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中国氢燃料电池汽车产业发展研究

文章来源: 贤集网       发布时间:2018-05-16

近年来,氢能与燃料电池的研究受到各国关注,被视为未来世界能源体系的重要组成。中国是世界上最大的能源生产国和消费国,已形成了煤炭、电力、石油、天然气、新能源和可再生能源全面发展的能源供给体系。


随着我国社会经济的持续增长,能源消费需求总量不断上升,石油、天然气等进口依存度持续走高,2015年我国石油对外依存度突破60%,天然气对外依存度已上升至32.7%。能源进口依存度高,已成为我国能源安全的巨大挑战,能源结构转型势在必行。


中国氢燃料电池汽车产业发展研究


汽车产业作为世界主要工业国家的支柱产业,是衡量一个国家综合实力和发达程度的重要标志。氢燃料电池汽车不仅在能源发展方面具有重要作用,而且具有优秀的环保性能和能量转化效率。与纯电动汽车相比,具有加注时间短、续航里程长等优势,同样是未来汽车工业可持续化发展的重要方向。


1.国内外氢能和燃料电池产业发展的主要政策


氢能是未来能源系统的重要组成部分,各国纷纷将发展氢能提升到国家战略层面,制定战略规划路线图,探索产业化发展途径。


1.1日本:政府坚定推进氢能和燃料电池发展战略


2014年日本经济产业省发布了《氢能与燃料电池战略路线图》,制定了「三步走」发展计划,该路线图于2016年进行了修订。日本对氢能和燃料电池的支持政策主要包括研发、示范和车辆补贴等方面。


在研发方面,2017年日本经产省对燃料电池研发支持共计129亿日元,包括燃料电池、加氢站、氢能供应链3个方向。在示范方面,2017年开始固定式燃料电池示范由家庭应用扩大到商业和工业应用,计划在2020年达到1400万套规模,2030年达到5300万套规模。


在车辆补贴方面,实施新能源汽车绿色税制政策,根据汽车种类和指标,车重税和汽车购置税可以享受50%~100%的减免,同时在加氢站建设方面给予大约50%的补贴。据统计,2014年日本对国内所有加氢站的补贴总额高达72亿日元(约合6000万美元)。


1.2欧洲:促进「交通与氢能」融合,持续稳定支持氢能和燃料电池产业发展


欧盟2016年发布的《可再生能源指令》等政策文件均提出将能源作为能源系统的重要组成部分,正在推进的《燃料电池和氢能实施计划》的实施周期是2014~2020年,主要目标是到2020年实现氢能和燃料电池在固定式能源供应和交通方面的应用。


重点支持方向包括交通产业:道路交通、非道路交通和机械、基础设施等;能源产业:氢气制备、运输、储能、发电、热电联产等。


1.3美国:随着特朗普上台,氢能和燃料电池支持政策方面出现大幅波动


2015年底,美国能源局向国会提交了《2015年美国燃料电池和氢能技术发展报告》,肯定了未来氢能市场的发展潜力,大力投资发展先进氢能与燃料电池技术。


据统计,美国仅2016年内就有10个州颁布相关政策,支持燃料电池产品逐步投入市场,包括氢燃料电池汽车税收减免,在工厂、居民区等地安装部署燃料电池发电系统等。


此外,根据美国联邦公路局公布的「国家替代燃料与充电网络」规划,美国全境35个州将形成以55座加氢站为基础节点的「氢能网络」,加利福尼亚州、科罗拉多州、佛罗里达州、纽约州、威斯康辛州等10个州将率先启动建设工作。


1.4中国:政府强力支持氢能与燃料电池汽车产业发展


我国《「十三五」战略性新兴产业发展规划》、《能源技术革命创新行动计划(2016~2030年)》、《节能与新能源汽车产业发展规划(2012~2020年)》、《中国制造2025》等国家顶层规划都明确了氢能与燃料电池产业的战略性地位,纷纷将发展氢能和氢燃料电池技术列为重点任务,将氢燃料电池汽车列为重点支持领域。


2016年工信部组织制定的《节能与新能源汽车技术路线图》明确提出:


2020年实现5000辆级规模在特定地区公共服务用车领域的示范应用,建成100座加氢站;


2025年实现5万辆规模的应用,建成300座加氢站;


2030年实现百万辆氢燃料电池汽车的商业化应用,建成1000座加氢站。


在财政支持政策方面,氢燃料电池汽车是新能源汽车中的重点补贴对象,不仅补贴金额最高,而且几乎不退坡。


2017年,上海市在国内率先发布了《上海市燃料电池汽车发展规划》,明确提出:


2020年建设加氢站5~10座,示范运行规模达到3000辆;


2025年建成加氢站50座,乘用车推广不少于2万辆、其它特种车辆推广不少于1万辆。


2.氢燃料电池汽车产业发展现状与趋势


2.1整车


2014年12月,丰田Mirai燃料电池轿车上市,标志着氢燃料电池汽车技术实现重大进步,氢燃料电池汽车的技术已经从基础研究、样车示范进入工程化、商品化发展阶段。据统计,2016年,全球氢燃料电池汽车销量为2312辆,与2015年相比,增幅为225%。主要有3款车型:丰田Mirai、本田Clarity、现代ix35FC,其中,丰田Mirai销售2039辆,主要用于运营。2017年,还有少数车企计划推出氢燃料电池商品车,但预计全球总销售量不会超过5000辆。


国内在燃料电池乘用车方面,投入研发的主要企业是上汽集团,已完成前后四代氢燃料电池轿车的开发。在国家创新工程支持下,上汽氢燃料电池轿车在动力性、续驶里程等性能指标方面取得了重大进步,已累计实现81辆示范运行,部分车辆在2014年参加了上汽的「新能源汽车万里行」全国巡游,历经10000km的实际路试,通过各种地形、海拔、环境气温的综合考验。国内外典型氢燃料电池轿车对比如表1所示。


国内外典型氢燃料电池轿车对比


在燃料电池商用车方面,十三五之前国内主要有上汽、北汽福田等企业采用自主研发的电堆开发了相关整车产品,先后参加了2008年北京奥运会、2010年上海世博会、2010年新加坡首届青奥会,初步验证了燃料电池客车的功能和可靠性。


2017年国内燃料电池汽车分布


十三五开始后,国内更多商用车企业涉足氢燃料电池商用车开发,近年来已初步具备小批量生产能力。据统计,2017年全国共有10家车企的22款燃料电池商用车进入当年新发布的推荐目录,车型款数最多为城市客车。2017年全国燃料电池商用车产量为1226辆,其中产量最大车型为物流车,物流车产量最大企业为东风公司,普通客车产量最大企业为上汽大通,公交客车产量最大企业为佛山飞驰,如图1所示。


2.2关键零部件和材料


中国在氢燃料电池电堆及其关键材料领域已初步形成产业链,但技术成熟度差距较大。


在技术路线方面,车用氢燃料电池电堆都选择了质子交换膜体系,金属板电极和石墨板电极并存。


目前国内具有完全自主知识产权的电堆主要由大连新源动力提供,国外企业通过在国内合资建厂组装电堆为国内系统企业提供电堆,但膜电极等核心零部件仍掌控在外方手中。


商用车的氢燃料电池系统采用的是石墨板或者复合板,还没有采用高功率密度的金属双极板。石墨板电堆在性能上近年来有较大提升,但与金属板电堆仍有显著的差别,虽然目前成本较低,但从加工便利性和材料发展趋势分析,金属板成本会低于石墨板。


在寿命方面,国产电堆寿命为几千小时,国外已经达到上万小时,但国外电堆对空气质量要求很高,能否适应国内空气质量条件尚有待验证。


在氢燃料电池关键材料和其他零部件方面,如催化剂、质子交换膜、碳纸、空压机、氢循环泵等方面,中国与国外水平相比仍存在较大差距,有能力配套的企业少,技术水平较低,大多属于空白或尚未成熟,需要采用进口材料,国际上也被少数企业垄断,价格极高。


从系统成本来看,目前成本在1~1.5万元/kW左右。


从发展阶段来看,目前中国氢燃料电池汽车具备小规模推广应用条件。


2.3加氢站


目前已经商业化运营的加氢站有2座,分别在北京和上海。已建成使用,尚未对外营业的加氢站有6座,分别在大连、佛山、云浮、中山、十堰、郑州等地,部分加氢站情况如下:


佛山云浮两市为加快氢燃料电池汽车推广应用,将合作推动15座加氢站的规划建设,计划2018年全部投入运行,构建科学合理的加氢站网络;


上海正在制定《上海市氢燃料电池汽车发展规划》,规划草稿计划2017~2020年在上海建设加氢站5~10座,2021~2025年在上海建成加氢站50座,充分利用上海工业副产氢资源,全面部署加氢站网络布局规划,推动环上海加氢站走廊、嘉定汽车城、迪士尼、虹桥机场、金山化工区、临港等示范区域加氢站的建设,突破氢燃料电池汽车示范运行瓶颈。


中国氢燃料电池汽车产业发展研究


2.4运营


虽然中国氢气来源非常广泛,但车用高纯氢的来源并不丰富,价格没有优势。由于产业化应用的供应链体系未形成,导致加氢站建设缓慢,车用高纯氢价格过高。严重阻碍氢燃料电池汽车示范运营。


(1)国内车用高纯氢来源


中国的氢气生产主要来自煤、石油和天然气等化石燃料转化制氢,各种工业生产的尾气回收或焦化厂、氯碱厂副产氢以及水电解制氢等。由于储存和运输困难,大部分的氢气都采用就地制取和就近消费方式。


根据2007年统计数据,中国煤制氢713万吨、天然气制氢288万吨、重油制氢244万吨;副产氢资源中,炼焦和钢铁行业副产氢533万吨,制碱工业副产氢42万吨。


(2)车用油、电与氢使用成本对比


与传统车和电动车比较,氢燃料电池汽车的氢气成本相对较高,并不具有市场优势,这与高纯氢应用市场较小、厂家提纯副产氢时需要投资1000多万建设提纯设备有关。


在氢燃料电池汽车推广初期,除了专业气体公司,副产氢厂家并没有投资建设高纯氢的意愿,高纯氢的生产成本过高,不利于氢燃料电池汽车的推广应用。


(3)氢价组成分析


除了「出厂价+运费」的价格,氢价还应包括加氢站成本,如土地费用、加氢站建设折旧费用、加氢站人工费、运行维护费用等项。


以某公司投资为例:建设4800m^2,400kg/d,35MPa加氢站,总投资2500万元(含土地费200万元,设备费1500万元,余为基建费用)。加氢成本为3元/Nm^3,其中,所有投资折旧占加氢成本30%,加氢站操作人员费用占加氢成本30%,运行维护费用占加氢成本30%,余为其他费用。


从以上分析可知,实际氢价已远远超过商业运营能够承受的范围。


3.我国氢燃料电池汽车产业发展存在的主要问题


3.1产业链建设不完善,部分关键材料和零部件缺乏量产能力


目前,我国氢燃料电池汽车产业链已形成雏形,但产业链体系建设尚不完善,尤其是部分关键零部件和材料尚不具备量产能力,需要依赖进口,如质子交换膜、催化剂、碳纸/碳布、空压机、氢喷射泵等,进口价格高昂,阻碍了国内燃料电池产品的产业化进程。其中质子交换膜基本被杜邦、3M、戈尔公司等巨头垄断,进口价格高达600美元/m^2,国内公司的质子交换膜产品尚处于试验阶段。


在燃料电池产业起步初期,采用进口部件组装是可行路径之一。但若长期依赖进口,自主化水平得不到提升,燃料电池产业将陷入技术空心化境地。如果为了利用国家支持政策获得补贴,不深入研究技术,不严谨开发产品,将对燃料电池产业发展产生重大打击。


3.2氢源产业链尚未建立,车用高纯氢价格高昂


虽然我国氢气年产量已逾千万吨规模,位居世界第一,工业副产氢资源丰富,可再生能源弃电量庞大,为我国开展大规模副产氢提纯和电解水制氢工作提供了优势条件,但氢源产业链尚未建立完善。


目前国内从事氢气提纯的企业较少,生产规模不大,车用高纯氢产量不足,而且分布不均;国内氢气运输当前只能采用管束车或高压氢瓶运输,运输成本高昂。加氢站的关键零部件,如加氢枪、高压管线、管件、阀门等,当前仍需依赖进口,大幅度提高了建站成本,延长了建站周期。以上因素导致氢气终端销售价格居高不下,严重阻碍氢燃料电池汽车推广应用。


3.3政府鼓励氢燃料电池汽车产业发展,但缺乏配套措施


2016年12月,财政部等4部委发布《关于调整新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》,明确提出,除燃料电池汽车外,各类车型2019~2020年中央及地方补贴标准和上限,在现行标准基础上退坡20%。从补贴政策看,国家鼓励扶持燃料电池汽车产业的态度非常明确。


氢燃料电池汽车产业发展需要组合式扶持政策,不仅需要购置补贴,更需要在氢气制取、加氢站建设和车辆运营等多方面给予配合支持,如国家对充电基础设施建设有明确的鼓励政策,对于加氢站建设的支持原先有400万元的支持,却在后续政策中取消了。


3.4加氢站建设审批缺乏规范,企业面临重重困难


目前我国缺少国家层面的规范化的加氢站规划建设审批规定,地方在审批加氢站建设时无据可依,需要各自摸索,造成各地主管部门和审批流程不统一,企业需要耗费大量的人力物力和时间成本,与各个城市单独洽谈。


由于没有明确统一的流程,审批效率极其低下,国内加氢站从选址规划到建设完工,平均需要2年时间,甚至个别地方耗时5年还在推进过程中。


4.燃料电池汽车发展政策建议


4.1加强部际协同,完善顶层设计


发展氢能和氢燃料电池汽车产业需要发挥举国之力,进一步明确国家战略导向,构建高层次协调机制,在政策层面统一步调、形成合力、做好引导。


由于燃料电池产业链长,从研发制造、基础设施建设到消防安全、财政补贴,相关责任部门极多,在国家层面涉及发改委、工信部、科技部、能源局、公安部、财政部等多个部委,其中许多环节需要多个部门配合协同,制定出有针对性的、有效的、合理的支持政策。


在基础设施建设方面,对标日、美、德等国,由主管部委牵头,从上而下制定国家规划,充分组织协调能源、气体、汽车等有关大型企业,建立完善的加氢站建设、氢气供应、加氢站运营体系;同时明确地方加氢站建设审批主体、理顺责任关系、规范审批流程。


4.2突破核心技术,优势区域示范


在整车研究方面,应大力促进整车企业在燃料电池汽车方面的研发投入,以整车为龙头,带动整个产业链的建设和完善。


在系统研究方面,加大辅助系统关键零部件技术研发力度,重点突破空压机、氢气循环泵、增湿器、DC/DC变换器等关键零部件技术,进一步完善关键零部件技术链。开展氢燃料电池电堆、关键零部件、发动机系统集成等方面的测试技术和指标体系研究。


在电堆研究方面,加大关键材料和部件的基础研究投入,设立氢燃料电池重点创新工程专项,突破氢燃料电池电堆关键技术,重点突破催化剂、质子交换膜、膜电极、双极板等核心技术研究,提高电堆产品的性能和寿命,降低成本。


在示范推广方面,现阶段氢燃料电池汽车应重点在有一定技术和产业基础,而且氢源丰富的地区,有序开展氢能应用和氢燃料电池汽车示范运营。通过一定规模的使用促进技术、产业链成熟,加快提高燃料电池系统的性能水平,促进形成车用氢能供应体系,大幅降低车用氢能成本。


4.3法规标准,科学评估调整


目前我国氢能与燃料电池产业标准涉及汽车行业、电池行业和气体生产行业等,基本处于主管部门「各管一摊」局面,应由国家层面牵头,统筹协调各方标准诉求,促成机构间形成有效衔接,进一步完善我国氢能应用与燃料电池产业相关标准体系。


由于氢气一直作为高度危险品进行管理,部分标准与法规已与技术发展不相一致,应在经过严密验证后,科学评估安全风险,在保障安全的基础上,结合实际需要逐步适度调整。


本文摘自:能源日参

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