一文看懂中國與國外氫燃料電池產(chǎn)業(yè)的差距

燃料電池是一種把燃料所具有的化學能直接轉換成電能的化學裝置,又稱電化學發(fā)電器。氫燃料電池是將氫氣作為燃料氣在催化劑作用下與氧氣發(fā)生反應產(chǎn)生電流和熱量的一種裝置。

燃料電池由于其燃料氣來源豐富、效率高、無噪聲、無污染的優(yōu)點,從節(jié)約能源和保護生態(tài)環(huán)境的角度來看是最有發(fā)展前途的發(fā)電技術。下圖為氫燃料電池工作原理。

圖1 氫燃料電池發(fā)電原理

在燃料電池發(fā)電應用方面,由一組電極和電解質板構成的單體燃料電池工作時的輸出電壓較低,電流密度較小,為獲得高的電壓和功率,通常將多個單電池串聯(lián),組成燃料電池電堆。

具體說,就是由雙極板與膜電極交替疊合形成單體電池,在單體電池之間嵌入密封件,經(jīng)前、后端板壓緊后用螺桿緊固拴牢,即構成電堆。

因此燃料電池電堆從組成上分為單電池和端板,單電池由雙極板、墊圈/密封圈和膜電極組成(MEA),膜電極又由質子交換膜、催化劑層和氣體擴散層組成,其中膜電極(MEA)是燃料電池中最為核心的環(huán)節(jié)。

圖2 燃料電池電堆構成

氫燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈中,上游主要為氫的制取;中游主要為氫的儲運、加氫站以及燃料電池電堆,電堆與空壓機、儲氫瓶系統(tǒng)、氫氣循環(huán)泵等其他組件構成燃料電池動力系統(tǒng);下游則是氫燃料電池在交通領域和備用電源領域的應用,主要包括客車、轎車、叉車、固定式電源和便攜式電源等。

當前,氫燃料電池產(chǎn)業(yè)在我國發(fā)展極為迅速,各地都在大力推進,呈遍地開花之勢。但是我國多地布局氫燃料電池產(chǎn)業(yè)主要以整車組裝(目前主要以商用車為主)、示范運營為主,產(chǎn)業(yè)中非常重要的儲氫及燃料電池等核心技術,我國企業(yè)布局較少。

清華大學核能與新能源技術研究院教授王誠曾在一次訪談中談到:“我們國內有的做電堆的企業(yè)號稱很大,但所有的原材料都依賴進口,國內公司主要在做組裝,買來膜和催化劑,再組裝。關鍵技術和原材料都被國外壟斷?！?/p>

我國與國外在氫燃料電池產(chǎn)業(yè)方面總體來說還是有很大的差距,下表為國內外氫燃料電池產(chǎn)業(yè)核心指標的對比,并在后半部分對各個指標進行了簡要說明。

表1 國內外氫燃料電池產(chǎn)業(yè)核心指標對比

資料來源:公開資料整理

氫氣的制取

目前我國制氫方式主要有化石燃料制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫和水電解制氫,國外制氫方式和我國制氫種類差別不大。國內大部分的氫氣產(chǎn)能來源于化石燃料制氫(煤制氫)和化工副產(chǎn)氫(石油煉化、氯堿副產(chǎn)、乙烷裂解和丙烷脫氫等),國外氫氣產(chǎn)能主要是天然氣重整制氫和電解水制氫。國內制氫企業(yè)主要有國家能源集團、中國石化、中國石油等,國外具有代表性的公司有美國空氣產(chǎn)品公司、德國魯奇、法液空、林德氣體等。

從氫燃料電池產(chǎn)業(yè)應用方面考慮,氫氣的品質至關重要,氫氣純度越高,其燃料電池的效率越高。目前,各種制氫方式中電解水制氫產(chǎn)生的氫氣純度最高,可以達到99.99%。

在電解水制氫方面,我國擁有世界上最大的風能和光伏裝機,發(fā)電量穩(wěn)居全球第一,但同時我國每年棄風、棄光較為嚴重,僅棄風電制氫就可以供100萬輛車使用,棄光電制氫可供140萬輛車使用。因此我國未來利用可再生能源制氫的空間巨大。

氫氣儲運

氫氣儲存方式主要有高壓儲氫、液體儲氫、金屬氫化物儲氫、有機氫化物儲氫等。氫氣輸送方式主要有氣氫拖車、液氫槽罐車以及管道運輸氫氣。

目前我國儲氫主要依靠壓縮機將氫氣壓縮到儲氫瓶中,然后利用集裝格和長管拖車等工具進行運輸,長管拖車運輸設備產(chǎn)業(yè)較為成熟,儲氫瓶壓力多為30MPa;國內目前在液氫儲氫方面非常薄弱,少量液氫僅用于航天及軍事領域,更缺乏液氫槽罐車等運輸工具,整體上我國在液氫技術、液氫工廠、相關產(chǎn)業(yè)化上幾乎都是空白。金屬氫化物儲氫和有機氫化物儲氫均處于實驗室階段;管道運輸氫氣目前在國內不成熟,中石化曾在2016年在河南省濟源市工業(yè)園區(qū)-洛陽市吉利區(qū)建成了氫氣管道。

國外主流的儲氫方式主要是高壓氣氫和低溫液氫,與我國不同的是,國外的高壓氣氫壓力達到了70MPa,液氫儲運也較為成熟,日、美、德等國已將液氫的運輸成本降低到高壓氫氣的八分之一。

表2 國內外相關公司儲氫瓶指標對比

從技術角度上來說,液態(tài)氫的密度是氣體氫的845倍,相較于氫氣高壓儲運,低溫液態(tài)儲氫可以大大提高氫氣密度,降低儲運成本,氫氣純度也可以在液化過程中大大提高,從而保證了燃料電池的壽命和性能。隨著氫燃料電池汽車的普及,大規(guī)模儲運氫的方向之一就是液氫儲運。

目前國內生產(chǎn)高壓儲氫瓶的企業(yè)有京城股份、中材科技、中集安瑞科等,進行液氫布局的企業(yè)有中航101所、中科富海、富瑞氫能等。

加氫站

作為給燃料電池汽車提供氫氣的基礎設施,加氫站對于氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展至關重要的。

全球擁有加氫站的國家以及數(shù)量分別是日本(96座)、德國(60座)、美國(42座)、中國(23座)、法國(19座)、英國(17座)、韓國(14座)、丹麥(11座)。日本、德國和美國加氫站共有198座,占全球總數(shù)的54%。

圖3 世界各國加氫站數(shù)量

目前全球近400座加氫站中,有三分之一以上為液氫加氫站,遍布日本、美國及法國市場。

在日本,巖谷產(chǎn)業(yè)公司已經(jīng)成功建立了16座液氫加氫站,美國液氫加氫站的建設企業(yè)以Plug power、Air product 公司為主,法國市場的液氫加氫站建設企業(yè)主要是林德公司。我國的液氫工廠還處在為航天火箭發(fā)射服務的階段,受法規(guī)所限,還無法應用于民用領域。

燃料電池系統(tǒng)

燃料電池系統(tǒng)主要由燃料電池與空壓機、儲氫瓶系統(tǒng)、氫氣循環(huán)泵、空氣壓縮機等組成,其中燃料電池電堆更是系統(tǒng)中最為關鍵的核心環(huán)節(jié),直接決定了燃料電池汽車的質量。

一般而言,燃料電池性能的好壞可以通過電堆體積功率密度、質量功率密度、燃料電池系統(tǒng)功率、燃料電池催化劑用量、燃料電池車載工況壽命、0-100米加速性能、低溫啟動性能來判定。

功率密度是指燃料電池能輸出最大的功率除以整個燃料電池系統(tǒng)的重量或體積,單位是瓦/公斤或瓦/升。從文中表1可以看出,我國燃料電池無論是體積功率密度還是質量功率密度與國外差距明顯。燃料電池系統(tǒng)功率國內目前成熟的僅為30KW,國外豐田的燃料電池汽車可以達到114KW。

鉑作為燃料電池的催化劑可以催化氫氣和氧氣的反應,以幫助將燃料氣通過反應轉化為電能,由于鉑對于燃料電池的重要性以及其自身昂貴的價格(約200元/克),因此燃料汽車鉑載量對于整車的價格影響重大,根據(jù)表1,國內燃料電池鉑載量約為0.6g/kw,國外可以達到0.19g/kw,差距明顯。

在燃料電池壽命也就是耐久性方面,雖然國內很多企業(yè)開發(fā)的燃料電池電堆在實驗運行時壽命可以達到接近10000小時,但是燃料電池在車用工況下會衰減,通過表1可以看出,我國客車車載工況壽命為3000-5000小時,國外美國Van Hool已經(jīng)達到了18000小時;轎車方面國內為2000小時,國外包括豐田、現(xiàn)代、通用和奔馳等均超過了5000小時。

跟純電動汽車相比,燃料電池汽車更適用于北方低溫城市。中國電動汽車百人會執(zhí)行副理事長、中國科學院院士歐陽明高表示,“在低溫環(huán)境下電池由于極化原因會使汽車續(xù)駛里程大大下降,同時還有取暖問題,而燃料電池更容易實現(xiàn),純電動相對來說難度就比較大?！?/p>

因此低溫性能對于燃料電池汽車非常重要,通過表1可以看出,國內燃料電池汽車低溫啟動溫度在-20℃~-10℃之間,國外豐田、本田和現(xiàn)代均可以達到-30℃。

氫氣循環(huán)泵及壓縮機

為了防止與氧氣發(fā)生化學反應的氫氣排出,以保證氫燃料電池的使用壽命,在氫燃料電池內部的氧氣與氫氣發(fā)生化學反應后,需要通過氫氣循環(huán)泵將多余的氫氣回收。目前,氫氣循環(huán)泵的轉動軸與電機驅動端接觸,并通過密封件密封,通過電機的驅動端驅動氫氣循環(huán)泵工作。

目前我國氫氣循環(huán)泵依賴進口,美國Park公司開發(fā)氫氣循環(huán)泵可用于不同的氫燃料電池汽車,國內沒有可以替代的產(chǎn)品,主要時由于氫氣循環(huán)泵的氫氣密封和水汽腐蝕和沖擊問題難以解決,國外也僅有幾家能夠提供解決方案。國內目前尚未有廠家進行產(chǎn)品研發(fā),但是已經(jīng)展開了基礎研究。

空氣壓縮機是車用燃料電池陰極提供氣(氧氣)系統(tǒng)的重要部件,通過對空氣進行增壓,可以提高燃料電池的功率密度和效率,減少燃料電池系統(tǒng)的尺寸。

21世紀初,而美國能源部支持了AD Little Inc.、Honeywell等企業(yè)進行研發(fā)和生產(chǎn),瑞典的Opcon 公司對多種壓縮機進行了開發(fā)。目前最為典型的時Honeywell的離心式壓縮機和Opcon的雙螺桿壓縮機,二者已經(jīng)達了實際要求,已在多款燃料電池系統(tǒng)中進行了長時間運行。

國內目前有廣順新能源動力、福建雪人股份、德燃動力系統(tǒng)等企業(yè)在進行開發(fā),目前均處于設計研發(fā)的初級階段,而且沒有將電機極其控制器進行集成設計和優(yōu)化,可靠性和耐久性還有待于提高。

表3 國內外燃料電池用空壓機對比

交通領域及電源應用

在交通領域,根據(jù)中國汽車協(xié)會的數(shù)據(jù),2018年燃料電池上牌車輛達到了1600輛,今年1-4月份銷售273輛,同比增長289.8%,截至到今年4月份,累計燃料電池汽車為1873輛,且多為公交車和客車,轎車方面還未有上市品牌。

國外燃料電池車應用數(shù)量最多的為美國和日本。截至到目前為止,美國燃料電池乘用車總計為6307輛,車型較為豐富包括轎車(大部分為豐田Mirai)、公交車、物流車、重載車以及叉車。

日本燃料電池車主要有:15輛燃料電池公交在東京正常運行、3000輛燃料電池乘用車、100做加氫站在運營、140輛燃料電池叉車。

在燃料電池電源應用方面主要是分布式燃料電池系統(tǒng),目前我國并未有成熟應用案例。

分布式燃料電池系統(tǒng)目前分為重整制氫式燃料電池系統(tǒng)(多以天然氣為原料)以及純氫燃料電池系統(tǒng)。近年來,前者在歐洲、美國及日本發(fā)展迅猛,尤以日本的普及率最高。

日本家用分布式燃料電池系統(tǒng)(ENE-FARM)是能夠同時產(chǎn)生電力和熱水的供給系統(tǒng),其可以提供最大功率為0.75KW的電能(無論白天還是夜晚)。截至 2016 年底日本已經(jīng)累計推廣 20 萬臺 ,2016 年底的售價為 127 萬日元(約為 7.5 萬元人民幣)。

在日本,導入家用燃料電池系統(tǒng)后可將能源利用率提高約95%,并可不受限于天氣情況,穩(wěn)定地持續(xù)發(fā)電。據(jù)愛信精機公司統(tǒng)計,使用家用燃料電池(ENE.FRam TYPES)后,日本家庭購買電力量下降約80%。