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多视角下中国氢能与燃料电池电动汽车发展研究

作者:中国汽车技术研究中心有限公司 来源:电动学堂 发布时间:2020-09-19 浏览:
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0、引言

世界汽车强国均把氢能和燃料电池汽车作为一个重点发展方向。

日本把氢能作为能源转型发展的重要方向。2014年,提出建设“氢能社会”愿景,2017年发布《氢能源基本战略》,致力于探索全球氢能供应体系。日本政府对加氢站建设及运营、氢燃料电池电动汽车等给予补贴,如,对氢燃料电池客车的补贴为裸车价格的1/2,对出租车补贴为裸车价格的1/3,对家用乘用车每辆最高补贴225万日元。

美国2017年发布《美国优先能源战略》,重点支持氢能与氢燃料电池电动汽车前沿技术研发。2019年11月,美国燃料电池和氢能协会(FCHEA)发布《美国氢能经济路线图》,提出2025年和2030年分别推广氢燃料电池电动汽车20万辆和530万辆的目标。

欧盟先后发布《2020气候和能源一揽子计划》《2030气候和能源框架》《2050低碳经济》等能源规划,支持氢能产业发展。2019年发布的《氢能路线图》,提出了到2030年推广氢燃料电池电动汽车424万辆、建成加氢站3000座的目标。

我国于20世纪50年代开始燃料电池研究,“十五”到“十三五”连续4个五年计划支持氢能及燃料电池电动汽车产业发展。目前虽已初步掌握关键材料、部件及动力系统部分核心技术,但仍面临某些关键核心部件“卡脖子”、标准体系不完备等一系列问题。

为使氢能与燃料电池电动汽车能够在我国健康有序的发展,本文系统梳理了国外氢能与燃料电池电动汽车发展情况,以期为国内发展提供借鉴。在此基础上,梳理了当前我国氢能与燃料电池电动汽车发展情况,并进一步从政策、经济、排放、安全视角探索燃料电池电动汽车的发展趋势,系统科学的提出我国氢能与燃料电池电动汽车的发展建议。

1、国外氢能与燃料电池电动汽车经验借鉴

1.1氢能、燃料电池电动汽车战略及发展目标

世界主要国家均制定氢能与燃料电池电动汽车的发展战略并细化发展目标,如表1所示。

1.2、氢能供应体系和建设情况

氢能供给体系涉及制备、储运和加注三个主要环节,是影响氢燃料电池电动汽车使用便利性和经济性的关键因素。

在制氢方面,国际上主要采用煤及天然气制氢、副产氢纯化制氢和可再生能源电解水制氢等方式,其中,利用风电、太阳能、生物质等可再生能源电解水制氢是各国重点发展方向。日本目前考虑使用澳大利亚等国廉价褐煤在当地制氢后运回国内,未来将采取可再生能源电解水制氢。

在储运方面,国际上氢气储运方式包括长管拖车气态储运、液氢罐车储运和管道运输等。其中,长管拖车气态储运技术最为成熟,是近距离储运的主要方式。液氢罐车储运是更大规模加氢站(特别是商用车)燃料补给的重要方向,在远距离(500公里)输送时具备经济优势。管道运输成本低、运量大,适合大量氢气需求场景,但初期投入大。液氢罐车和管道储运已在美国和欧洲小范围应用。

在加氢站方面,截止2019年底,全球共建成432座加氢站,其中欧洲177座,亚洲178座,北美74座。从类型上看以气氢加氢站为主,加注压力多为70MPa,液氢加氢站约占30%,主要分布在美国和日本。建站方式正由单一加氢站向加氢/加油(气)、加氢/充电等合建站方向发展。

1.3、氢燃料电池电动汽车技术研发情况

丰田、本田、现代、奔驰等汽车企业已发布燃料电池乘用车量产车型,基本突破关键技术瓶颈,关键材料、部件初步具备批量生产与供应能力,整车动力性能、续驶里程、寿命和环境适应性等接近传统燃油车水平。

2018年开始,丰田、现代、尼古拉等企业加快燃料电池商用车应用研究。在燃料电池电堆方面,除丰田、现代采用金属板外,其他企业大多采用石墨双极板,系统功率均在100千瓦以上,车载储氢系统多采用35MPa储氢瓶,但仍面临成本高、电堆寿命短等瓶颈问题。商用车技术接近实际运营需求。

1.4、氢燃料电池电动汽车推广应用情况

乘用车是前期氢燃料电池电动汽车的主要发展方向,但近年来动力电池技术进步和成本下降明显,导致氢燃料电池乘用车的购置和使用成本与纯电动汽车相比均不具备优势,推广总量有限。截止到2020年5月,全球主要国家的燃料电池电动汽车销量如图1所示。

由图可知,相比2018年,全球燃料电池电动汽车2019年呈迅速增长趋势,2020年1-5月销量已接近2017年全年的销量水平。燃料电池电动汽车销量按国家排名,如图2所示。

由图可知,美国燃料电池电动汽车推广量最多,紧接着是韩国、中国和日本。主要车型有丰田Mirai、现代Nexo和本田Clarity,其中丰田Mirai销量全球占比超过70%。燃料电池客车尚处于技术示范和验证阶段,推广不足百辆。

1.5、氢能安全问题借鉴

氢气在常温常压空气中的燃烧范围为4-75%(V/V),泄漏氢气在空间中扩散积聚达到一定浓度,遇到点火源就会燃烧甚至爆炸,具有易气化、着火、爆炸等特性。在敞开空间下,氢的扩散系数是天然气的318倍、汽油气的12倍,泄漏的氢气将会很快上升并向各个方向快速扩散,使得浓度难以达到爆炸所需浓度。在密闭空间下,氢气的燃烧速度约为天然气和汽油的7倍,氢气比其他燃料更容易发生爆燃甚至爆轰。目前氢气隧道、地下停车场等受限空间的泄漏扩散规律仍有待深入研究。

2、多视角下中国氢能与燃料电池电动汽车发展趋势

2.1、政策视角下氢能与燃料电池电动汽车发展

我国中央政府与地方的氢能与燃料电池电动汽车相关政策如表2所示。

地方层面积极推进氢能与燃料电池汽车的发展,河北、山西、陕西、河南等17省、直辖市相应发布了包括战略性新兴产业规划在内的地方发展战略。其中,湖北、江苏、上海、广东等均发布了专门针对氢能与燃料电池汽车的发展规划。

由表可知,我国尚未从国家层面提出氢能与燃料电池电动汽车的发展战略与目标,导致我国氢能与燃料电池电动汽车的发展缺乏顶层体系指引,当前已有不少地方推出针对性发展政策,对我国国家层面的政策具有一定参考作用。

2.2、技术视角下氢能与燃料电池电动汽车发展

目前,我国已基本掌握了原材料、燃料电池电堆、系统、整车等关键技术,初步建立了具有自主知识产权的燃料电池电动汽车动力系统技术平台,实现了电堆、膜电极、双极板等部分关键部件及原材料的国产化,具备了千辆级燃料电池电动汽车动力系统平台与整车生产能力。其中,金属双极板电堆功率密度接近3.0千瓦/升,可实现-20摄氏度启动,寿命达到5000小时;石墨双极板电堆功率密度达到2.0千瓦/升。自主膜电极功率密度已突破1瓦/平方厘米,铂载量仅0.45毫克/千瓦,寿命超过6000小时,达到了国际先进水平。

2.3、经济视角下氢能与燃料电池电动汽车发展

为准确模拟,本文乘用车选取典型的B级汽油车、续驶里程300公里的纯电动汽车和功率为114千瓦的燃料电池电动汽车作为研究车型;商用车选取同级别的柴油重卡、纯电动重卡和燃料电池重卡开展对比分析。燃料电池电动汽车产量、燃料电池系统成本、氢气价格等关键参数如表3所示,使用寿命乘用车按15年20万里、长途重卡按8年60万公里计算。

根据上述参数测算,本文采用全生命周期成本法对氢燃料电池乘用车和重卡进行了分析,并与汽油乘用车、纯电动乘用车、柴油重卡、纯电动重卡进行了对比。

研究结果表明:综合考虑购置和使用成本等,当前燃料电池乘用车综合成本分别是纯电动乘用车的3.1倍,燃油乘用车的2.2倍,氢燃料重卡成本是纯电动货车的1.3倍,是燃油货车的1.2倍。预计到2035年,燃料电池乘用车综合成本分别是纯电动乘用车的1.6倍,燃油乘用车的1倍,氢燃料重卡综合成本是纯电动货车的0.9倍,是燃油货车的0.5倍。就长期而言,燃料电池电动汽车将具有与燃油车和纯电动车竞争的经济优势。

2.4、排放视角下氢能与燃料电池电动汽车发展

本文基于汽车燃料周期评价分析模型,综合考虑燃料周期上游和车辆运行阶段,对比分析了典型氢能供应路径的氢燃料电池电动汽车与传统燃油汽车、纯电动汽车的节能减排效益。经模型计算,不同制氢路径下的温室气体排放如表4所示。

由表可知,就温室气体排放而言,不同制氢路径下,氢燃料电池乘用车与汽油车相比,甲烷制氢可减排93.10%、工业副产氢可减排30%、网电电解水制氢增加130%的排放;与纯电动车相比,工业副产制氢可减排11%、甲烷制氢可减排91.29%、太阳能电解水制氢可减排60.41%、网电电解水制氢无温室气体减排优势。

不同制氢路径下,氢燃料电池重卡与柴油重卡相比,太阳能电解水站内制氢可减排74.68%、工业副产制氢可减排49%、甲烷制氢可减排94.43%、网电电解水增加排放70%;与纯电动重卡相比,工业副产制氢可减排24%,甲烷制氢减排91.77%,太阳能电解水制氢可减排62.58%,就排放而言,清洁能源制氢具有较高的减排潜力。

3、多视角下产业发展存在的主要问题

我国在氢能和燃料电池电动汽车领域取得长足进展,但是也要看到我们面临的问题:

(1)氢能供应和加氢站建设面临障碍。我国缺乏氢能产业发展的顶层设计,尚未形成规模化的车用氢能供给体系;氢气输运及加氢站建设运营成本仍较高,还未形成可持续发展的商业模式;加氢站建设仍面临标准不完善、用地及建设审批主管部门不明确等难题;氢能作为能源管理的体系尚未建立,氢气制备被严格限制在化工园区。

(2)研发创新能力弱、产业链不成熟,部分关键材料和部件仍然依赖进口。目前,我国电堆、系统、整车等与国际先进水平差距较大,产品性能、技术成熟度明显落后。国内电堆功率密度约为2.0千瓦/升,系统低温冷启动温度约-20摄氏度,电堆耐久性约5000小时,而国外同期水平分别可达3.1千瓦/升、-40摄氏度和1万小时。此外,我国燃料电池用催化剂、质子交换膜、炭纸等关键材料的开发多处于实验室和样品阶段,大容量氢气压缩机、空气压缩机、氢气循环泵、70MPa碳纤维缠绕塑料内胆气瓶(Ⅳ型瓶)等核心部件还没有成熟技术及产品供应。

(3)标准法规仍不完善,试验能力基础欠缺。氢气储/运系统安全要求和试验方法、加氢站建设及运营规范、70MPaⅣ型氢瓶标准等还有待完善。同时,从零部件、系统、整车到氢能四个层级的全方位测试评价能力仍未建立。

(4)产业呈现“一哄而上”倾向,需防范结构性产能过剩风险。目前全国已经有30多个地方发布氢能或氢燃料电池电动汽车产业发展支持政策或规划,规划投资总规模达万亿以上,涌现了多个“氢谷”“氢都”“氢能小镇”项目。据不完全统计,各地方规划2020年和2025年氢燃料电池电动汽车推广总量为2万辆和15万辆,加氢站建设目标为200座和650座,远超行业规划目标。在燃料电池电动汽车关键技术尚未突破的情况下,需要防范结构性产能过剩和低水平企业“浑水摸鱼”。

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