燃料电池的应用瓶颈

氢能是一剂良药。中国能源领域主要面临两大危机：一是能源消费对国外进口依赖严重，二是过度使用化石能源导致碳排放量过高。在能源短缺和环境恶化两大困境的威胁下，可再生清洁能源的发展迫在眉睫。凭借清洁、储量大、能量转换率高、运行稳定等优势，氢能被现代工业视为最理想、潜力最大的新能源。氢燃料电池汽车作为新能源汽车的主要技术路径之一，近年来在中国发展迅猛。得益于中央和各级政府支持，燃料汽车销量从2015年仅有的10辆，增加到2019年全年销售2737辆。据专家预计，中国燃料汽车销量2020年将达到五千辆，2025年达5万辆，2030年达100万辆，发展前景广阔。作为配套基础设施，加氢站规模也在迅速扩大。据上海交通大学机械与工程学院燃料电池研究所所长章俊良介绍，2019年底中国已经建成了47座加氢站，在建38座，预计2020年底将建成100座，2025年将建成300座，2030年将建成1500座。发展趋势向好，但中国氢燃料电池汽车行业仍面临瓶颈。深陷泥潭？“燃料电池有很多的应用瓶颈，第一个瓶颈是加氢站，第二个瓶颈是成本，第三个瓶颈是进口依赖，第四个瓶颈是大批量使用相适应的法律法规的匹配。”上海捷氢科技有限公司总经理卢兵兵总结道。上游氢气制取方面，氢气来源仍然是个问题。地球上的氢元素虽然十分丰富，但主要以水的形式存在，因此需要借助技术手段人为制氢。目前，大规模工业化制氢工艺主要包括化石燃料制氢、水电解制氢等。由于当前市场规模效应较弱，包括设备折旧、维修保养、管理费支出等，氢制取环节中70%-90%的成本为固定成本，降本阻力较大。由可再生能源转化而来的氢气方可真正实现无碳环保，这种氢气也被称之为“绿氢”，但其目前产量偏低、成本偏高。“当成本下降下降到一定程度，绿氢将是燃料电池非常重要的氢能来源。”卢兵兵表示。氢气储运方面，较高的储运成本导致氢气只能在小范围内运输和使用。目前，氢气的存储方式包括低温液态储氢、高压气态储氢、固态储氢和有机液态储氢等，运输方式包括气氢输送、液氢输送和固氢输送。气态氢仍是中国氢气储运的主要形式，主要借助20MPa长管拖车运输氢气，成本高昂。“产氢是20块钱一公斤，到专家手上是80块钱一公斤，路费是60块钱一公斤。”中国能源工程集团首席科学家范钦柏透露。氢气加注方面，加氢站数量过少的问题不容忽视。截止2020年1月，中国总计建成了61座加氢站。此外，单个加氢站的加氢能力普遍偏低，大多不到400公斤每天，仅能服务大约100辆轿车或不到20辆公交车。中游的系统与整车制造方面，中国在电堆到系统再到整车设计的工艺上发展较为成熟，但在原材料技术上相对薄弱。诸如电池所需的催化剂、质极膜、密封材料和双极板生产工艺都要落后于国际水平。从生产成本角度看，催化剂占电堆成本40%以上，双极板占30%以上，基础材料成本占比极高，且进口依赖度高。以铂族金属为例，其在氢能源燃料电池生产过程中应用广泛，是必不可少的稀有金属。 然而，中国铂族金属资源稀少，占全球储量不到1%，几乎完全依赖南非、俄罗斯等国。一旦国际铂族金属价格波动较大，企业往往会受到价格冲击导致生产成本激增。刚刚过去的2019年，钯金价格上涨到2000美元每盎司，年增幅接近60%；2020年1月，铑金价格上涨32%，达10000美元1盎司。实际上，花钱也未必能买到货。目前，国际上的铂铑使用量增速远高于产量增速，中国氢燃料电池产业发展受到制约。“不能让中国燃料电池产业为他人做嫁衣。”某位业内专家如是说。下游市场应用方面，氢燃料电池汽车远未普及。受制于燃料电池技术瓶颈与供氢产业未成熟，中国氢燃料电池汽车仍处于试运行阶段，商用车应用领先于乘用车，整个行业仍戒不掉补贴。阻力重重，中国氢燃料电池汽车行业的破局之道是什么？降本为王降本是发展氢燃料电池汽车的关键。抛开环境保护等因素，燃料电池汽车要想得到推广，无论是制造成本还是使用成本，成本必须与燃油车、电动汽车持平，否则消费者很难为之买单。上游氢气方面，固态储氢技术为降低储运氢气成本带来利好。与高压气态储氢、低温液态储氢相比，固态材料储氢具有体积储氢密度高、不需要高压容器和隔热容器、安全性好、无爆炸危险、可获得高纯度氢、操作方便等诸多优势，有助于减少氢的储运成本。加氢站的普及也将降低燃料电池汽车的使用成本。上海氢枫能源技术有限公司董事长方沛军表示，可以从氢气价格便宜的地区开始优先发展氢燃料电池汽车，随后通过运行车辆数量的增加，包括加氢站数量增加，带动车辆成本的降低。氢能源基础设施建设的强化，是其实现大规模商业化的基础。中游系统与整车制造方面，材料替换将是重要降本方法。国际市场上铂金的价格仅为钯金的一半，通过铂钯替换技术以减少钯金的用量可以减少氢燃料电池的材料成本。世界铂金投资协会亚太区主管邓伟斌表示，如果能实现30%的铂钯替换，以2000万的乘用车体量计算，整个中国氢燃料电池汽车行业可以节省60-70亿的开支。未来，燃料电池行业还将会向低铂和超低铂化发展，甚至会向采用非铂乃至非贵金属为催化剂的方向实现科技突破，进一步降低生产成本。下游市场应用方面，“以奖代补”的支持方式为行业发展带来新动力。2020年4月23日，财政部等四部委发布《关于调整完善新能源汽车补贴政策的通知》，将氢燃料电池车补贴方案调整为“以奖代补”，即选择一部分有基础、有积极性、有特色的城市或区域开展关键零部件技术攻关和产业化应用示范，按结果导向给予奖励。未来，氢能区位优、市场容量大、财政实力强的优质区域或将呈现氢燃料电池汽车集群化发展，局部市场应用或将得到加强。“汽车行业讲究规模效应，没有规模就没有一切。”卢兵兵表示，随着氢燃料电池汽车产业规模效应的加强，各个环节的成本将显著降低，行业本身也将建立起正向循环。尾声“不止是汽车行业，整个能源产业和投资界都看好燃料电池汽车的发展前景。”中国汽车工业协会总工程师、副秘书长叶盛基表示。作为中国发展氢能的前排兵，中国氢燃料电池汽车行业肩负重任。当前，中国氢能源产业处于重要的发展窗口期，面临不少挑战，也迎来诸多机遇。一旦氢燃料电池汽车发展取得突破，中国能源危机或将缓解大半。目前，市场中存在纯电动电池和燃料电池等不同的新能源解决方案，章桐认为混动、纯电与燃料电池等多种路径共同发展，是中国汽车工业电动化转型的必然选择，“各技术在各自市场、领域中形成优势互补，是中国汽车工业发展的主要方向”。之于汽车电动化，氢燃料电池仍举足轻重。
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