中国工程院院士衣宝廉:氢燃料电池乘用车商业化至少还需十年

2019年11月15日  同花顺财经

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在中国,氢能已纳入国家能源战略,成为优化能源消费结构和保障国家能源供应安全的重要选择。随着这种被誉为“人类终极能源”产业的爆发,全国各地对氢能产业的规划布局正在提速。据不完全统计,仅2019年,江苏如皋、浙江嘉兴、山西大同等地对氢能的投资预计超过1600亿元。根据中长期规划,到2025年,中国氢能产值将会超过5100亿元,最终发展成万亿市场。但火热背后,氢能产业究竟何时才能商业化,却无明确时间。

11月15日,由盖世汽车主办,常熟国家高新技术开发区指导的2019全球燃料电池汽车产业论坛上,中国工程院院士、中国科学院大连化学物理研究所研究员衣宝廉提出,氢燃料电池乘用车商业化至少还需十年。

(中国工程院院士、中国科学院大连化学物理研究所研究员衣宝廉)

对于其中缘由,衣宝廉院士表示,燃料电池成本、能源转化效率等方面是其影响发展的关键因素。

规模化降低成本是关键

据衣宝廉院士表示,目前燃料电池发动机成本高昂,成为阻碍氢燃料产业发展的关键。据了解,燃料电池发动机成本是燃油车的一倍,其车辆运行费用也颇高,1kgH/100km氢气成本在70-80元,而燃油费用仅为40余元,锂离子电池平均15°电,成本仅需10-15元。所以,无法降低燃料电池动力系统成本,谈普及就为时尚早。

目前,氢燃料电池动力系统由氢燃料电池堆、加湿器、功率调节器、空气压缩机、氢气循环泵等部件构成。其中,电池堆是整个燃料电池产业链的核心部分,其性能和成本的演化直接决定了燃料电池产业化进程。

(现代NEXO fuel cel氢燃料电池发动机)

电堆主要由气体扩散层、质子交换膜、膜电极、催化剂、双极板、密封件等几个关键部件组成,其中质子交换膜和催化剂占燃料电池堆成本的60%以上。影响成本的主要组件即是电堆中的质子交换膜、催化剂中铂的含量、双极板材料,以及电池系统中的储氢罐、升压变频器、动力单元等。

如今,制约氢燃料电池成本大规模下降的因素主要源自核心技术尚未突破,产业链完备程度有待提高,加氢站建设较为落后及市场接受度需提升等多个方面。曾有专家认为,当前技术已足够满足氢燃料电池汽车的使用需求,其阻碍氢燃料电池汽车成本下降的关键原因是目前的燃料电池仍处于小规模生产状态,产业链上下游各个环节成本居高不下。

据美国能源部此前预测,氢燃料电池产能如能扩大十倍,整车成本将下降23%,同时伴随电堆技术的突破,成本将再降23%;两者叠加带来的成本下降幅度将超过45%。

(丰田MIRAI氢燃料电池汽车制造成本已得到控制)

以氢燃料电堆为例,据欧洲燃料电池与氢能联合组织发布的氢能及氢燃料电池汽车的相关行业报告显示,2020年,燃料电池系统的年生产量达到1000套时,电池堆的成本为111.96美元/kW,在生产量达10000套时,电池堆的成本为36.9美元/kW,下降幅度达67.04%。而在2025年,生产量为50000套时,电池堆的成本可低至11.53美元/kW。

有不少业内人士表示,氢燃料电池规模化生产,确实降低成本的首要路径。但做好规模化生产,不是一日之功,需要三到五年时间累积。

氢能利用要提升转化效率

当下,影响氢能产业发展的另一大因素,是氢能的转化效率及经济效益。众多周知,氢能并非一次能源,它更像电能属于二次能源,需转化得来。这一转化过程需要消耗能源的同时,必有能源浪费,降低浪费量,是氢能发展的重要前置条件。并且,能源转化需有成本,如果提高经济效益也是关键。

据相关资料显示,目前通过电解水制氢的能量转换效率较高,约达85%。氢在燃料电池中发电,能量转换效率约50%,由电到氢在到电的整体能量转换总效率或大于40%。曾有智库计算,根据能量守恒定律,氢燃料电池能量转化效率远高于内燃机。以氢气作为能源载体的燃料电池车能效,较使用传统燃料的内燃机车能效提升2.5倍。

但现实果真如此么?

现阶段,燃料电池自身消耗的电能、氢气从电解池低压状态压缩到适于输送的高压状态所需电能,运输高压氢气到加氢站所消耗的能量,加氢站给运营车辆充氢所消耗的能量等,都需算做氢能转化效率,此概念因和电动汽车全生命周期类似。据估算,从电解水制氢至车辆使用,所消耗的1度电,最终仅可使用不及0.3度电。

曾有业内人士对比,如果一度电经充电器的AC-DC变换和车上电池的充电—放电,两环节的能量转换效率都在95%左右,送到电动汽车电机上的电能接近0.9度,近三倍的能量转换效率一目了然。如此计算,氢能转换效率既不高,经济效率也不乐观。

想要提升制氢能转化率,且更具经济性,可再生能源制氢或是一种有效手段。

随着可再生能源边际成本不断下降,从长远来看,水能、生物能、太阳能、风能等可再生能源制氢,不管是从对环境的保护还是可持续性来看,都具有较强竞争力。尤其随着因温室气体过度排放造成的全球变暖及日益严重的环境污染,可再生能源制氢废物零排放、环境零污染的优越性逐步体现出来。

如果能充分利用弃水、弃风、弃光所产生电能进行电解水制氢,则意味着不仅能解决可再生能源消纳问题,还能实现绿色制氢。电解水制氢工艺,从20世纪初发展至今已有110多年的工业化历程,技术较为成熟。利用两个不产生化学反应的电极,在无机酸或碱金属氢氧化物的水溶液传导直流电流,阴极生成氢气,阳极生成氧气。电解水方法大规模制氢主要有两条降成本的途径,一是降低电解过程的能耗,二是降低电价。

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来源: 盖世汽车网

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