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氫能與燃料電池産業鏈現狀及發展前景

來源:钜大LARGE    2019-07-01    點擊量:896

由于能源需求的日益增長,化石燃料的消耗與CO2排放總量快速上升,“清潔、低碳、安全、高效”的能源變革已是大勢所趨。可再生能源(如太陽能、風能、水電等)作爲替代能源大規模使用卻受限于其固有的間歇性、波動性與隨機性;而氫是一種潔淨的二次能源載體,能方便地轉換成電和熱,轉化效率較高,有多種來源途徑。采用可再生能源實現大規模制氫,通過氫氣的橋接作用,既可爲燃料電池提供氫源,也可綠色轉化爲液體燃料,從而有可能實現由化石能源順利過渡到可再生能源的可持續循環,催生可持續發展的氫能經濟。氫能作爲連接可再生能源與傳統化石能源的橋梁,可以爲實現“氫經濟”與現在或“後化石能源時代”能源系統起到橋接作用。因此,氫能作爲潔淨能源利用是未來能源變革的重要組成部分。

氫燃料電池具有燃料能量轉化率高、噪音低以及零排放等優點,可廣泛應用于汽車、飛機、列車等交通工具以及固定電站等方面。從燃料電池在載人航天、水下潛艇、分布式電站獲得應用以來,燃料電池一直受到各國政府和企業的關注,其研發、示範和商業化應用的資金投入不斷增加。在未來煤電占比相對較低的情況下,由于風能、太陽能等可再生能源技術規模的增大,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、基于電解水制氫的燃料電池汽車,排放強度會明顯下降。而燃料電池汽車不同于純電動汽車的是,它實現了上遊發電和終端用電在時間上的“分離”,進而使得氫能相比于波動性較大的風能和太陽能(純電動車技術路線)的互補能力更強。因此,發展氫能和氫燃料電池具有巨大的能源戰略意義。

國外氫能與燃料電池發展現狀及分析

全球範圍來看,世界主要發達國家從資源、環保等角度出發,都十分看重氫能的發展,目前氫能和燃料電池已在一些細分領域初步實現了商業化。2017年全球燃料電池的裝機量達到670兆瓦,移動類裝機量455.7兆瓦,固定式裝機量213.5兆瓦。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,其中美國2900輛,日本2100輛,歐洲200輛,占全球燃料電池乘用車總銷量的九成以上。截至2017年年底,全球共有328座加氫站,歐洲擁有139座正在運行的加氫站,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、歐洲迅速發展,在制氫、儲氫、加氫等環節持續創新。

1、美國氫能與燃料電池發展現狀

美國氫能的生産和儲運有AirProducts、Praxair等世界先進的氣體公司,並且有技術領先的質子膜純水電解制氫公司,同時還掌握著液氫儲氣罐、儲氫罐等核心技術。液氫方面,美國在液氫生産規模、液氫産量、價格方面都具有絕對優勢。美國燃料電池乘用車和叉車保有量領先全球:豐田Mirai在美國銷售了超過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PlugPower,目前已有超過2萬輛燃料電池叉車,進行了超過600萬次加氫操作。加氫站建設方面,目前北美分布的68座加氫站僅1座位于加拿大,其余全部分布在美國,其加州地區集中度最高。美國燃料電池汽車液氫使用量非常高,全年液氫市場需求量的14%都被用于燃料電池車。

2、日本氫能與燃料電池發展現狀

日本由于資源短缺,政府對氫能和燃料電池的推廣力度在世界範圍內都是最大的。目前,日本在家庭用燃料電池熱電聯供固定電站和燃料電池汽車商業化運作方面都是最成功的。早在2014年4月制定的“第四次能源基本計劃”,日本政府就明確提出了加速建設和發展“氫能社會”的戰略方向。所謂“氫能社會”是指將氫能廣泛應用于社會日常生活和經濟産業活動之中,與電力、熱力共同構成二次能源的三大支柱。據此,2014年6月,日本經濟産業省制定了“氫能與燃料電池戰略路線圖”,提出了實現“氫能社會”目標分三步走的發展路線圖:到2025年要加速推廣和普及氫能利用的市場;到2030年要建立大規模氫能供給體系並實現氫燃料發電;到2040年要完成零碳氫燃料供給體系建設。截至2018年1月,日本燃料電池乘用車保有量約2000台,燃料電池大巴預計2020年增加到100台。從目前的燃料電池汽車價格、保有量和加注站數量來看,日本尚處于燃料電池汽車社會的搖籃期,預計2050年將是日本燃油汽車全面向燃料電池汽車過渡之年。

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合組織(FCHJU)發布了“歐洲氫能路線圖”(圖1)。該路線圖提出了歐洲氫能未來30年的發展規劃,並得到歐洲17家氫能公司和組織的支持。該報告認爲,氫是歐洲能源轉型的重要元素,到2050年可占最終能源需求的24%並提供540萬個工作崗位。爲了實現歐洲二氧化碳減排目標,必須發展氫能。對于諸如天然氣網、運輸(特別是重型車輛)關鍵部分的規模脫碳、高級燃料和化學原料需要大量使用氫氣。

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性儲能和跨區域有效清潔能源運輸中的技術難題。報告認爲,到2050年,氫能將在各個領域發揮重要作用,並爲了實現歐洲2050年氫能産業目標,設置了短期和中期目標。報告預測,到2050年,歐洲10%—18%建築的供暖和供電可以由氫能提供;工業中23%的高級熱能可由氫能提供。報告指出,氫能的使用將帶來巨大的社會、經濟和環境效益。到2030年,氫能的預計部署將爲歐盟公司的燃料和相關設備創造約1300億歐元的産業;到2050年達到8200億歐元。氫能將爲歐盟工業創造一個本地市場,作爲在全球氫能經濟中競爭的跳板。2030年的出口潛力估計將達到700億歐元,淨出口額將達到500億歐元。

4、韓國氫能與燃料電池發展現狀

韓國在氫能和燃料電池領域也有較強的規劃布局,但是其相關技術實力較歐、美、日略遜一籌。以現代等汽車企業爲依托,韓國政府未來5年內用于氫燃料電池以及加氫站的補貼將達到20億歐元。目標是到2022年爲15000輛燃料電池汽車和1000輛氫氣公交車提供資金。其中資助計劃包括310個新的氫氣加氣站,政府還將制定使用法規。韓國政府于2019年1月發布“氫能經濟發展路線圖”,旨在大力發展氫能産業,以引領全球氫燃料電池汽車和燃料電池市場發展。

根據該路線圖,韓國政府計劃到2040年氫燃料電池汽車累計産量由2018年的2000余輛增至620萬輛,氫燃料電池汽車充電站從現有的14個增至1200個。韓國政府表示將開始爲燃料電池出租車和卡車提供補貼,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。在固定式燃料電池方面,韓國目前的發展重點在于大型燃料電池發電站。韓國鬥山集團是推動該項目建設的主體。2017年6月,該集團完成了韓國最大的氫能燃料電池發電站的建設,而該發電站的建設成本大約有3600萬美元。據報道,該發電站每年可生産144台440千瓦的燃料電池系統,可以滿足市場的需求。

國內氫能與燃料電池發展現狀及分析

1、國內氫能産業鏈的結構分析

氫能産業鏈主要包括:氫的制取、儲存、運輸和應用等環節。氫既可廣泛應用于傳統領域,又可應用于新興的氫能車輛(包括乘用車、商用車、物流車、叉車、軌道車等)以及氫能發電(包括熱電聯供分布式發電、發電儲能、備用電源等)。爲加快發展中國的氫能産業,依據目前的資源條件和能源産業狀況,應在加強氫安全的基礎上,積極推行氫源多元化及氫能多元化和規模化應用。

我國近年來每年純度99%以上氫氣的使用量約700億立方米(約600萬噸),年産值1200億元人民幣以上。目前國內發展氫能的生産方式,主要有煤制氫、天然氣制氫和工業副産氫,其中工業副産氫追溯其上遊一次能源主要還是煤和天然氣。因此,目前國內氫能生産主要還是依靠化石能源,而電解水制氫僅占比2%—4%,占比較爲有限。對于氫能的消費,國內大約90%或更多純度99%左右的氫氣都用于煉化産品生産過程中的加氫,以及合成氨、合成甲醇、石油煉化等化工領域,僅有2%—4%的氫氣作爲工業氣體用于冶金、鋼鐵、電子、建材、精細化工等行業的還原氣、保護氣、反應氣等,而在燃料電池汽車領域氫能的利用更少。總體看,目前我國具備一定的氫工業基礎,但是仍然還是以工業原料爲主。氫作爲能源消費的市場規模依然較小。

在氫能和燃料電池發展方面,我國也一直不落後。2016年10月,中國標准化研究院資源與環境分院和中國電器工業協會發布的《中國氫能産業基礎設施發展藍皮書(2016)》首次提出了我國氫能産業的發展路線圖(表1)。對我國中長期加氫站和燃料電池車輛發展目標進行了規劃。《中國制造2025》明確提出燃料電池汽車發展規劃,更是將發展氫燃料電池提升到了戰略高度。目前不論是國內的氫能技術,還是氫能産業基礎,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。

2、我國燃料電池産業和技術發展現狀

國內燃料電池産業化現狀及問題

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展的主要企業。並且,近2年燃料電池投資熱度升溫,由幾年前的數家發展到現在的近千家燃料電池企業。與國外豐田、現代等燃料電池生産企業發展路線不同,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産。氫燃料電池乘用車還處于示範運行階段,其中上汽集團對燃料電池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客車——大通V80。燃料電池叉車方面,我國已有東莞氫宇等企業布局,隨著氫能市場不斷成熟,我國叉車市場會是燃料電池另一個巨大的應用場景。

加氫站方面,目前我國已形成了一批從加氫站設計到運營的企業,這些企業主要集中在北上廣地區。目前我國制氫、儲氫、加氫等環節的關鍵核心設備,還不能全部“國産化”,成本難降。我國建成可運行加氫站12個,在建19個,典型代表北京永豐加氫站和上海安亭加氫站均從國外引進核心設備和技術咨詢服務。我國示範性加氫站及燃料電池客車車載供氫系統尚處于35兆帕壓力技術水平。爲與客車配套,現有加氫站采用45兆帕隔膜式壓縮機、45兆帕儲氫罐和35兆帕氫氣加注機等設備,壓力標准提升還有待未來70兆帕燃料電池汽車普及。

國內燃料電池技術現狀及問題

在系統方面,國內燃料電池開發以車用質子交換膜燃料電池爲主,已經具有系統自主開發能力且生産能力較強。以新源動力、億華通、氟爾賽、重塑科技和國鴻重塑爲代表的企業,具備年産萬台燃料電池系統的批量生産能力。然而在燃料電池系統關鍵零部件方面,中國與國際先進水平差距較大,基本沒有成熟産品。

在電堆方面,國內燃料電池電堆正在逐漸起步,電堆及産業鏈企業數量逐漸增長,産能量級提升,到2018年國內電堆産能超過40萬千瓦。目前,國內電堆廠商主要有兩類:①自主研發,以新源動力、神力科技和明天氫能爲代表;②引進國外成熟電堆技術,以廣東國鴻爲代表,其余企業有濰柴動力、南通百應等。

在雙極板方面,由于機加工石墨板成本高,複合材料雙極板近年來開始走向應用,如石墨/樹脂複合材料、膨脹石墨/樹脂複合材料、不鏽鋼/石墨複合材料等。國內新源動力開發的不鏽鋼/石墨複合雙極板電堆已經應用于上汽大通V80輕型客車上。廣東國鴻引進加拿大Ballard公司膨脹石墨/樹脂複合雙極板生産技術,生産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求,金屬雙極板相較于石墨及複合雙極板具有明顯優勢。金屬雙極板的設計及加工技術主要掌握在國外企業,國內企業尚處于小規模開發階段,但是明天氫能科技公司正在建設年産萬台級自動化生産線。

在膜電極方面,以新源動力、武漢理工新能源爲代表,初步具備了不同程度的生産線,年産能在數千平方米到萬平方米,但還需要開發以狹縫塗布爲代表的大批量生産技術。市場上主要生産全氟磺酸膜的企業主要來自于美國、日本、加拿大及中國。我國已具備質子交換膜國産化能力,山東東嶽集團質子交換膜性能出色,具備規模化生産能力。目前,東嶽DF260膜厚度可做到15μm,在OCV情況下耐久性大于600小時。

在催化劑方面,海外企業領先,國內正起步。國內尚處于研究階段的單位有兩類:①國內企業,如貴研鉑業。貴研鉑業主營汽車尾氣鉑催化劑,和上汽共同研發燃料電池催化劑。②研究機構,如中國科學院大連化學物理研究所、上海交通大學、清華大學等。例如,中國科學院大連化學物理研究所制備的Pt3Pd/C合金催化劑,已應用于新源動力生産的燃料電池發動機。

在碳紙産品方面,主要由日本Toray公司等幾個國際大生産商壟斷,國內碳紙産品尚處于研發及小規模生産階段。

在系統部件方面,氫氣循環泵主要依賴進口,空壓機還沒有能夠大批量生産,缺少低功耗高速無油空壓機産品。

總而言之,我國在整車、系統和電堆方面均已有所布局,但零部件方面的相關企業仍較少,特別是最基本的關鍵材料和部件,如質子交換膜、碳紙、催化劑、空壓機、氫氣循環泵等;國內雖有相關企業開始介入,但與國際先進産品相比,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。

3、國內氫能燃料電池存在的問題及對策

關鍵材料與核心部件缺少批量生産技術

近年來,我國氫能燃料電池技術整體上取得了長足的發展,但關鍵材料、核心部件的批量生産技術尚未形成,催化劑、隔膜、碳紙、空壓機、氫氣循環泵等仍主要依靠進口,這嚴重制約了我國氫能燃料電池産業的自主可控發展。應當看到,我國在高活性催化劑、高強度高質子電導率複合膜、碳紙、低鉑電極、高功率密度雙極板等方面的技術水平目前已經達到甚至超過了國外的商業化産品,但多停留于實驗室和樣品階段,還沒有形成大批量生産技術。因此,亟待加強上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産權的批量制備技術和建立産品生産線,全面實現關鍵材料核心部件的國産化與批量生産。同時,進一步提高電堆比功率,降低電堆鉑用量,才能大幅降低燃料電池産品的成本。

電堆和系統可靠性與耐久性有待提高

目前,我國燃料電池堆和系統可靠性與耐久性等與國際先進水平仍存在差距,在全工況下的可靠性與耐久性有待提高。燃料電池系統可靠性與壽命不完全由電堆決定,還依賴于系統配套,包括燃料供給、氧化劑供給、水熱管理和電控等。因此,需加強燃料電池系統整體的過程機理及控制策略研究。這方面我國已取得一定的成果,如中國科學院大連化學物理研究所采用“電-電”混合的基礎上,還采用限電位控制、膜電極在線水監測、氫側循環等控制策略和技術方法,有效提升了燃料電池系統的壽命和耐久性。因此,應在已有基礎上,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與環境適應性研究,大幅提升燃料電池産品的可靠性與耐久性。

加氫站建設成本高、加氫費用高

目前,加氫站建設成本高,氫氣運輸成本較高,造成加氫費用高,同時加氫站等基礎設施不完善,直接制約了氫燃料電池汽車的發展、商業化示範運行和大規模應用。加快加氫站建設,建立其建設審批程序和運營監管標准成爲當務之急。通過加強加氫站關鍵材料、核心部件及技術國産化,進一步降低加氫站建設成本。通過發展氫儲運技術,如液氫儲運、氫的管道運輸以及新型儲氫材料如有機液體儲氫等,降低氫氣儲運成本。在此基礎上,通過選擇有廉價氫源的地區先行開展氫燃料電池汽車的商業化運營,將有效地促進加氫站技術的提升和逐步降低氫氣使用成本,進而通過技術提升、市場輻射,帶動我國氫能燃料電池産業的整體技術進步和産業發展。此外,對于暫時無加氫站或邊遠地區不宜建加氫站的情況,車載甲醇制氫的燃料電池車具有一定優勢,可以進行示範。同時,也應布點發展汽柴油車載制氫技術,爲發展特種應用的燃料電池車奠定基礎。

技術標准、檢測體系不健全、不完善

目前氫能燃料電池方面的標准遠不能滿足産業快速發展的需求,表現在支撐行業發展的氫制備、儲運、加注及實際工況下氫燃料電池從部件到系統的評價檢測體系等仍不健全,使得産業全鏈條下的産品推廣受到嚴重的制約和限制。亟待完善氫能燃料電池技術標准體系,建立完整的材料、部件、系統的有效檢測體系,爲氫能燃料電池的技術發展、産品應用提供基礎保障。

我國氫能與燃料電池發展展望

1、國內氫能與燃料電池發展趨勢

商用車帶動加氫站建設,降低氫氣與燃料電池成本。我國燃料電池汽車發展路徑明確:通過商用車發展,規模化降低燃料電池和氫氣成本,同時帶動加氫站配套設施建設,後續拓展到乘用車領域。優先發展商用車的原因在于:一方面,公共交通平均成本低,而且能夠起到良好社會推廣效果,待形成規模後帶動燃料電池成本和氫氣成本下降;另一方面,商用車行駛在固定線路上且車輛集中,建設配套加氫站比較容易。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。

發展氫燃料電池汽車産業集群,促進全産業鏈發展。燃料電池關鍵零部件、電堆、系統、制氫儲氫、檢測及整車開發企業,以“産業集群”的形式,目前已在上海、廣州、江蘇等地快速發展。通過氫燃料電池汽車産業集群,可以促進氫能燃料電池全産業鏈的快速發展,有效降低成本。

2、保障措施與政策需求建議

加強頂層設計,全面規劃氫能燃料電池發展途徑。包括圍繞産業發展重點、産業布局優化、加氫站總體布局、政策措施制定等,從國家層面研究制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産業的快速與健康發展。

加強研發投入,確保核心技術自主可控。聚焦氫能燃料電池全産業鏈的關鍵核心技術,通過設立氫能燃料電池專項等促進從基礎研究、關鍵技術攻關、應用示範到産業化轉化的創新能力提升,保障我國氫能燃料電池核心技術全面、自主的持續發展。

統籌産業布局,引導産業鏈協調發展。瞄准氫能燃料電池産業鏈缺失環節和關鍵環節,鼓勵有産業基礎的重點地區建設氫能燃料電池産業園區,加快産業集群建設。在氫能基礎設施方面,可通過加大加氫站的國家和地方補貼力度、鼓勵國有和社會資本共同參與建設、支持加油(氣)站與加氫站合建等措施加速加氫站的建設。在此基礎上,通過重點地區的商業化示範運營,帶動全産業鏈的成熟和完善,從而促進我國氫能燃料電池産業的全面均衡發展。

加強標准制定,支撐技術進步與産業發展。建設若幹氫能燃料電池國家技術標准創新基地,完善氫能燃料電池全産業鏈的技術和檢測標准。例如,目前相關法規標准仍將氫氣按照危險化學品管理,導致加氫站的審批、建設、運營受到制約。如果明確車用氫氣的能源性質,細化車用氫氣的制備、儲運、加注相關技術標准,將對加速氫能基礎設施建設起到極爲重要的保障作用。

钜大锂電,17年專注锂電池定制