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氫(qīng)能源
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深度丨氫能與燃料電池發展現狀及展望

來源:氫能源燃料電池(chí)電(diàn)動汽車 更新:2020-03-05 08:32:33 作者: 瀏覽:3755次

摘要:氫是一種潔淨的二次能源載體,氫燃料電池具有能量轉化(huà)率高、噪音低以及零排放等優點。氫氣是連接可再生能源與(yǔ)傳統化石能(néng)源的橋梁,通過氫能與燃料電池,可以實現未(wèi)來潔(jié)淨能源(yuán)利用變革的願景。世界主要發達國家都非常重視氫能的發展。

 

目前,氫能和(hé)燃料電池(chí)已在部分領域(yù)中初步實現商(shāng)業化。氫能燃料電池和(hé)燃料電池車的研究和商業化發(fā)展在日本、美國和歐洲較為迅速,他們不斷在氫氣生產、氫氣儲存和氫氣利用方麵進行創新。在氫能和燃(rán)料電池方麵,中國緊跟世界發(fā)達(dá)國家的腳步,然而國內氫能和燃料電池產業鏈的不完善導致(zhì)電池成本較(jiào)高。

 

因此,要加強關(guān)鍵材料研究,實現(xiàn)核(hé)心材料和部件的工業化和本土(tǔ)化,建立生產線,盡快完成產業鏈。中國已經在氫能和燃(rán)料電池產業鏈(liàn)中部署了(le)整車、係統(tǒng)和(hé)電堆,但燃料電池零(líng)部件的相關公司仍然很少(shǎo),尤其是(shì)基(jī)本關鍵材料和部件,如質子(zǐ)交換膜、碳紙、催化劑、空氣壓縮機、氫氣(qì)循環泵等。

 

雖然國內公司已經開始涉及,但與國際(jì)先進產品相比,在可靠性和耐用性(xìng)方麵仍然存(cún)在很(hěn)大差距(jù),大多數關鍵組件仍然依賴進口。

 

此(cǐ)外,氫氣生產和運輸的高成本、加氫站等基礎設施的不完善,以及技術標準、檢測體係的不健全,都限製了燃料電池車的發展。我(wǒ)國燃料電池汽車發展(zhǎn)路徑要通過商用(yòng)車帶動加氫站建設,降低氫氣與燃料電池成本;發展氫燃料電池汽車產業集群,促進(jìn)全產業(yè)鏈發(fā)展。在(zài)保障措施與政策需求方(fāng)麵,需要加強頂層設計,全麵規劃氫(qīng)能燃料電池發展途徑(jìng);加強研發投入,確保核心技術(shù)自主可控;統籌產業布局,引導產業鏈協調發展;加強標準製定,支(zhī)撐技術進步與產業發展。

 

文章分析了國內外氫能產業鏈結構以及氫燃料電池的發展現(xiàn)狀,從產業化和技術兩方麵分析了國內氫能與燃料電池的發展現狀及問題,並結合技(jì)術與(yǔ)產業特點提(tí)出了發展氫能與(yǔ)燃料電(diàn)池的對策建議,對我國(guó)氫能與燃料電池(chí)的發展作出了展望。

 

 

 

 

一、氫能(néng)與燃料電池(chí)的戰略(luè)意義

 

由於能源(yuán)需求的日益增長,化石燃料的消耗與(yǔ) CO2 排放總量快速上升(shēng),“清潔(jié)、低碳、安全、高效”的能源變革已是大勢所(suǒ)趨(qū)。

 

可再生能源(如太陽(yáng)能、風能、水電等)作為替代能源大規模使用卻受限於其固有的間歇性、波動性與隨機性;而氫(qīng)是一種(zhǒng)潔淨的二次能源載體,能方便地轉(zhuǎn)換成電和熱,轉化效率較高(gāo),有多種來源途徑。

 

采用(yòng)可再生能源實現大規(guī)模製氫(qīng),通過氫氣的橋接作用,既可為燃料電池提供氫源,也可綠色轉化為液體燃料,從而有可能實(shí)現由化石能源順利過渡到可再生能源的可持續循環,催生(shēng)可持續發展的氫能經濟。

 

氫能作(zuò)為連接可再生能源與傳統化石能源的橋梁,可以為實現“氫經濟”與現在或“後化(huà)石能源時代(dài)”能源係統起到(dào)橋接作用。因此,氫能作為潔淨能源利用是未來能源變革(gé)的重要(yào)組成部分。

 

氫燃料電池具有燃料能量轉化(huà)率高、噪音低以(yǐ)及零排放等優點,可廣泛應用於汽車(chē)、飛機(jī)、列車等交通工具以及固定電(diàn)站等方麵。從燃料(liào)電池在載人航天、水下潛艇、分布式電站(zhàn)獲得應用以來(lái),燃(rán)料電池一(yī)直受到各國政(zhèng)府和企業的關注,其研發(fā)、示範和商業化應(yīng)用的資(zī)金投入(rù)不斷增加。

 

在未來煤電占比相對較低(dī)的情況下(xià),由於(yú)風能、太(tài)陽能等(děng)可再生能源技(jì)術規模的增大,整個上遊的電源結構會越來越清潔。在這種結構下,新能源汽車特別是純電動汽車、基於電解水製氫的燃料(liào)電池汽車,排放強度會(huì)明顯下降。

 

而燃料電池汽(qì)車不同於純電動汽車(chē)的是,它實現了(le)上(shàng)遊發電和終端用電在時間上的“分離”,進而使得氫能相比於波(bō)動性較大的風(fēng)能和太陽能(純電動車技術路線)的互補能(néng)力更強。因此,發展氫能和氫燃料電池(chí)具有巨大的能源(yuán)戰略意義。

 

 

二(èr)、國外氫能與燃料電池發展現狀及分(fèn)析

 

全球範圍來看,世界主要(yào)發達國家從資源、環保等角度出(chū)發,都十分看重氫能的發展,目前氫能和燃料電池已在一些細(xì)分(fèn)領域初步實現了商業化。

 

2017 年全球燃料電池的裝機量達到 670 兆(zhào)瓦,移動類裝機量(liàng) 455.7 兆瓦,固(gù)定式裝機量 213.5 兆瓦[1]。截至 2017 年 12 月,全球燃料電池乘用車銷售累計接近 6000 輛。豐田 Mirai 共計銷售 5300 輛,其(qí)中美國 2900 輛,日本 2100 輛(liàng),歐洲 200 輛,占全球燃料電池乘用車(chē)總銷量的九(jiǔ)成以上。

 

截至 2017 年年底,全球共有 328 座加氫站,歐洲擁有 139 座正在運行(háng)的加氫站[2],亞洲擁有 118 座,北美擁有 68 座。目前氫燃料電池及氫燃料電池汽車的研發與商業化應用在日本、美國(guó)、歐洲迅速發展,在製氫、儲氫、加氫等環節持續創新[3]。

 

 

2.1 美(měi)國氫能與燃料電池發展現狀

 

美國氫能(néng)的生產和儲運有 Air Products、Praxair 等世界先進的氣體公司,並且有技術(shù)領先的質(zhì)子膜純水電解製氫公司,同時還掌握著液(yè)氫儲氣罐、儲氫罐等(děng)核心技術[4]。

 

液氫(qīng)方麵(miàn),美國在(zài)液氫生產規(guī)模、液(yè)氫產(chǎn)量、價格方麵都具有絕(jué)對優勢。美國燃料電池乘用(yòng)車和叉車保有量領先全球:豐(fēng)田 Mirai 在美國銷售了超過(guò) 2900 輛燃料電池汽車。美國擁有世界最大的燃料電池叉車企業 Plug Power,目前(qián)已有超過 2 萬輛燃料電池叉車,進行了超過 600 萬次加氫操(cāo)作。

 

加氫(qīng)站建設方麵,目前北美分布的 68 座加氫站僅 1 座位於加拿大,其餘全部分布在美國,其(qí)加州地區集中度最高。美國燃料電池汽(qì)車液氫使用(yòng)量非常高(gāo),全年液氫市場需求量的 14% 都被用於燃料電池車。

 

 

2.2 日本(běn)氫能與燃料電池發展現狀

 

日本由於資源短缺,政府(fǔ)對氫能和燃料電(diàn)池的推廣力度(dù)在世界(jiè)範圍內都是最大的。

 

目前(qián),日本在家庭用燃(rán)料電池熱電聯(lián)供固定電站和燃料電(diàn)池汽車商業化運作方麵都是最成(chéng)功的。早在 2014 年 4 月(yuè)製定的“第四次能源基本計劃”,日本政府就明確提出了加速建設(shè)和發展“氫能社會”的戰略方(fāng)向。

 

所謂“氫能社會”是指(zhǐ)將氫能廣泛(fàn)應用於社會日常生活和經濟(jì)產(chǎn)業活動之中,與電力、熱力共同構成二次(cì)能源的三大支柱。

 

據此,2014 年 6 月,日本經濟產業省製定了“氫能與燃料電池戰略路線圖”,提出了實現“氫能社會”目標(biāo)分三步走的發展路線圖[5]:

 

到 2025 年(nián)要加速推廣和普及氫能利用(yòng)的市場;到 2030 年(nián)要建立大規模氫能供給體係並實現氫燃料發電;到 2040 年要完成(chéng)零碳(tàn)氫燃(rán)料供給體係建設。

 

截至 2018 年 1 月,日本燃料電池乘(chéng)用(yòng)車保有量約 2000 台[6],燃料電(diàn)池大巴預計 2020 年增加到 100 台。從目前的燃料電池汽(qì)車價格(gé)、保(bǎo)有量和加注站數(shù)量來看,日本(běn)尚(shàng)處於燃料電池汽車社會(huì)的搖籃期,預計 2050 年將是日本燃油汽車全麵向燃料電池汽車過渡之年。

 

 

2.3 歐洲氫能與燃料電池發展現狀

 

近期,歐洲燃料電池和氫能事業聯(lián)合組織(FCH JU)發(fā)布(bù)了“歐洲氫能路線圖”(圖 1)[7]。

 

 

該路線圖(tú)提(tí)出了歐洲氫能未來 30 年的(de)發展規劃,並(bìng)得(dé)到歐(ōu)洲 17 家氫能公司和組織的支持。該報告認(rèn)為(wéi),氫(qīng)是歐洲能源轉型的重要(yào)元素,到 2050 年可占最(zuì)終能(néng)源需求的 24% 並提供 540 萬個工作(zuò)崗位。

 

為了實現歐(ōu)洲二氧化碳減排目標,必須發展氫能。對(duì)於諸(zhū)如51吃瓜网網、運輸(特別是重型(xíng)車輛)關鍵部分的規模脫碳、高級燃料和化(huà)學原料(liào)需要大量使用氫氣。此外,氫氣可以解決大規模整合可再生能源以及實現低成本季節(jiē)性儲能和跨區域有效清潔(jié)能源運輸中的技術難題。報告認為,到 2050 年,氫能將在各個領(lǐng)域發揮重要作用,並為了實現歐洲 2050 年氫能(néng)產(chǎn)業目標,設置了短期和中期目(mù)標。

 

報告(gào)預測,到 2050 年,歐洲 10%—18% 建築的供暖和供電(diàn)可以由氫能提供;工(gōng)業(yè)中 23% 的高級(jí)熱能可(kě)由氫能提(tí)供。報告指(zhǐ)出,氫能的使用將帶來巨(jù)大的社會、經濟和環境效益。到 2030 年,氫能的預(yù)計部署將為歐(ōu)盟公(gōng)司的燃料和相關設備創造約 1 300 億歐元的產業;到 2050 年達到 8200 億(yì)歐元。氫能將為歐盟工(gōng)業(yè)創造一個本地(dì)市場,作為在全球氫能經(jīng)濟中競(jìng)爭的跳板。2030 年的出口潛力估計將達到 700 億歐元,淨出口額將達(dá)到 500 億(yì)歐元。

 

 

2.4 韓國氫能與燃料電池發展現狀

 

韓(hán)國在氫能和燃料電池領域(yù)也有較強(qiáng)的規劃布局,但是其相關技術實力較歐、美、日略遜一籌。以現代等汽車企業為依托,韓(hán)國政府未來 5 年內(nèi)用於氫燃料電池以及(jí)加氫站的補貼將達到 20 億歐元。目標(biāo)是到 2022 年為 15000 輛燃(rán)料電池汽車和 1000 輛氫氣公交車提供(gòng)資金(jīn)。其中資助計(jì)劃包括 310 個新的氫氣加氣站,政府還將製定使用法規[8]。

 

韓國政府於 2019 年 1 月發布“氫能(néng)低碳多能融合發(fā)展經濟發展路線圖”,旨在大力發展氫能產業,以引領全球氫燃料電池汽車和燃料電池市場發(fā)展。

 

根據該路線圖,韓(hán)國政府計劃到 2040 年氫燃料電池汽車累計產量(liàng)由 2018 年的 2000 餘輛增至(zhì) 620 萬(wàn)輛,氫燃料電池汽車充電站(zhàn)從現有的 14 個增至 1200 個。

 

韓國政(zhèng)府表示將開始為燃(rán)料電池出租車和(hé)卡車提供補(bǔ)貼,到 2022 年燃料電池公交車數量將增加到 2000 輛,並預計在 2021 年開始用燃料電池車取代燃油警車[9]。在固定式(shì)燃料電池方麵,韓國目前的(de)發展重(chóng)點在(zài)於大型(xíng)燃料電(diàn)池發電站。韓國鬥山集團是推動該項目(mù)建設的主(zhǔ)體。

 

2017 年 6 月,該集團完成了韓國最大的氫能燃料電池發(fā)電站的建設,而該發電站的建設成本大約有 3600 萬美元。據(jù)報(bào)道(dào),該發電站(zhàn)每年可生產 144 台 440 千瓦的燃料電池係統,可(kě)以滿足市場的需求[10]。

 

 

三、國內氫能與燃料電池發展現狀及分析

 

 

3.1 國內氫能產業鏈的結構分析

 

氫能產(chǎn)業鏈主要包括:氫的(de)製取、儲(chǔ)存、運輸和應用等環節。氫既可廣泛應用於傳統(tǒng)領域,又可應用於(yú)新興的氫能車輛(包括乘用車、商用車、物流(liú)車、叉(chā)車、軌道車等)以及氫能發(fā)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(fā)展中國的氫能產業,依據(jù)目前的資源條件和能源產業狀(zhuàng)況,應在加強氫安全(quán)的基礎上,積極(jí)推行氫源多元化及(jí)氫能多元化和規模化應用(yòng)。我國(guó)近年(nián)來每年純度(dù) 99% 以上氫氣的使用量約 700 億立方(fāng)米(約 600 萬噸),年產值 1200 億元人民幣以上。

 

目(mù)前國(guó)內發展氫能的生產方式,主要有煤製氫(qīng)、51吃瓜网製氫和工(gōng)業副產氫,其(qí)中工業副產氫追溯其上遊一次能源主要還是煤(méi)和51吃瓜网。因此,目前國內氫能生產主要還是依靠化石能源,而電解水製氫僅占比 2%—4%,占比(bǐ)較為(wéi)有限(xiàn)[11]。

 

對於氫能的消費,國內(nèi)大約 90% 或更多純度(dù) 99%左右的氫氣都用於煉化產品(pǐn)生產過程中的加氫,以及合成氨、合成甲醇、石油煉化等化(huà)工領域,僅(jǐn)有 2%—4% 的氫氣作(zuò)為工業氣體用於冶(yě)金、鋼鐵、電子(zǐ)、建材、精細化工等行業的還原氣、保護氣(qì)、反應(yīng)氣等,而在燃料電池汽車領(lǐng)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(shì)以工業原料為主。氫(qīng)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麵(miàn),我國也一直不(bú)落後。2016 年 10 月(yuè),中國標準化研究院(yuàn)資源與環境分院和中國電器工(gōng)業(yè)協會(huì)發布的《中(zhōng)國氫能產業基(jī)礎設施發展藍皮書(2016)》[12]首次提出(chū)了我國氫能產業的發展路(lù)線圖(表 1)。

 

 

對我國(guó)中(zhōng)長(zhǎng)期加(jiā)氫站和燃料電池車輛發展目標進行了規劃。《中國(guó)製造(zào) 2025》明確提出燃料電池汽車發展規劃,更是將(jiāng)發展氫燃(rán)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(shì)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。

 

 

3.2 我國燃料電池產業和技(jì)術發展(zhǎn)現狀(zhuàng)

 

3.2.1 國(guó)內燃料電池(chí)產業化現狀及問題(tí)

 

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(fā)展(zhǎn)的主要企業。並且,近 2 年燃料電池投資熱(rè)度升溫,由幾年(nián)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(zhǎn)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[13]。

 

氫燃料電池乘用車還處於示範運行階段,其(qí)中上汽集(jí)團對燃(rán)料電池(chí)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(xíng)客車——大通(tōng) V80[14]。燃料電池叉車方麵,我國已有(yǒu)東莞氫宇等企業布局,隨著氫(qīng)能市場不斷成熟,我國(guó)叉車市場(chǎng)會是燃料(liào)電池另一個巨大的應用場景。

 

加氫站方麵,目前我(wǒ)國已形成了一批從加氫站設(shè)計到(dào)運營的(de)企業,這些企業主要集(jí)中在北上(shàng)廣地區。目前我國製氫、儲(chǔ)氫、加氫等環(huán)節的關鍵核(hé)心設(shè)備,還不能全部“國產化”,成本難降(jiàng)。

 

我國建成可運行(háng)加氫站(zhàn) 12 個,在建 19 個,典型代(dài)表北京永豐加氫站和上海安亭(tíng)加氫站均從國外引進核心設備和技術谘詢服務[15]。我國示範(fàn)性加氫站及燃(rán)料電池客車車載供氫係統尚處於 35 兆帕壓力技術(shù)水(shuǐ)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(pà)儲氫(qīng)罐和 35 兆帕氫氣加注機等設備,壓(yā)力標準提(tí)升還有待未(wèi)來 70 兆(zhào)帕燃料電池(chí)汽車普(pǔ)及[16]。

 

3.2.2 國內燃料電(diàn)池技術現狀及問題

 

在係統方(fāng)麵,國內燃料電池開發以車用質子交換膜燃料電(diàn)池為主,已經具有係統自主(zhǔ)開(kāi)發能力且生產能力(lì)較強。以新源動力、億華通(tōng)、氟(fú)爾賽、重塑(sù)科技和(hé)國鴻重塑為代表的(de)企業,具備年產萬台燃料電池係(xì)統的批(pī)量生產能力。然(rán)而在(zài)燃料(liào)電池係統關鍵(jiàn)零部(bù)件(jiàn)方麵,中國與國際先進(jìn)水平差距較(jiào)大(dà),基本沒有成熟產品。

 

在電堆(duī)方(fāng)麵,國內燃料電池電堆(duī)正在(zài)逐漸(jiàn)起步,電堆(duī)及產(chǎn)業鏈企業數量逐漸(jiàn)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(duī)廠商主要有兩類:① 自主(zhǔ)研發,以(yǐ)新源動力、神力科技(jì)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,其餘企業有濰柴動力、南通百(bǎi)應(yīng)等。

 

在(zài)雙極板方麵,由於機加工石墨板成(chéng)本高,複合材料雙(shuāng)極板近年來開(kāi)始走向應用,如石墨/樹脂複(fù)合材料、膨脹石墨/樹脂複合材料、不鏽(xiù)鋼/石墨複合材料等。國內新源動力開發的不鏽鋼/石墨複合雙極(jí)板電堆已經應用於上汽大通 V80 輕型客車上。廣東國鴻引進加拿大 Ballard 公司膨脹石墨/樹脂複合雙極(jí)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(xū)求,金屬雙極(jí)板相較於石(shí)墨及複合雙極板(bǎn)具有明顯優勢(shì)。金屬雙極板的設計及加工(gōng)技術主要(yào)掌握在國外企業,國內企業尚處於小規模開發階段,但是明(míng)天氫能科技公司正(zhèng)在建設年產萬台級自動化生產線。

 

在膜電(diàn)極(jí)方麵,以新源動力、武漢理工新(xīn)能源為代表(biǎo),初步具備了(le)不(bú)同程度的(de)生產線,年產能在(zài)數千平方米(mǐ)到(dào)萬平方米,但還(hái)需要開發以狹縫塗布為代表的大批量生產技術。市場上主要生產全氟磺酸膜(mó)的企業主要來自於美國、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(dōng)嶽集團質子(zǐ)交換膜性能出色,具(jù)備規(guī)模化生產能力。目(mù)前,東嶽 DF260 膜厚度可做到 15 μm,在 OCV 情況下耐久性大於 600 小時。

 

在催化劑方麵,海外企業領先,國內正起步(bù)。國內尚處於研究階段的單位有兩類:

 

① 國內企業,如(rú)貴研鉑業。貴研(yán)鉑業主營(yíng)汽車尾氣鉑催化劑,和上汽共同研發燃料電(diàn)池(chí)催(cuī)化劑。② 研究機構,如中國科學院大(dà)連化學物理研究所、上海交(jiāo)通大學、清華(huá)大學等。例如,中國科學院大連化學物理研究所製備的 Pt3Pd/C合(hé)金催化劑,已應用於新源動(dòng)力生產的燃料(liào)電池發動(dòng)機。

 

在碳紙產品方麵,主(zhǔ)要由日(rì)本 Toray 公司等(děng)幾個國際大生產商壟斷,國內碳紙產品尚處於研發及小規模生產階段。

 

在係統部件方麵,氫氣循環泵主要依賴進口,空壓機還(hái)沒有能夠大批量生產,缺(quē)少低功耗高速無油空壓機產品。

 

總而言之,我國在(zài)整車、係統和電堆方麵均已有所布局,但零部件方麵的(de)相關企業仍較少,特別(bié)是最基本的關鍵材料和(hé)部件,如質子交換膜、碳紙、催化劑、空壓機、氫氣循環泵(bèng)等(děng);國內雖有相關企業開始介入,但與國際先進產(chǎn)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。

 

 

四、國內氫能燃料電池存在的問題及(jí)對策(cè)

 

 

4.1 關鍵材料與核心部件缺少批量生產技術

 

近年來(lái),我國氫(qīng)能燃料電池技術(shù)整體上取得了長足(zú)的發展,但關鍵材料、核心部件的批量生產技術尚(shàng)未形成,催化劑、隔膜、碳紙、空壓(yā)機、氫氣循環泵等仍主要(yào)依靠進口,這嚴(yán)重製約了(le)我國氫能燃料電池產業的自主可控發展。

 

應當(dāng)看到,我國在高活性催化(huà)劑、高強度高質(zhì)子電導率複合膜、碳紙、低(dī)鉑電(diàn)極、高(gāo)功率密度(dù)雙極板等方麵的技術水平目前已經達到甚至超過了國外的商業化(huà)產品,但多停留於(yú)實驗室和(hé)樣品階(jiē)段,還沒有形成大批量生產技術。

 

因(yīn)此,亟待(dài)加強上(shàng)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製備技術(shù)和建立產品生產線(xiàn),全麵實現(xiàn)關(guān)鍵材料核心(xīn)部件的國產化與批量生產。同時,進一步提(tí)高電堆比功率,降低電堆(duī)鉑(bó)用量,才能大幅(fú)降低燃料電池產品的成本。

 

 

4.2 電堆(duī)和係統(tǒng)可靠性與耐久性有待提高

 

目前,我國(guó)燃料電池堆和係統可靠(kào)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(kě)靠性(xìng)與耐久性有待(dài)提高。燃料電池係統(tǒng)可靠性與壽(shòu)命不完全由電堆決定,還依賴於係(xì)統配套(tào),包括燃料供給、氧化劑(jì)供給(gěi)、水熱管理和電控等。

 

因此,需加強燃料電池係統(tǒng)整體的過程機理(lǐ)及(jí)控製策略研(yán)究。這(zhè)方麵我國已取得一定的成(chéng)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(chǔ)上(shàng),還(hái)采用限電位控製、膜電極在線(xiàn)水監(jiān)測、氫側循環等控製策略和技(jì)術方法,有效提升了燃料電池係統的壽命和(hé)耐(nài)久(jiǔ)性。因此,應(yīng)在(zài)已有(yǒu)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(lǐ)與環境適應性研究,大幅提(tí)升燃料電池產品的可靠性與耐久性。

 

 

4.3 加氫站(zhàn)建設成本高、加(jiā)氫費用高

 

目前,加(jiā)氫(qīng)站建設(shè)成本高,氫氣運輸成本較高,造成加(jiā)氫費用高,同時加氫站等基礎設施不完善,直接製約了氫燃料電池汽車的發展(zhǎn)、商業化示範運行和大規模應用。加快加氫站建設,建立(lì)其建設審(shěn)批程序和運營監管標準成為當務之急。

 

通過(guò)加強加氫站關鍵(jiàn)材料(liào)、核心部(bù)件及技術國產化,進一步降低加氫站建設(shè)成本。通過(guò)發展氫儲運技術,如液氫儲運、氫的管道運輸以及(jí)新型(xíng)儲氫材料(liào)如(rú)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(yǒu)廉價氫源(yuán)的地(dì)區先行開展氫燃(rán)料電池汽(qì)車(chē)的(de)商業化(huà)運營,將有效地促進加氫站技術的提升和逐步降低氫(qīng)氣使用成本,進而通過技術提升(shēng)、市場輻射,帶動我國氫能燃料電池產業的整體技術(shù)進步和產業發展。

 

此外,對於暫時無加氫站或(huò)邊(biān)遠地區不宜建加氫站的情況,車載甲(jiǎ)醇製(zhì)氫(qīng)的燃料電池車具有一定優勢,可以進(jìn)行示範。同時,也應布點發展汽柴油車載製氫技術,為發展特種應用的燃料電池車奠定(dìng)基礎。

 

 

4.4 技術標準、檢測體係不健全、不完善

 

目前氫能燃料電池方麵的標準遠不能滿足產業快速發展的需求(qiú),表現在支撐行業發展的氫製備、儲運、加注及實際工況下(xià)氫燃(rán)料電池從部件到係(xì)統的評價檢(jiǎn)測體係等仍不健(jiàn)全,使(shǐ)得產業全鏈條下的產品推廣受到(dào)嚴重的製約和限製。亟待(dài)完善氫能燃料電池技術標準(zhǔn)體係,建立完整的材料、部件、係統的(de)有效檢測體係,為氫能燃料電池的技術發展、產品應用提供基礎保障。

 

 

五、我國氫能與燃料電池發展展望

 

5.1 國內氫能與燃料電(diàn)池發展趨勢

 

(1)商用車帶動加氫(qīng)站建設,降低氫氣與燃料電池成本。我國燃(rán)料電池汽(qì)車發(fā)展路徑明確:通過商用車發展,規模化降(jiàng)低燃料(liào)電池和氫氣成本,同時帶動加氫站配套設施建設,後續拓展到乘用車領域。

 

優先發展商用車(chē)的原因在於:一方(fāng)麵,公(gōng)共交通平均(jun1)成本低,而且能夠起到良好社會推廣效果,待形成規模後帶動燃(rán)料(liào)電池成本和氫氣成本下降;另一方麵,商用車行駛在固定線(xiàn)路上且車輛集中,建設配套加氫站比較容(róng)易。當加氫站數量增加、氫氣和燃料電池成本降低時,又會支撐更多燃料電池汽車。

 

(2)發展氫燃料(liào)電池汽(qì)車產業集群(qún),促進全產業鏈(liàn)發展。燃料電池關鍵零部件、電堆、係統、製(zhì)氫儲氫、檢(jiǎn)測及整車開發企業,以(yǐ)“產業集群”的形式,目前(qián)已在上(shàng)海、廣州(zhōu)、江蘇等地快速發展。通過氫燃料電池汽車產業集群,可以促進氫能燃料電池全產業鏈的快速發展,有效降低成本。

 

 

5.2 保障(zhàng)措施與政(zhèng)策需求建議

 

(1)加強頂層設計,全麵規劃氫能燃料電池發展途徑。包括圍繞產業發展重點、產業布局優化、加氫站總體布局、政策措施製定等,從國家層麵研究製定氫能燃料電池總體規劃和發展路線圖,從而引導我國氫能燃料電池技術創新和(hé)產業的(de)快速與健康發展。

 

(2)加強研發投(tóu)入,確保核心技術自主(zhǔ)可控。聚焦氫能燃料電池全產業鏈的關鍵核心技術,通過設立(lì)氫能燃料電(diàn)池專項(xiàng)等(děng)促進從基礎研究、關鍵技術攻關、應用示(shì)範到產業化(huà)轉化的創新能力提升,保障我國氫能燃料電池(chí)核(hé)心技(jì)術全麵、自(zì)主的持續發展。

 

(3)統籌產業布局,引導產業鏈協調發展。瞄準氫能(néng)燃料電池產業鏈缺失環節和關鍵環節,鼓勵有產業(yè)基礎的重點地區建(jiàn)設氫能燃(rán)料電池產業園區(qū),加快產業集群建設。在氫能(néng)基礎設施方麵,可通過加大加氫(qīng)站(zhàn)的國家和(hé)地方(fāng)補貼力度、鼓勵國有和社會(huì)資本共同參與建設、支持加油(氣)站與加(jiā)氫站合建等措施加速加氫站的建設。在此基礎上,通過重點地區(qū)的商業化示範運營,帶動全(quán)產業鏈的成熟和完善,從而促(cù)進我國氫能燃料電池產業的全麵均衡發展。

 

(4)加強標(biāo)準製定,支撐(chēng)技術進步與產業發展。建設若幹氫能燃料電池國家技術(shù)標(biāo)準創新基地,完善氫能燃料電池全產業鏈的技術和檢測標準(zhǔn)。例如,目前相關法規(guī)標準仍將氫氣按照危險化學品管理,導致加氫站的審批、建設、運營受到製約。如(rú)果明確車用氫氣的能源性質,細化車用氫氣的製備、儲運、加注相關技術標準,將(jiāng)對加速氫能基礎設施建設起(qǐ)到極為重要的保障作用。

 

本(běn)文來源:《中國科學院院刊》2019年04期發表期刊《氫能與燃料電池發展現狀及展(zhǎn)望》   作者:邵誌剛  衣寶廉 

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