃机,因此对于中大型车跑中远程的减排效果尤其好。未来30年,内燃机、锂电池和燃料电池三种技术会并存,并互相补充。

配套材料逐步升级。目前已进一步减少燃料电池中成本影响最大的催化剂用量;将双极板板材升级到超薄超轻不锈钢板;解决了加氢、储氢装置安全性问题;并掌握了燃料电池所需高纯度氢气提纯技术。

3.外部环境变化带来机遇

3.外部环境变化带来机遇

燃料电池汽车市场规模有望爆发。2012年,全球燃料电池系统出货量约为3万台,同比增长约34%。随着汽车厂商合作加速推广燃料电池汽车,使其有望在2015-2017年后出现爆发,日韩将成为燃料电池商业化的先驱地区。预计到2025年,全球燃料电池汽车销量将达到180万辆,市场规模将达到3329亿元。

燃料电池汽车市场规模有望爆发。2012年,全球燃料电池系统出货量约为3万台,同比增长约34%。随着汽车厂商合作加速推广燃料电池汽车,使其有望在2015-2017年后出现爆发,日韩将成为燃料电池商业化的先驱地区。预计到2025年,全球燃料电池汽车销量将达到180万辆,市场规模将达到3329亿元。

二、燃料电池实现产业化的影响因素

制约燃料电池商业化发展的最大瓶颈是什么?燃料电池能否真正替代锂电池,成为新动力的领跑者?燃料电池实现产业化的道路到底有多远?这些问题值得深思。

1.成本障碍

高成本是制约燃料电池产业化的关键因素。燃料电池成本中占比最高的是燃料电池组,其次是氢燃料罐和电池配件。如果未来要实现燃料电池商业化,并与内燃机汽车进行竞争,那么燃料电池组的成本必须下降,其中主要涉及3个关键部件的成本,包括:铂催化剂、电解质膜、双极板、氢燃料罐和电池配件。

铂催化剂。现在的燃料电池组都使用金属铂作为催化剂,在未来10年内很可能依旧如此。电极载铂量过高一直是阻碍燃料电池发展的重要因素。铂金具有稀缺性,而铂金行业利润较低、产量不稳定。在这些不利因素的影响下,铂金的价格未来不会降低。为了降低成本,需进一步降低铂催化剂的使用量,并寻求廉价的替代催化剂。

电解质膜。现在汽车应用中最常见的质子交换膜是全氟磺酸膜,这种交换膜具有较强的氧化和还原稳定性。全氟磺酸聚合物通常被称作纳菲薄膜。目前燃料电池所用的纳菲薄膜主要依靠进口,其价格在600美元/m2左右。因此,为尽早实现燃料电池产业化应用,降低质子交换膜的价格迫在眉睫。

双极板。目前质子交换膜燃料电池最常使用的双极板是不透性石墨材料。主要是由于在燃料电池环境下,石墨的耐腐蚀性能最好,但是其制作成本较高:制造石墨双极板需经过2500℃以上的石墨化,并需经过多次浸渍、炭化处理以达到不透性。而且由块状石墨加工成双极板,需采用精密的机械加工,加工成本也过高、加工时间长、不易批量生产。因此,需进一步改善替代金属双极板的性能,实现制备精度高、成本低、寿命长等需求。

氢燃料罐和电池配件。氢燃料罐的成本较高,从成本和小型轻量化的角度来看,需开发组合使用轻量低成本氢储藏材料和高压氢燃料罐。而电池配件方面,也可与纯电动汽车和混合动力汽车共同使用其他零部件,从而削减高昂成本。

2.燃料来源

燃料电池的类型有很多,其中氢能燃料电池研发的首要问题,就是解决氢气来源,也就是如何廉价制氢。传统工业制氢的方法以化石材料制氢、电解水制氢为主。而随着对大规模制氢需求的提高,生物制氢、热化学制氢和太阳光催化光解制氢等方法也获得广泛应用。

从成本角度来看,在燃料电池推广初期,应以分散式制氢为主,可进一步控制成本,且使用便利。但随着未来燃料电池规模化发展之后,集中制氢的成本和环保优势将会进一步突出。

3.配套设施

燃料电池汽车的推广,其中最主要的制约因素是配套设施的缺失,即加氢站的覆盖率过小,而其高昂的建设成本也使得加氢站的建设只能作为试验性经营。据统计,2012年全球范围内新增27个加氢站,加氢站总数达到208个,其中欧洲80个、亚洲49个、北美76个、南美3个,但这些还远远不足以满足燃料电池产业化推广的要求。

4.储藏与安全

通常氢气以3种形态存储和运输:高压气态、液态和氢化物状态。短期内,高压罐储氢仍是主要氢气储存运输手段。但从长期来看,更需要具备高储氢容量、高安全性、吸/放氢速率快、长寿命和低成本的储氢材料。因此,轻质储氢材料、有机液态储氢材料等低压或常压储氢材料将成为未来发展的重点。

三、燃料电池加快产业化的对策建议

笔者认为,要加快燃料电池产业化道路,可提高政府对燃料电池技术的研发投入、逐步扩大配套设施建设、加大对氢燃料电池利用的补贴、增强对产业高端人才的引进力度、制定严格的氢能安全生产标准。

1.提高政府对燃料电池技术的研发投入

解决燃料电池产业化的问题,首先要解决氢燃料电池的技术瓶颈,以技术进步来降低产业化成本。作为高新技术产业,燃料电池的发展需要相当比例的资金作为科技投入。从其他国家燃料电池发展程度来看,其技术创新的进程与政府政策的投入支持密不可分。因此,政府应进一步加大科技投入,支持燃料电池关键技术和共性技术突破。支持相关企业的产学研联合攻关,加快拉近国产技术与国际先进技术差距,尤其是在质子交换膜技术、催化剂、碳板、膜电极组件等关键技术的国产化,安排专项资金支持电池系统开发及关键部件技术突破产业化;鼓励和支持汽车企业积极申报国家级研发项目,并提供专项支持;鼓励和支持汽车企业将具有自主知识产权的技术创新成果进行产业化应用;同时建立基于“技术链”的燃料电池汽车研发和示范推广产业技术创新联盟。

2.逐步扩大配套基础设施建设

基础配套设施建设不足也是制约燃料电池汽车发展的一大因素。建设加氢站,所需空间较大,并需提前做好环评、安评等工作,可操作性较低,因此,更需要国家和各级政府的大力支持。国家应结合我国能源分布、产业集聚和现有工作重点,加强燃料电池汽车加氢站等配套设施的规划和建设,将有关配套设施建设纳入专业系统规划,筹划燃料电池汽车氢气供给网络;鼓励和支持企业参与到加氢站、维修、配件供给等建设中,从点到线、到小区域示范和使用,再逐步扩大、延伸和推广。

3.提高对氢燃料电池利用的补贴

燃料电池高昂的成本,决定了燃料电池汽车的大规模普及必然需要政府的大力补贴。而国外推行新能源汽车政策的过程中,政府补贴政策占据了较大比例。因此,国家应从投资和消费2个角度,出台补贴激励政策,以推动燃料电池的广泛应用。调整燃料电池汽车财政补贴标准,扶持燃料电池汽车行业的发展;开展燃料电池投资税减免政策,鼓励大型国有企业和公司参与,并根据各地实际情况延长投资税减免时间并增加力度;以燃料电池领域的投资进行企业和个人税收抵消。同时,推出刺激燃料电池消费的法规和政策,如购买燃料电池汽车,可获得能源补贴;对加氢站等提供激励回扣,以促进氢燃料电池汽车的使用和生产。

4.加大对产业高端人才的引进力度

燃料电池技术的发展需要技术人才的支撑。目前我国相关产业的研发人员总数较多,但高端人才缺乏。因此,应加大对加氢站使用、燃料电池汽车维修及管理等方面专业技术人员的培训;支持有条件的高等院校设立有关氢燃料电池等相关专业;建立企业院士工作站、博士后工作站等平台,通过招聘、合作等多种方式,确保企业培养和引进各类高端人才;建立国内外优秀人才和资源的合作机制,对高层次人才科技项目提供配套奖励。

5.制定严格的氢能安全生产标准

虽然氢能是绿色能源,基本可以实现零排放,但是在氢能的生产、储存、运输及使用过程中,都不可避免地会出现氢气泄漏等安全问题。因此,应该制定严格的安全生产标准。制定氢燃料汽车发展路线图;加强氢气运输设备的制造和使用、加氢站的设计等安全建设工作;尽快健全完善氢能标准化工作;加强与氢安全相关的氢检测传感器技术、潜在事故情景处理等技术的研究。

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