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解决好三大环节投产比 氢燃料电池汽车实现商业化不是梦

内容来源:中国工业报      浏览次数:230      更新时间:2019-01-29
2018年5月,国务院总理李克强在日本参观丰田汽车北海道厂的Mirai氢燃料电池车,在我国新能源汽车行业引发了关于氢燃料电池汽车发展的热烈讨论。


  Mirai加氢3分钟,续航600公里,由此业界有声音呼吁,“我们的新能源汽车需要掉头”,“全面转向氢燃料电池汽车”。当前我国正在加快推动燃料电池汽车关键技术研发及产业化,计划在经济基础好、地方积极性高的地区开展示范运行,打通产业链和氢能的供应链。但从目前实施角度来看,高昂的成本将成为阻碍氢燃料电池车商业化发展的最大挑战。那么目前国内的氢燃料电池汽车从能源端、电池、整车三个环节考量,成本处于什么水平?距离商业化的成本要求还有多远?与国外的差距有多少?
  
氢气的制作储运成本知多少?
  首先,从制氢的角度来看。氢能是一种二次能源,不可以直接获得,需要通过制备获得,目前制氢技术主要有传统能源和生物质的热化学重整、水的电解和水的光解。对比几种主要制氢技术的成本,煤气化制氢的成本最低,规模化制氢成本约为11元/千克。其次是天然气制氢约为14元/千克,甲醇裂解约为20元/千克。成本最高的是水电解,约为40元/千克。煤气化和天然气制氢虽然价格较低,但不可持续,不能解决能源和环境的根本矛盾。而电解水制氢是可持续和低污染的,是未来主要制氢方式。随着电价下降和技术发展、规模化效应,成本会随之下降。据业内专家预测,到2020年,制氢成本可降低至20元/千克左右,到2030年实现9元/千克以下。
  另外在储运方面,考虑到氢气运输在安全方面的特殊性,氢气储存和运输成本居高不下,每立方米约为9元,远超过制氢成本。但从技术层面,大幅降低氢气储存和运输成本还是有望可期的。现阶段,我国仍普遍采用35兆帕压力标准储运氢气,而日本、美国已达到70兆帕压力标准。要提升储运能力,“下一步还需从技术层面入手,运量上去了,折算下来的成本也就相应下降。”有专家表示。
  储氢罐作为燃料电池动力系统的重要组件,是发展高效、安全、低成本燃料电池汽车的关键。我国目前仅有少数企业具备批量生产35兆帕Ⅲ型储氢气瓶的能力,70兆帕Ⅲ型瓶和下一代Ⅳ型瓶(塑料内胆)尚处于研发中,而国外已普遍使用70兆帕Ⅳ型瓶。从存储设备来说,目前日本、美国普遍采用Ⅳ型瓶装载氢气。Ⅳ型储氢瓶具有重量轻、循环寿命长、成本低等优点。我国在氢能的存储和运输方面研究的重视程度上还有待提高,存储和运输恰恰是制约燃料电池汽车发展的基础和关键环节。推动燃料电池汽车的发展,保障燃料电池汽车所需的氢能供给,需要加强顶层设计。在此基础上,完善氢能技术研发、产业化及示范应用等支持政策措施,从而形成有力的支持政策体系。
  
燃料电池成本知多少?
  从产品来看,氢燃料电池汽车的成本要远高于纯电动汽车。目前国内一辆氢燃料客车的价格在300万元以上,燃料电池成本约占整车成本的60%。
  而燃料电池的核心系统是电堆,其成本能占到整个燃料电池的60%左右。从电堆的成本构成来看,尤以铂系催化剂和质子交换膜为主。根据目前的市场现状,一平方厘米的nafion膜(杜邦公司质子交换膜型号)需要几元甚至近十元人民币,而每一辆车用燃料电池对质子交换膜的需求都是平方米级别的,这就意味着一个燃料电池电堆中,包含有几万甚至十几万的成本完全是归于质子交换膜的。燃料电池堆(主要包括双极板、质子交换膜、催化剂)目前基本依赖进口。特别是质子交换膜燃料电池的关键核心材料技术上落后于美国、德国和日本,最优质的质子交换膜被美国杜邦公司长期垄断。因此,依靠国产化技术探索,开发新型制备工艺是目前降低质子交换膜成本的必由之路。
  从现有的技术与市场出发,专家认为,未来燃料电池成本的降低可以从三个方面入手:一是优化材料和创新制造工艺,二是利用规模化效应降低量产成本,三是建立标准化平台化的体系。
  原材料价格昂贵或工艺不完善的部件,例如催化剂、质子交换膜、双极板等可以通过优化制造材料改进制备工艺的方式降低成本,现有技术已经较完善的部件可通过建立标准化平台化的产品体系并利用规模化生产的效应有效建立成本优势。
  比如,作为催化剂的铂价格大约在250元/克,高昂的铂成本是燃料电池汽车降本的关键,低铂用量是趋势。催化剂主要来源于日本、德国等的公司,如日本的田中贵金属等公司。双极板用于分隔氢气与氧气并收集电流,通常使用的材料是无孔石墨板或碳板,加工费用高,石墨板材机械加工的费用占据了双极板的绝大部分,限制了双极板规模化生产。发展趋势是开发石墨-树脂复合材料与金属基材料,其中金属基材料最被看好,但同时也面临着材料腐蚀与毒化的问题。
  我国是世界最大的石墨储量国和出口国,开发潜力巨大,未来的研究可以尝试优化石墨的加工方式,充分利用资源优势,有利于未来产品的产业化。
  除了以上燃料电池发动机关键部件的成本外,其他的材料成本会随着规模化的发展,大幅下降。据了解,国内研究机构已推出新一代质子交换膜,其拥有更低的成本及更高的质子传导率,传导率达到美国杜邦公司型号Nafion 117质子交换膜的1.78倍。在成本方面,相比目前市场主流产品价格能降低10倍左右。
  
加氢站成本知多少?
  加氢站是氢燃料电池汽车产业链中的重要一环,因为投资巨大,在一定程度上制约了这个产业的规模化开展。据中国工业报记者了解,目前我国运营的加氢站有16座,其中固定站8座,撬装站8座,在建的加氢站有33座,距离2020年目标建成100座还相差较大,与欧美日等发达国家和地区已经有约300座商业化运营的加氢站相差较远。业内人士将加氢站与氢燃料汽车的关系比作鸡和蛋的关系。没有足够的加氢站,氢燃料汽车的推广应用必然受限;没有一定数量的汽车推广,加氢站也难有市场。
  目前加氢站建设投资较大。中国科学院大连化学物理研究所研究员、全国燃料电池与液流电池标准委员会主任委员衣宝廉曾表示,不算土地,一座日加能力在200公斤的加氢站的建设成本至少在1500万元左右,远高于加油站和充电站,这对不少企业形成了较高门槛。加氢站的建设需要国家整体规划布局和在政策上的大力支持。
  另外,加氢站的审批管理不明确。“企业建加氢站在审批过程中涉及安监、住建、工商等多部门,但究竟由谁牵头主管,国家尚无明确规定。”北京低碳清洁能源研究所新能源中心助理主任、氢能研发部门经理何广利,在日前举办的2019中国电动汽车百人会论坛期间接受记者采访时表示,目前佛山,如皋等一些地方政府非常支持行业发展,与全国氢能标委会合作,制定了自己的审批流程,有借鉴意义,他建议尽快明确全国性的相关项目审批主管部门和流程。
  据中国工业报记者了解,中石化、中石油等油气企业近来正密集考察与尝试摸索中,目前在加氢站建设方面已做出总体部署和安排,充分利用已有加油站网络积极推进加氢站建设。中石化北京分公司总经理兼党委副书记佟德建表示,完善的油站网络可有效缓解加氢站用地及审批压力,丰富的安全生产管理经验有助于加氢站安全运营,充足的石化资源和熟练的制氢技术可有效支持氢能生产与供应。目前中石化氢气年产量达200万~300万吨,未来氢气成本可低至20元~30元/吨。另外,从国内加氢站建设标准以及安全生产等多种因素考虑,中石化、中石油的操作都要相对容易的多。
  业内人士认为,50万辆的规模是氢燃料电池汽车及基础设施投资的盈亏平衡点。随着关键材料和关键零部件的国产化和规模化,2030年,整车成本将大幅降低。到那个时候,整个氢能燃料电池产业就会迅速发展,燃料电池汽车将实现大规模的推广应用。
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