氫能汽車產業發展三步走：2030年實現百萬輛

摘要：我國氫能產業的發展，離不開對加氫站及儲運能上遊基礎設施的規劃、投入與扶持。近年來，能源安全問題和環保壓力愈發凸顯，全球各國都在大力推動新能源汽車發展。在此大背景下，新能源汽車得到了高速發展。

我國氫能產業的發展,離不開對加氫站及儲運能上遊基礎設施的規劃、投入與扶持。

近年來,能源安全問題和環保壓力愈發凸顯,全球各國都在大力推動新能源汽車發展。在此大背景下,新能源汽車在國內外都得到了高速發展。

其中純電動汽車和插電混動汽車因技術相對簡單而獲得了快速發展,而燃料電池汽車雖然相較於純電動汽車,具有續駛裡程更高、加氫時間短等特點,但由於技術難度高,當前還遠沒有純電動汽車和插電混動汽車普及。

各大發達國家,例如日本、歐洲、美國、韓國等都在氫能汽車及相關基礎設施的技術研究和投資開發上有了數十年的積累,且已經取得階段性成果。

而我國雖在21世紀初也開始了相關研究,但目前在整個氫能汽車產業上和上述發達國家仍有較大差距。

氫能汽車發展政策密集頒布

我國對於燃料電池的政策扶持和財政補貼起源已久,早在2001年9月啟動的“863電動汽車重大科技專項計劃”中就包含了對氫能汽車和燃料電池系統的研發。

在前述國家“十五”863計劃電動汽車關鍵技術重大科技專項和“十一五”節能與新能源汽車重大項目支持下,我國氫能汽車技術研發取得重要進展.

基本掌握了整車、動力系統與關鍵零組件的核心技術;建立了具有自主知識產權的燃料電池汽車動力系統技術平台;形成了燃料電池發動機、動力電池、DC/DC變換器、驅動電機、儲氫與供氫系統等關鍵零組件配套研發體系,具有百量級氫能汽車動力系統平台與整車生產能力。

近年來,隨著氫燃料電池技術的突破和新能源汽車的快速發展,以及國家對清潔能源的日益重視,我國開始加大對氫燃料電池領域的規劃和支持力度,政策頒布也越來越集中。

在《中國製造2025》提出實現氫能汽車的運行規模進一步擴大,達到1000輛的運行規模,到2025年,製氫、加氫等配套基礎設施基本完善,氫能汽車實現區域小規模運行。

在2011年11月2日發布的《節能與新能源汽車技術路線圖》中也提到,到2020年我國的氫能汽車總量要超過5000輛,到2030年超過百萬輛。

國內氫能汽車研發經過多年發展已有一定突破,一方面是續航裡程有所提高;另一方面,則是整車製造成本有所下降。

然而,目前中國燃料電池乘用車尚處於試驗驗證階段,僅有幾款概念車。

例如上汽集團曾於2015年4月推出首款國產燃料電池乘用車榮威750FCV,於2017年推出榮威950FCV,一汽紅旗也在2018年10月推出了紅旗H5燃料電池車,但都未量產。

與此形成鮮明對比的是中國燃料電池商用車經過多年研發已進入商業化階段,多家車企推出了燃料電池商用車產品。

據相關資料顯示,目前國內具備氫能汽車生產資質的企業有13家:宇通客車、福田汽車、上汽集團、上汽大通、申龍客車、中植汽車、金龍客車、東風、飛馳客車、奧新、南京金龍、青年汽車、蜀都客車。其中大部分都是客車和商用車生產企業。

2017年《新能源汽車推廣應用推薦車型目錄》中僅有3款專用車、19款客車入榜,而2018年增至26款專用車、60款客車,專用車、客車車型數分別是2017年的8.67、3.16倍。

2018年中國氫能汽車產銷均完成1527輛,包括1418輛燃料電池客車以及109輛燃料電池貨車。

出現上述現狀的主要原因是我國的燃料電池相關技術還不夠成熟。

氫能汽車的主要結構如下圖所示,主要由高壓壓縮氫氣儲罐、燃料電池電堆、電池組、升壓器、包含電機與動力控制單元的動力總成和其他輔助設備組成。

而燃料電池電堆則是燃料電池車的核心部件。

氫燃料電池汽車的主要結構

目前,國際主流氫燃料電池車型,例如豐田Mirai、現代ix35FCV、本田Clarity Fuel Cell等,其燃料電池輸出功率都可達到100kW以上,而我國目前燃料電池產品大多以35kW為主,難以滿足家用乘用車對動力系統的需求。

此外由於在70MPa儲氫罐等相關技術上也不夠成熟,難以達到500km以上高續航裡程的目標。

而其他部件的集成度和可靠度也離家用車需求有一定距離。反之,大客車和物流車等大中型車輛,相比於家用車,有更加充裕的空間,對系統的集成度要求降低,同時可以放置更多35MPa儲氫罐來滿足續航需求。

更重要的是,客車和物流車對高速行駛需求較小,現有體積功率密度的燃料電池電堆即可滿足其基本需求。

若需要更大功率的電堆,其對電堆的尺寸重量等要求也遠較家用車更寬鬆。

總的來講,我國的氫能汽車核心部件的技術尚不夠成熟,落後國外廠商約3~4年的時間。

目前,國內燃料電池電堆、進風系統的風機、升壓DC-DC等關鍵材料的生產廠家還不多且多處於研發、少量試運行階段,仍需要進口,造成系統成本提高。

技術壁壘較低的燃料電池動力系統集成的國產化程度也不高。

空壓機、加濕器、氫循環裝置等附件系統仍需要進口。

在續航能力、電池壽命等性能方面,與國外存在較大差異。

因此,要繼續推動我國氫能汽車特別是家用車的發展,必須要在燃料電池電堆大功率、小型化、使用壽命等多個領域有所突破。

而發展燃料電池客車和物流車,目前遇到的更現實的問題是加氫基礎設施的不匹配。

在基礎設施建設方面,截至2018年,中國共有25座建成的加氫站(其中3座已拆除),另有多座在建,但多數僅供示範車輛加注使用,暫未實現全商業化運營。

這些加氫站主要分布在經濟比較發達、有汽車產業基礎的地區,以及地方政府有意願實施新舊動能轉換的地區。

其中約80%的加氫站集中在廣東、上海、江蘇、湖北、遼寧五個省份。

以上海為例,上海目前商業化運行的加氫站只有江橋加氫站一座,設計加氫能力為每天750kg,能為約120輛物流車加氫。

而僅氫車熟路汽車運營(上海)有限公司2018年就在上海投放了約500輛東風牌氫燃料電池廂式物流車。

加氫需求的共享不匹配導致江橋加氫站建站至今長期滿負荷運行,大量氫燃料電池物流車加氫需求得不到滿足。

氫能汽車產業發展思路

我國將節能與新能源汽車列為重點發展十大領域之一,我國發布的節能與新能源汽車技術路線圖中提出了分三步走的發展思路。

近五年內以中等功率燃料電池與大容量動力電池的深度混合動力結構為技術特徵,實現氫能汽車在特定地區的公共服務用車領域大規模示範應用,達到5000輛左右的應用規模。

在2025年左右,以大功率燃料電池與中等容量動力電池的電電混合為特徵,實現氫能汽車的較大規模批量化商業應用,達到5萬輛的使用規模。

在2030年左右,實現以全功率燃料電池為動力特徵,在私人乘用車、大型商用車領域實現百萬輛規模的商業推廣。

同時到2030年,實現燃料電池電堆比功率從2kW/kg到2.5kW/kg的提升,和燃料電池壽命從5000小時到8000小時的進步。

整個過程中,將進一步提高氫能汽車低溫啟動,可靠耐久、使用壽命等性能並降低整車成本,逐步擴大燃料電池系統產能,完善氫氣供應運輸及加注基礎設施建設,支撐氫能汽車的產業化發展。

氫能汽車高速發展離不開基礎設施建設,節能與新能源汽車技術路線圖中同樣對加氫站建設確定了發展目標:到2020年加氫站要超過100座,到2025年超過300座,到2030年超過1000座。

若按上述路線圖中燃料電池車規模計算,假設2020年5000輛車中1/3為乘用車,年加氫量150kg,2/3為商用車,年加氫量為1噸,則到2020年全國年加氫量約3600噸,站均日加氫能力約100kg。

到2025年假設5萬輛車中1/2為乘用車,1/2為商用車,全國年加氫量約3萬噸,站均日加氫能力約300kg。

到2030年假設百萬輛車中3/4為乘用車,1/4為商用車,全國年加氫量約36萬噸,站均日加氫能力需達到約1000kg。

在如此巨大的加氫需求下,目前採用的壓縮氫氣儲運方式遠遠不能滿足需求,結合國外特別是美國和日本的發展情況,液氫儲運將成為主流的儲運方式。

液氫的密度是常溫常壓下的800余倍,因此液氫儲氫密度高、儲運成本低、儲存壓力低,也更安全。

一個高壓氫氣儲運站,採用集束管車儲運壓力約為200~700bar,儲氫量約為300~1000kg,佔地面積約60~80m2。而採用液氫低溫液體儲罐壓力1~1.3bar,儲氫量約400~6000kg,佔地面積約為15~30m2。

可見液氫儲氫量大,加氫站佔地面積小,成本低。

同時,液氫儲運的運輸成本也更低,一輛40m3液氫槽車可運輸約3000kg的氫,充裝時間只要0.5-2個小時,而一輛集束管車只能運輸約300kg的氫,充裝時間也要2-4個小時。因此,同重量的氫氣採用液態儲運,費用只是壓縮氫氣的十幾分之一。

此外,經過氫液化後的氫氣純度高,能夠增加電池壽命及電量。氫燃料電池性能和壽命受CO等雜質含量影響很大,而氫的沸點遠低於CO、H2S等易引起氫燃料電池中毒的雜質沸點。

最後,液氫加壓充裝具有更高的效率和更低的成本。

由於液體可壓縮性遠低於氣體,液氫加注採用的高壓液氫活塞泵出口壓力可達875bar,能耗只有0.5kWh/kgH2遠低於同等增壓能力的氫氣壓縮機。

目前,國際上約400多座加氫站中,已有約1/3採用液氫進行儲運。

採用液氫儲運方式的加氫站建造、運行成本低,更有利於加氫站的基礎建設,有利於促成氫燃料電池汽車與加氫站建設的良性循環。

而液氫輸運與儲存方式在未來氫能產業鏈中也將越來越重要,是氫能汽車產業規模化應用的必然手段。

氫能汽車商業運行需配套加氫站建設

氫能汽車作為一種新能源汽車,具有很多優勢。

相較於純電動汽車,氫能汽車的續航裡程更長、充能時間明顯減少;相較於燃油汽車,氫能汽車和純電動汽車的能量轉換效率更高,同時在利用可再生能源製氫的情況下零排放無汙染,且使用成本較低。

但是氫能汽車的也存在一定劣勢,目前氫能汽車的使用壽命難以與純電動汽車和燃油汽車相較,同時由於目前技術尚不成熟,其製造成本高(尤其是燃料電池系統成本),實際能量轉換效率也不及純電動汽車。

此外氫能源鏈尚不完善,使氫氣的成本和售價偏高,造成氫能汽車的使用成本高於純電動汽車,仍有較大下降空間。

當前中國氫能汽車產業飛速發展,但氫能汽車關鍵部件和關鍵材料要完全實現國產化尚有很長一段路。

氫能汽車的商業運行和使用需要配套加氫站的建設,並提供完善的製氫、儲運、加氫服務。

從國外的經驗看,加氫站建設要與氫能汽車生產同步進行甚至超前發展,形成良性循環。

目前我國加氫站建設主體眾多,缺乏國家統籌和政策配套措施。加氫站是公共事業範疇,目前項目選址、規劃管理、安全運營缺乏監督與管理。

另外加氫站投資巨大,同時也要集中規模化科學管理,以降低建設運營成本和安全運行。

因此、我國氫能汽車行業想要發展,也離不開對加氫站及儲運等上遊基礎設施的規劃、投入與扶持。

來源：中國石化