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國內氫能與燃料電池發展現狀及分析

日期:2019/8/22 10:34:38
1、國內氫能產業鏈的結構分析

氫能產業鏈主要包括:氫的制取、儲存、運輸和應用等環節。氫既可廣泛應用于傳統領域,又可應用于新興的氫能車輛(包括乘用車、商用車、物流車、叉車、軌道車等)以及氫能發電(包括熱電聯供分布式發電、發電儲能、備用電源等)。為加快發展中國的氫能產業,依據目前的資源條件和能源產業狀況,應在加強氫安全的基礎上,積極推行氫源多元化及氫能多元化和規模化應用。

我國近年來每年純度99%以上氫氣的使用量約700億立方米(約600萬噸),年產值1200億元人民幣以上。目前國內發展氫能的生產方式,主要有煤制氫、天然氣制氫和工業副產氫,其中工業副產氫追溯其上游一次能源主要還是煤和天然氣。因此,目前國內氫能生產主要還是依靠化石能源,而電解水制氫僅占比2%—4%,占比較為有限。對于氫能的消費,國內大約90%或更多純度99%左右的氫氣都用于煉化產品生產過程中的加氫,以及合成氨、合成甲醇、石油煉化等化工領域,僅有2%—4%的氫氣作為工業氣體用于冶金、鋼鐵、電子、建材、精細化工等行業的還原氣、保護氣、反應氣等,而在燃料電池汽車領域氫能的利用更少。總體看,目前我國具備一定的氫工業基礎,但是仍然還是以工業原料為主。氫作為能源消費的市場規模依然較小。

在氫能和燃料電池發展方面,我國也一直不落后。2016年10月,中國標準化研究院資源與環境分院和中國電器工業協會發布的《中國氫能產業基礎設施發展藍皮書(2016)》首次提出了我國氫能產業的發展路線圖(表1)。對我國中長期加氫站和燃料電池車輛發展目標進行了規劃。《中國制造2025》明確提出燃料電池汽車發展規劃,更是將發展氫燃料電池提升到了戰略高度。目前不論是國內的氫能技術,還是氫能產業基礎,雖然都具有一定的戰略規模,但是與國際最先進水平還有一定的差距。

2、我國燃料電池產業和技術發展現狀

國內燃料電池產業化現狀及問題
在我國中東部沿海經濟、技術實力較強的珠三角、長三角和北京等地區,聚集了我國燃料電池發展的主要企業。并且,近2年燃料電池投資熱度升溫,由幾年前的數家發展到現在的近千家燃料電池企業。與國外豐田、現代等燃料電池生產企業發展路線不同,中國氫燃料電池汽車企業主要分布在商用車領域——氫燃料電池商用車已實現量產。氫燃料電池乘用車還處于示范運行階段,其中上汽集團對燃料電池乘用車投入力度最大,2017年發布國內第一款商業化燃料電池輕型客車——大通V80。燃料電池叉車方面,我國已有東莞氫宇等企業布局,隨著氫能市場不斷成熟,我國叉車市場會是燃料電池另一個巨大的應用場景。

加氫站方面,目前我國已形成了一批從加氫站設計到運營的企業,這些企業主要集中在北上廣地區。目前我國制氫、儲氫、加氫等環節的關鍵核心設備,還不能全部“國產化”,成本難降。我國建成可運行加氫站12個,在建19個,典型代表北京永豐加氫站和上海安亭加氫站均從國外引進核心設備和技術咨詢服務。我國示范性加氫站及燃料電池客車車載供氫系統尚處于35兆帕壓力技術水平。為與客車配套,現有加氫站采用45兆帕隔膜式壓縮機、45兆帕儲氫罐和35兆帕氫氣加注機等設備,壓力標準提升還有待未來70兆帕燃料電池汽車普及。

國內燃料電池技術現狀及問題
在系統方面,國內燃料電池開發以車用質子交換膜燃料電池為主,已經具有系統自主開發能力且生產能力較強。以新源動力、億華通、氟爾賽、重塑科技和國鴻重塑為代表的企業,具備年產萬臺燃料電池系統的批量生產能力。然而在燃料電池系統關鍵零部件方面,中國與國際先進水平差距較大,基本沒有成熟產品。

在電堆方面,國內燃料電池電堆正在逐漸起步,電堆及產業鏈企業數量逐漸增長,產能量級提升,到2018年國內電堆產能超過40萬千瓦。目前,國內電堆廠商主要有兩類:①自主研發,以新源動力、神力科技和明天氫能為代表;②引進國外成熟電堆技術,以廣東國鴻為代表,其余企業有濰柴動力、南通百應等。

在雙極板方面,由于機加工石墨板成本高,復合材料雙極板近年來開始走向應用,如石墨/樹脂復合材料、膨脹石墨/樹脂復合材料、不銹鋼/石墨復合材料等。國內新源動力開發的不銹鋼/石墨復合雙極板電堆已經應用于上汽大通V80輕型客車上。廣東國鴻引進加拿大Ballard公司膨脹石墨/樹脂復合雙極板生產技術,生產電堆已經裝備數百輛燃料電池車。乘用車燃料電池具有高能量密度需求,金屬雙極板相較于石墨及復合雙極板具有明顯優勢。金屬雙極板的設計及加工技術主要掌握在國外企業,國內企業尚處于小規模開發階段,但是明天氫能科技公司正在建設年產萬臺級自動化生產線。

在膜電極方面,以新源動力、武漢理工新能源為代表,初步具備了不同程度的生產線,年產能在數千平方米到萬平方米,但還需要開發以狹縫涂布為代表的大批量生產技術。市場上主要生產全氟磺酸膜的企業主要來自于美國、日本、加拿大及中國。我國已具備質子交換膜國產化能力,山東東岳集團質子交換膜性能出色,具備規模化生產能力。目前,東岳DF260膜厚度可做到15μm,在OCV情況下耐久性大于600小時。

在催化劑方面,海外企業領先,國內正起步。國內尚處于研究階段的單位有兩類:①國內企業,如貴研鉑業。貴研鉑業主營汽車尾氣鉑催化劑,和上汽共同研發燃料電池催化劑。②研究機構,如中國科學院大連化學物理研究所、上海交通大學、清華大學等。例如,中國科學院大連化學物理研究所制備的Pt3Pd/C合金催化劑,已應用于新源動力生產的燃料電池發動機。

在碳紙產品方面,主要由日本Toray公司等幾個國際大生產商壟斷,國內碳紙產品尚處于研發及小規模生產階段。

在系統部件方面,氫氣循環泵主要依賴進口,空壓機還沒有能夠大批量生產,缺少低功耗高速無油空壓機產品。

總而言之,我國在整車、系統和電堆方面均已有所布局,但零部件方面的相關企業仍較少,特別是最基本的關鍵材料和部件,如質子交換膜、碳紙、催化劑、空壓機、氫氣循環泵等;國內雖有相關企業開始介入,但與國際先進產品相比,可靠性和耐久性仍存在較大差距,大部分關鍵零部件及關鍵材料仍依賴進口。

3、國內氫能燃料電池存在的問題及對策

關鍵材料與核心部件缺少批量生產技術
近年來,我國氫能燃料電池技術整體上取得了長足的發展,但關鍵材料、核心部件的批量生產技術尚未形成,催化劑、隔膜、碳紙、空壓機、氫氣循環泵等仍主要依靠進口,這嚴重制約了我國氫能燃料電池產業的自主可控發展。應當看到,我國在高活性催化劑、高強度高質子電導率復合膜、碳紙、低鉑電極、高功率密度雙極板等方面的技術水平目前已經達到甚至超過了國外的商業化產品,但多停留于實驗室和樣品階段,還沒有形成大批量生產技術。因此,亟待加強上述關鍵材料核心部件的技術轉化,加快形成具有完全自主知識產權的批量制備技術和建立產品生產線,全面實現關鍵材料核心部件的國產化與批量生產。同時,進一步提高電堆比功率,降低電堆鉑用量,才能大幅降低燃料電池產品的成本。

電堆和系統可靠性與耐久性有待提高
目前,我國燃料電池堆和系統可靠性與耐久性等與國際先進水平仍存在差距,在全工況下的可靠性與耐久性有待提高。燃料電池系統可靠性與壽命不完全由電堆決定,還依賴于系統配套,包括燃料供給、氧化劑供給、水熱管理和電控等。因此,需加強燃料電池系統整體的過程機理及控制策略研究。這方面我國已取得一定的成果,如中國科學院大連化學物理研究所采用“電-電”混合的基礎上,還采用限電位控制、膜電極在線水監測、氫側循環等控制策略和技術方法,有效提升了燃料電池系統的壽命和耐久性。因此,應在已有基礎上,進一步加強車載工況、低溫、雜質等實際運行環境下的衰減機理與環境適應性研究,大幅提升燃料電池產品的可靠性與耐久性。

加氫站建設成本高、加氫費用高
目前,加氫站建設成本高,氫氣運輸成本較高,造成加氫費用高,同時加氫站等基礎設施不完善,直接制約了氫燃料電池汽車的發展、商業化示范運行和大規模應用。加快加氫站建設,建立其建設審批程序和運營監管標準成為當務之急。通過加強加氫站關鍵材料、核心部件及技術國產化,進一步降低加氫站建設成本。通過發展氫儲運技術,如液氫儲運、氫的管道運輸以及新型儲氫材料如有機液體儲氫等,降低氫氣儲運成本。在此基礎上,通過選擇有廉價氫源的地區先行開展氫燃料電池汽車的商業化運營,將有效地促進加氫站技術的提升和逐步降低氫氣使用成本,進而通過技術提升、市場輻射,帶動我國氫能燃料電池產業的整體技術進步和產業發展。此外,對于暫時無加氫站或邊遠地區不宜建加氫站的情況,車載甲醇制氫的燃料電池車具有一定優勢,可以進行示范。同時,也應布點發展汽柴油車載制氫技術,為發展特種應用的燃料電池車奠定基礎。

技術標準、檢測體系不健全、不完善
目前氫能燃料電池方面的標準遠不能滿足產業快速發展的需求,表現在支撐行業發展的氫制備、儲運、加注及實際工況下氫燃料電池從部件到系統的評價檢測體系等仍不健全,使得產業全鏈條下的產品推廣受到嚴重的制約和限制。亟待完善氫能燃料電池技術標準體系,建立完整的材料、部件、系統的有效檢測體系,為氫能燃料電池的技術發展、產品應用提供基礎保障。
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