氢能汽车产业发展三步走：2030年实现百万辆

我国氢能产业的发展,离不开对加氢站及储运能上游基础设施的规划、投入与扶持。

近年来,能源安全问题和环保压力愈发凸显,全球各国都在大力推动新能源汽车发展。在此大背景下,新能源汽车在国内外都得到了高速发展。

其中纯电动汽车和插电混动汽车因技术相对简单而获得了快速发展,而燃料电池汽车虽然相较于纯电动汽车,具有续驶里程更高、加氢时间短等特点,但由于技术难度高,当前还远没有纯电动汽车和插电混动汽车普及。

各大发达国家,例如日本、欧洲、美国、韩国等都在氢能汽车及相关基础设施的技术研究和投资开发上有了数十年的积累,且已经取得阶段性成果。

而我国虽在21世纪初也开始了相关研究,但目前在整个氢能汽车产业上和上述发达国家仍有较大差距。

氢能汽车发展政策密集出台

我国对于燃料电池的政策扶持和财政补贴起源已久,早在2001年9月启动的“863电动汽车重大科技专项计划”中就包含了对氢能汽车和燃料电池系统的研发。

在前述国家“十五”863计划电动汽车关键技术重大科技专项和“十一五”节能与新能源汽车重大项目支持下,我国氢能汽车技术研发取得重要进展.

基本掌握了整车、动力系统与关键零部件的核心技术;建立了具有自主知识产权的燃料电池汽车动力系统技术平台;形成了燃料电池发动机、动力电池、DC/DC变换器、驱动电机、储氢与供氢系统等关键零部件配套研发体系,具有百量级氢能汽车动力系统平台与整车生产能力。

近年来,随着氢燃料电池技术的突破和新能源汽车的快速发展,以及国家对清洁能源的日益重视,我国开始加大对氢燃料电池领域的规划和支持力度,政策出台也越来越集中。

在《中国制造2025》提出实现氢能汽车的运行规模进一步扩大,达到1000辆的运行规模,到2025年,制氢、加氢等配套基础设施基本完善,氢能汽车实现区域小规模运行。

在2011年11月2日发布的《节能与新能源汽车技术路线图》中也提到,到2020年我国的氢能汽车总量要超过5000辆,到2030年超过百万辆。

国内氢能汽车研发经过多年发展已有一定突破,一方面是续航里程有所提高;另一方面,则是整车制造成本有所下降。

然而,目前中国燃料电池乘用车尚处于试验验证阶段,仅有几款概念车。

例如上汽集团曾于2015年4月推出首款国产燃料电池乘用车荣威750FCV,于2017年推出荣威950FCV,一汽红旗也在2018年10月推出了红旗H5燃料电池车,但都未量产。

与此形成鲜明对比的是中国燃料电池商用车经过多年研发已进入商业化阶段,多家车企推出了燃料电池商用车产品。

据相关资料显示,目前国内具备氢能汽车生产资质的企业有13家:宇通客车、福田汽车、上汽集团、上汽大通、申龙客车、中植汽车、金龙客车、东风、飞驰客车、奥新、南京金龙、青年汽车、蜀都客车。其中大部分都是客车和商用车生产企业。

2017年《新能源汽车推广应用推荐车型目录》中仅有3款专用车、19款客车入榜,而2018年增至26款专用车、60款客车,专用车、客车车型数分别是2017年的8.67、3.16倍。

2018年中国氢能汽车产销均完成1527辆,包括1418辆燃料电池客车以及109辆燃料电池货车。

出现上述现状的主要原因是我国的燃料电池相关技术还不够成熟。

氢能汽车的主要结构如下图所示,主要由高压压缩氢气储罐、燃料电池电堆、电池组、升压器、包含电机与动力控制单元的动力总成和其他辅助设备组成。

而燃料电池电堆则是燃料电池车的核心部件。

氢燃料电池汽车的主要结构

目前,国际主流氢燃料电池车型,例如丰田Mirai、现代ix35FCV、本田Clarity Fuel Cell等,其燃料电池输出功率都可达到100kW以上,而我国目前燃料电池产品大多以35kW为主,难以满足家用乘用车对动力系统的需求。

此外由于在70MPa储氢罐等相关技术上也不够成熟,难以达到500km以上高续航里程的目标。

而其他部件的集成度和可靠度也离家用车需求有一定距离。反之,大客车和物流车等大中型车辆,相比于家用车,有更加充裕的空间,对系统的集成度要求降低,同时可以放置更多35MPa储氢罐来满足续航需求。

更重要的是,客车和物流车对高速行驶需求较小,现有体积功率密度的燃料电池电堆即可满足其基本需求。

若需要更大功率的电堆,其对电堆的尺寸重量等要求也远较家用车更宽松。

总的来讲,我国的氢能汽车核心部件的技术尚不够成熟,落后国外厂商约3~4年的时间。

目前,国内燃料电池电堆、进风系统的风机、升压DC-DC等关键材料的生产厂家还不多且多处于研发、少量试运行阶段,仍需要进口,造成系统成本提高。

技术壁垒较低的燃料电池动力系统集成的国产化程度也不高。

空压机、加湿器、氢循环装置等附件系统仍需要进口。

在续航能力、电池寿命等性能方面,与国外存在较大差异。

因此,要继续推动我国氢能汽车特别是家用车的发展,必须要在燃料电池电堆大功率、小型化、使用寿命等多个领域有所突破。

而发展燃料电池客车和物流车,目前遇到的更现实的问题是加氢基础设施的不匹配。

在基础设施建设方面,截至2018年,中国共有25座建成的加氢站(其中3座已拆除),另有多座在建,但多数仅供示范车辆加注使用,暂未实现全商业化运营。

这些加氢站主要分布在经济比较发达、有汽车产业基础的地区,以及地方政府有意愿实施新旧动能转换的地区。

其中约80%的加氢站集中在广东、上海、江苏、湖北、辽宁五个省份。

以上海为例,上海目前商业化运行的加氢站只有江桥加氢站一座,设计加氢能力为每天750kg,能为约120辆物流车加氢。

而仅氢车熟路汽车运营(上海)有限公司2018年就在上海投放了约500辆东风牌氢燃料电池厢式物流车。

加氢需求的共享不匹配导致江桥加氢站建站至今长期满负荷运行,大量氢燃料电池物流车加氢需求得不到满足。

氢能汽车产业发展思路

我国将节能与新能源汽车列为重点发展十大领域之一,我国发布的节能与新能源汽车技术路线图中提出了分三步走的发展思路。

近五年内以中等功率燃料电池与大容量动力电池的深度混合动力结构为技术特征,实现氢能汽车在特定地区的公共服务用车领域大规模示范应用,达到5000辆左右的应用规模。

在2025年左右,以大功率燃料电池与中等容量动力电池的电电混合为特征,实现氢能汽车的较大规模批量化商业应用,达到5万辆的使用规模。

在2030年左右,实现以全功率燃料电池为动力特征,在私人乘用车、大型商用车领域实现百万辆规模的商业推广。

同时到2030年,实现燃料电池电堆比功率从2kW/kg到2.5kW/kg的提升,和燃料电池寿命从5000小时到8000小时的进步。

整个过程中,将进一步提高氢能汽车低温启动,可靠耐久、使用寿命等性能并降低整车成本,逐步扩大燃料电池系统产能,完善氢气供应运输及加注基础设施建设,支撑氢能汽车的产业化发展。

氢能汽车高速发展离不开基础设施建设,节能与新能源汽车技术路线图中同样对加氢站建设确定了发展目标:到2020年加氢站要超过100座,到2025年超过300座,到2030年超过1000座。

若按上述路线图中燃料电池车规模计算,假设2020年5000辆车中1/3为乘用车,年加氢量150kg,2/3为商用车,年加氢量为1吨,则到2020年全国年加氢量约3600吨,站均日加氢能力约100kg。

到2025年假设5万辆车中1/2为乘用车,1/2为商用车,全国年加氢量约3万吨,站均日加氢能力约300kg。

到2030年假设百万辆车中3/4为乘用车,1/4为商用车,全国年加氢量约36万吨,站均日加氢能力需达到约1000kg。

在如此巨大的加氢需求下,目前采用的压缩氢气储运方式远远不能满足需求,结合国外特别是美国和日本的发展情况,液氢储运将成为主流的储运方式。

液氢的密度是常温常压下的800余倍,因此液氢储氢密度高、储运成本低、储存压力低,也更安全。

一个高压氢气储运站,采用集束管车储运压力约为200~700bar,储氢量约为300~1000kg,占地面积约60~80m2。而采用液氢低温液体储罐压力1~1.3bar,储氢量约400~6000kg,占地面积约为15~30m2。

可见液氢储氢量大,加氢站占地面积小,成本低。

同时,液氢储运的运输成本也更低,一辆40m3液氢槽车可运输约3000kg的氢,充装时间只要0.5-2个小时,而一辆集束管车只能运输约300kg的氢,充装时间也要2-4个小时。因此,同重量的氢气采用液态储运,费用只是压缩氢气的十几分之一。

此外,经过氢液化后的氢气纯度高,能够增加电池寿命及电量。氢燃料电池性能和寿命受CO等杂质含量影响很大,而氢的沸点远低于CO、H2S等易引起氢燃料电池中毒的杂质沸点。

最后,液氢加压充装具有更高的效率和更低的成本。

由于液体可压缩性远低于气体,液氢加注采用的高压液氢活塞泵出口压力可达875bar,能耗只有0.5kWh/kgH2远低于同等增压能力的氢气压缩机。

目前,国际上约400多座加氢站中,已有约1/3采用液氢进行储运。

采用液氢储运方式的加氢站建造、运行成本低,更有利于加氢站的基础建设,有利于促成氢燃料电池汽车与加氢站建设的良性循环。

而液氢输运与储存方式在未来氢能产业链中也将越来越重要,是氢能汽车产业规模化应用的必然手段。

氢能汽车商业运行需配套加氢站建设

氢能汽车作为一种新能源汽车,具有很多优势。

相较于纯电动汽车,氢能汽车的续航里程更长、充能时间明显减少;相较于燃油汽车,氢能汽车和纯电动汽车的能量转换效率更高,同时在利用可再生能源制氢的情况下零排放无污染,且使用成本较低。

但是氢能汽车的也存在一定劣势,目前氢能汽车的使用寿命难以与纯电动汽车和燃油汽车相较,同时由于目前技术尚不成熟,其制造成本高(尤其是燃料电池系统成本),实际能量转换效率也不及纯电动汽车。

此外氢能源链尚不完善,使氢气的成本和售价偏高,造成氢能汽车的使用成本高于纯电动汽车,仍有较大下降空间。

当前中国氢能汽车产业飞速发展,但氢能汽车关键部件和关键材料要完全实现国产化尚有很长一段路。

氢能汽车的商业运行和使用需要配套加氢站的建设,并提供完善的制氢、储运、加氢服务。

从国外的经验看,加氢站建设要与氢能汽车生产同步进行甚至超前发展,形成良性循环。

目前我国加氢站建设主体众多,缺乏国家统筹和政策配套措施。加氢站是公共事业范畴,目前项目选址、规划管理、安全运营缺乏监督与管理。

另外加氢站投资巨大,同时也要集中规模化科学管理,以降低建设运营成本和安全运行。

因此、我国氢能汽车行业想要发展,也离不开对加氢站及储运等上游基础设施的规划、投入与扶持。