一文看懂中国与国外氢燃料电池产业的差距

燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置,又称电化学发电器。氢燃料电池是将氢气作为燃料气在催化剂作用下与氧气发生反应产生电流和热量的一种装置。

燃料电池由于其燃料气来源丰富、效率高、无噪声、无污染的优点,从节约能源和保护生态环境的角度来看是最有发展前途的发电技术。下图为氢燃料电池工作原理。

图1 氢燃料电池发电原理

在燃料电池发电应用方面,由一组电极和电解质板构成的单体燃料电池工作时的输出电压较低,电流密度较小,为获得高的电压和功率,通常将多个单电池串联,组成燃料电池电堆。

具体说,就是由双极板与膜电极交替叠合形成单体电池,在单体电池之间嵌入密封件,经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢,即构成电堆。

因此燃料电池电堆从组成上分为单电池和端板,单电池由双极板、垫圈/密封圈和膜电极组成(MEA),膜电极又由质子交换膜、催化剂层和气体扩散层组成,其中膜电极(MEA)是燃料电池中最为核心的环节。

图2 燃料电池电堆构成

氢燃料电池产业链中,上游主要为氢的制取;中游主要为氢的储运、加氢站以及燃料电池电堆,电堆与空压机、储氢瓶系统、氢气循环泵等其他组件构成燃料电池动力系统;下游则是氢燃料电池在交通领域和备用电源领域的应用,主要包括客车、轿车、叉车、固定式电源和便携式电源等。

当前,氢燃料电池产业在我国发展极为迅速,各地都在大力推进,呈遍地开花之势。但是我国多地布局氢燃料电池产业主要以整车组装(目前主要以商用车为主)、示范运营为主,产业中非常重要的储氢及燃料电池等核心技术,我国企业布局较少。

清华大学核能与新能源技术研究院教授王诚曾在一次访谈中谈到:“我们国内有的做电堆的企业号称很大,但所有的原材料都依赖进口,国内公司主要在做组装,买来膜和催化剂,再组装。关键技术和原材料都被国外垄断。”

我国与国外在氢燃料电池产业方面总体来说还是有很大的差距,下表为国内外氢燃料电池产业核心指标的对比,并在后半部分对各个指标进行了简要说明。

表1 国内外氢燃料电池产业核心指标对比

资料来源:公开资料整理

氢气的制取

目前我国制氢方式主要有化石燃料制氢、工业副产氢和水电解制氢,国外制氢方式和我国制氢种类差别不大。国内大部分的氢气产能来源于化石燃料制氢(煤制氢)和化工副产氢(石油炼化、氯碱副产、乙烷裂解和丙烷脱氢等),国外氢气产能主要是天然气重整制氢和电解水制氢。国内制氢企业主要有国家能源集团、中国石化、中国石油等,国外具有代表性的公司有美国空气产品公司、德国鲁奇、法液空、林德气体等。

从氢燃料电池产业应用方面考虑,氢气的品质至关重要,氢气纯度越高,其燃料电池的效率越高。目前,各种制氢方式中电解水制氢产生的氢气纯度最高,可以达到99.99%。

在电解水制氢方面,我国拥有世界上最大的风能和光伏装机,发电量稳居全球第一,但同时我国每年弃风、弃光较为严重,仅弃风电制氢就可以供100万辆车使用,弃光电制氢可供140万辆车使用。因此我国未来利用可再生能源制氢的空间巨大。

氢气储运

氢气储存方式主要有高压储氢、液体储氢、金属氢化物储氢、有机氢化物储氢等。氢气输送方式主要有气氢拖车、液氢槽罐车以及管道运输氢气。

目前我国储氢主要依靠压缩机将氢气压缩到储氢瓶中,然后利用集装格和长管拖车等工具进行运输,长管拖车运输设备产业较为成熟,储氢瓶压力多为30MPa;国内目前在液氢储氢方面非常薄弱,少量液氢仅用于航天及军事领域,更缺乏液氢槽罐车等运输工具,整体上我国在液氢技术、液氢工厂、相关产业化上几乎都是空白。金属氢化物储氢和有机氢化物储氢均处于实验室阶段;管道运输氢气目前在国内不成熟,中石化曾在2016年在河南省济源市工业园区-洛阳市吉利区建成了氢气管道。

国外主流的储氢方式主要是高压气氢和低温液氢,与我国不同的是,国外的高压气氢压力达到了70MPa,液氢储运也较为成熟,日、美、德等国已将液氢的运输成本降低到高压氢气的八分之一。

表2 国内外相关公司储氢瓶指标对比

从技术角度上来说,液态氢的密度是气体氢的845倍,相较于氢气高压储运,低温液态储氢可以大大提高氢气密度,降低储运成本,氢气纯度也可以在液化过程中大大提高,从而保证了燃料电池的寿命和性能。随着氢燃料电池汽车的普及,大规模储运氢的方向之一就是液氢储运。

目前国内生产高压储氢瓶的企业有京城股份、中材科技、中集安瑞科等,进行液氢布局的企业有中航101所、中科富海、富瑞氢能等。

加氢站

作为给燃料电池汽车提供氢气的基础设施,加氢站对于氢燃料电池汽车产业的发展至关重要的。

全球拥有加氢站的国家以及数量分别是日本(96座)、德国(60座)、美国(42座)、中国(23座)、法国(19座)、英国(17座)、韩国(14座)、丹麦(11座)。日本、德国和美国加氢站共有198座,占全球总数的54%。

图3 世界各国加氢站数量

目前全球近400座加氢站中,有三分之一以上为液氢加氢站,遍布日本、美国及法国市场。

在日本,岩谷产业公司已经成功建立了16座液氢加氢站,美国液氢加氢站的建设企业以Plug power、Air product 公司为主,法国市场的液氢加氢站建设企业主要是林德公司。我国的液氢工厂还处在为航天火箭发射服务的阶段,受法规所限,还无法应用于民用领域。

燃料电池系统

燃料电池系统主要由燃料电池与空压机、储氢瓶系统、氢气循环泵、空气压缩机等组成,其中燃料电池电堆更是系统中最为关键的核心环节,直接决定了燃料电池汽车的质量。

一般而言,燃料电池性能的好坏可以通过电堆体积功率密度、质量功率密度、燃料电池系统功率、燃料电池催化剂用量、燃料电池车载工况寿命、0-100米加速性能、低温启动性能来判定。

功率密度是指燃料电池能输出最大的功率除以整个燃料电池系统的重量或体积,单位是瓦/公斤或瓦/升。从文中表1可以看出,我国燃料电池无论是体积功率密度还是质量功率密度与国外差距明显。燃料电池系统功率国内目前成熟的仅为30KW,国外丰田的燃料电池汽车可以达到114KW。

铂作为燃料电池的催化剂可以催化氢气和氧气的反应,以帮助将燃料气通过反应转化为电能,由于铂对于燃料电池的重要性以及其自身昂贵的价格(约200元/克),因此燃料汽车铂载量对于整车的价格影响重大,根据表1,国内燃料电池铂载量约为0.6g/kw,国外可以达到0.19g/kw,差距明显。

在燃料电池寿命也就是耐久性方面,虽然国内很多企业开发的燃料电池电堆在实验运行时寿命可以达到接近10000小时,但是燃料电池在车用工况下会衰减,通过表1可以看出,我国客车车载工况寿命为3000-5000小时,国外美国Van Hool已经达到了18000小时;轿车方面国内为2000小时,国外包括丰田、现代、通用和奔驰等均超过了5000小时。

跟纯电动汽车相比,燃料电池汽车更适用于北方低温城市。中国电动汽车百人会执行副理事长、中国科学院院士欧阳明高表示,“在低温环境下电池由于极化原因会使汽车续驶里程大大下降,同时还有取暖问题,而燃料电池更容易实现,纯电动相对来说难度就比较大。”

因此低温性能对于燃料电池汽车非常重要,通过表1可以看出,国内燃料电池汽车低温启动温度在-20℃~-10℃之间,国外丰田、本田和现代均可以达到-30℃。

氢气循环泵及压缩机

为了防止与氧气发生化学反应的氢气排出,以保证氢燃料电池的使用寿命,在氢燃料电池内部的氧气与氢气发生化学反应后,需要通过氢气循环泵将多余的氢气回收。目前,氢气循环泵的转动轴与电机驱动端接触,并通过密封件密封,通过电机的驱动端驱动氢气循环泵工作。

目前我国氢气循环泵依赖进口,美国Park公司开发氢气循环泵可用于不同的氢燃料电池汽车,国内没有可以替代的产品,主要时由于氢气循环泵的氢气密封和水汽腐蚀和冲击问题难以解决,国外也仅有几家能够提供解决方案。国内目前尚未有厂家进行产品研发,但是已经展开了基础研究。

空气压缩机是车用燃料电池阴极提供气(氧气)系统的重要部件,通过对空气进行增压,可以提高燃料电池的功率密度和效率,减少燃料电池系统的尺寸。

21世纪初,而美国能源部支持了AD Little Inc.、Honeywell等企业进行研发和生产,瑞典的Opcon 公司对多种压缩机进行了开发。目前最为典型的时Honeywell的离心式压缩机和Opcon的双螺杆压缩机,二者已经达了实际要求,已在多款燃料电池系统中进行了长时间运行。

国内目前有广顺新能源动力、福建雪人股份、德燃动力系统等企业在进行开发,目前均处于设计研发的初级阶段,而且没有将电机极其控制器进行集成设计和优化,可靠性和耐久性还有待于提高。

表3 国内外燃料电池用空压机对比

交通领域及电源应用

在交通领域,根据中国汽车协会的数据,2018年燃料电池上牌车辆达到了1600辆,今年1-4月份销售273辆,同比增长289.8%,截至到今年4月份,累计燃料电池汽车为1873辆,且多为公交车和客车,轿车方面还未有上市品牌。

国外燃料电池车应用数量最多的为美国和日本。截至到目前为止,美国燃料电池乘用车总计为6307辆,车型较为丰富包括轿车(大部分为丰田Mirai)、公交车、物流车、重载车以及叉车。

日本燃料电池车主要有:15辆燃料电池公交在东京正常运行、3000辆燃料电池乘用车、100做加氢站在运营、140辆燃料电池叉车。

在燃料电池电源应用方面主要是分布式燃料电池系统,目前我国并未有成熟应用案例。

分布式燃料电池系统目前分为重整制氢式燃料电池系统(多以天然气为原料)以及纯氢燃料电池系统。近年来,前者在欧洲、美国及日本发展迅猛,尤以日本的普及率最高。

日本家用分布式燃料电池系统(ENE-FARM)是能够同时产生电力和热水的供给系统,其可以提供最大功率为0.75KW的电能(无论白天还是夜晚)。截至 2016 年底日本已经累计推广 20 万台 ,2016 年底的售价为 127 万日元(约为 7.5 万元人民币)。

在日本,导入家用燃料电池系统后可将能源利用率提高约95%,并可不受限于天气情况,稳定地持续发电。据爱信精机公司统计,使用家用燃料电池(ENE.FRam TYPES)后,日本家庭购买电力量下降约80%。