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氢燃料电池汽车能否“弯道超车”

2017年12月14日12:43 来源:经济日报

  今年以来,一些国家和主要汽车企业纷纷发布停售燃油汽车时间表,新能源汽车成为未来发展的主要趋势。相对纯电动汽车路线而言,效率更高、更节能环保的氢燃料电池汽车,被一些国家和企业认为是未来新能源汽车发展的一个更好方向。

  值得注意的是,近日在广东省佛山市举行的第一届中国(佛山)国际氢能与燃料电池技术及产品推介会上,展出了十款氢燃料电池车辆和诸多行业最新的技术成果,吸引了众多资本方的关注,各方认为氢燃料电池技术革新速度已超出市场预期。在纯电动汽车技术取得突破之前,氢燃料电池汽车能否后来居上,实现“变道超车”?《经济日报》记者采访了相关企业和专家。

  与纯电动汽车形成有效互补

  “你们是今天来参观的第三批客人。”自从国内首个商业化运营加氢站——佛山瑞晖加氢站今年9月在佛山南海丹灶镇落成,加氢站站长李参成就成了大忙人,前来参观的人络绎不绝。这个加氢站投入运营,也意味着中国氢燃料电池汽车在产业化道路上又迈进了坚实的一步。

  远看这个加氢站和常见的加油站似乎并无太大差别,记者走近仔细观察发现,加氢站没有任何异味,且干净、整洁。整个加氢站由前向后分为加注区、储氢区、加压区等三个区域,在加注区和储氢区之间由高中低三根不同压力的管道连接。氢燃料电池汽车通过加注区的加氢机加氢,视车型不同仅需3至10分钟便可加满。

  相对于纯电动汽车,大众对于氢燃料电池汽车还知之甚少。国际能源署(IEA)发布的《氢能与燃料电池技术路线图》显示,氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能经过电化学反应直接转换为电能的发电装置,而氢燃料电池汽车本质上仍是电动汽车,氢气储存在车上的高压罐内,通过燃料电池将氢能转化成电能给汽车提供动力。

  在佛山市,记者乘坐体验氢燃料电池公交车后发现,与燃油车相比,该车动力同样充足,却没有明显的噪音;与纯电动车相比,该车多了一个和燃油车类似的排气管,但是从中喷射出来的,除了零污染的热气外,只有水,这种水的水质甚至可以达到饮用标准。此外,氢气相较于电能更易储存、更易运输,且充填效率与传统汽油车相近,并且单次充填燃料后的续航里程也明显大于纯电动车。

  科技部部长万钢指出,氢燃料电池技术创新正成为全球能源技术革命的重要方向,在车用能源领域,氢能燃料电池被认为是实现车辆使用阶段“零排放”、全生命周期“低排放”的重要技术方案,是未来汽车产业技术竞争的制高点。

  目前,越来越多的车企加入到了氢燃料电池车的研发当中,包括丰田、本田、现代等,这些车企生产的氢燃料电池车已经量产,并投放到了世界多地市场。

  “燃料电池与纯电动汽车两种技术路径不存在谁好谁坏的比较,燃料电池技术与纯电动两个技术方向,会在相当长的一段时间并存,不管是用户的使用体验,还是配套基础设施方面,都会形成互补的局面。”广东泰罗斯动力汽车系统有限公司总经理张锐明认为。

  国际氢能源委员会和麦肯锡发布的全球首份氢能源未来发展趋势调查报告显示,到2030年,全球需要提供1000万辆至1500万辆燃料电池乘用车以及50万辆燃料电池卡车行驶所使用的氢气。这无疑是个巨大的市场。

  进入产业化“试水”阶段

  自从“十五”以来,我国连续四个五年计划启动新能源汽车科技研发专项,统筹部署了纯电动、混合动力、燃料电池汽车为主的动力系统和电池、电机、电控为核心技术的“三纵三横”研发布局,其中,针对氢能及燃料电池持续开展了大量技术攻关和产业化示范应用研究。

  政策助力下,中国氢燃料电池汽车产业取得了明显进展。在第一届中国(佛山)国际氢能与燃料电池技术及产品推介会上,记者看到,数款氢燃料电池交通工具参展,包括小型乘用车、公交车、中小型商用车、有轨电车等;与此同时,上游厂商也带来了不少新产品。

  “这是国内展示车辆数量最多、车型最全的一次氢燃料电池车辆专业展览。”全国氢能标委会秘书长王赓说。

  记者统计发现,在氢动力户外展区,共展出了氢燃料电池汽车9辆、机车1辆,包括中车青岛四方的机车1辆、广东泰罗斯汽车动力系统有限公司的大巴车2辆、上汽大通的宽体轻客FCV80汽车1辆、日本丰田Mirai小轿车1辆、佛山(云浮)产业基地提供的小轿车、物流车、客车等共5辆。其中,上汽大通的FCV80汽车为首款搭载了氢燃料电池的商业宽体轻客,车内设有十余个座位,其储氢罐可以装下4.4公斤的高压氢气,实现430公里的续驶里程,一次加满氢气的时间在3至5分钟。

  在产业馆,记者还了解到,沈阳斯林达安科新技术有限公司的高压储氢容器制造技术已经达到了国际先进水平,填补了国内空白。东方电气已掌握包括核心发电部件膜电极、发电主体电堆、系统辅助部件及智能控制在内的燃料电池动力系统全套核心技术并拥有其独立的自主知识产权。

  布局一定数量的加氢站是氢燃料电池汽车推广的前提条件。为加快加氢站建设,在与推介会同期举行的第二届氢能与燃料电池产业发展国际交流会上,中石化、中石油宣布加氢加油合建站建设正式启动。其中,在佛山市南海区的合作项目将利用现有加油站增设加氢功能,可以有效、快速解决加氢站的规划布局和建设问题。

  “当前,不少国内厂商都已开始布局氢燃料电池汽车产业,但是相关产业链离成熟还有一定距离,只能说现在进入了产业化‘试水’阶段。”爱德曼氢能源装备有限公司CEO龚靖坦言。

  技术门槛远超纯电动车

  既然氢燃料电池汽车具有诸多优点,为什么多年来发展速度远远不如纯电动汽车?“纯电动汽车和氢燃料电池汽车的门槛完全不同,多数整车企业在氢燃料电池汽车方面没有开展实质性研发和产业化准备。”在龚靖看来,技术门槛高、前期投资大、研发成本高是发展氢燃料电池汽车的难点所在。

  有如动力电池是纯电动汽车的“心脏”一样,氢燃料电池是氢燃料电池汽车的核心设备,也是成本占比最高的部分。燃料电池的核心技术质子交换反应过程是需要铂族元素等催化剂实现的。早在2007年,美国通用汽车公司投放的100台Equinox燃料电池轿车,其中每台车的铂用量为80克左右,这使得整车价格相当昂贵。

  “由于技术的限制,目前燃料电池需要使用大量的金属铂,不仅价格高昂,而且资源稀缺,我们正在努力减少铂的使用量,所以技术方面还有很大的空间要改善。”龚靖说。

  氢燃料电池汽车推广的另一大障碍就是高成本和耐久性问题。氢燃料电池汽车价格一直居高不下,燃料电池系统的高成本增加了整个汽车的成本;同时,燃料电池动力系统作为车用的可靠性、耐久性都不如传统的柴油、汽油发动机,未来的主攻方向是如何在减小成本的同时延长使用寿命。

  不过,《氢能与燃料电池技术路线图》指出,通过汽车动力方案成本之间的对比可以发现,与其他几种汽车供能方式相比,燃料电池汽车的价格虽然目前很高,但未来有很大的下降空间,到2050年可以下降到现在价格的55%左右,与纯电动汽车相差无几。

  广东省佛山市副市长许国则认为,加氢基础设施不足是当前氢能产业发展面临的最大阻碍,理顺和明确政府行政审批是我国加氢站建设的当务之急。“具体行政操作层面,基本上是空白。加氢站的行业行政主管部门对规划、立项、发放牌照的问题都很不明确。可以说,建设加氢站困难重重,只有地方大胆地先行先试。”许国说。

  加大基础设施扶持力度

  产业发展,基础先行。要让氢燃料电池汽车顺利走向市场,首先得在加氢站等基础设施建设上做文章。许国表示,政府需要持续加大对加氢站建设的扶持和推动力度,研究制定加氢站发展总体规划布局,推动加氢站科学合理布点和对加氢站建设运营的行业监管,鼓励国有和社会资本参与加氢站的融资业务。

  值得注意的是,加氢站建设模式将直接影响到加氢基础设施网络布局。近年来,国外因地制宜探索出多种有效建站模式,比如,北美地区有太阳能现场制氢、加氢一体化的加氢站、移动式加氢站等。“加氢加油合建站可以解决土地、审核等问题,可以实现全国快速布局。”在上海氢枫能源技术有限公司总经理方沛军看来,未来,合建站也是一个较好的发展思路。

  事实上,加油、加氢、充电的建站模式非常适合在中国推广。“现有加油站大多可增设加氢站,可在现有加油站基础上直接增建加氢设备,快速把数量庞大完善的加油网络改变升级为加氢网络,混合动力汽车、纯电动汽车、氢燃料电池汽车的需求都能得到满足。”许国说。

  加氢价格也将会是影响消费者选择的主要因素。目前,我国氢气的制备主要依靠化工厂的副产氢,但是存在提纯和资源分布不均衡的问题。电解水制氢可以获得高纯度的氢气,但是成本高、能耗大。对此,北京中电丰业技术开发有限公司董事长王德军表示,现在我国弃水、弃风、弃光情况严重,如果政府加大政策支持力度,鼓励企业使用可再生能源过剩电力制氢储能,不仅可以大幅降低制氢成本,还有利于清洁能源消纳。

  在标准建设方面,国家标准化管理委员会副主任陈洪俊透露,将创建绿色发展研究中心,推动氢能国家示范基地建设,推广可复制的标准、经验和模式,创新标准实施模式,推行标准研制与研发同步。

  对于氢燃料电池汽车的未来,万钢表示,要深入开展基础研究,攻克关键技术,完善系统功能;提高产品质量,推动氢燃料电池全产业链体系的市场协同;强化跨产业、跨领域的产业协同应用,实现燃料电池汽车重大共性技术突破和工程化落地。

  鼓励多元化的新能源汽车路线

  当前,各国都在重点发展新能源汽车,但需要注意的是,新能源汽车指的并不仅仅是大众熟知的纯电动汽车。在笔者看来,只要是新型、绿色、安全的能源,并且符合汽车的能量需要,就可以成为新能源汽车的路线选择之一。从目前的产业发展情况来看,除了大红大紫的纯电动汽车和混动汽车外,长期来看至少还应当重点发展氢燃料电池汽车。

  在目前的新能源汽车市场上,由于国家政策的大力倾斜和各路资本的追捧,消费者接触最多的就是纯电动汽车,随着纯电动汽车的日渐普及,政府补贴已经开始不断退坡。在纯电动汽车市场不断成熟的同时,纯电动汽车仍然存在不少短板。

  首先就是续航里程的限制。从电池研发的历史上看,纵使电池行业发展了200多年,市场依然被技术经济性最成熟的铅酸电池和锂离子电池占据;特别是近20年,电池每年能量密度稳定提高3%至6%,已实属不易。一种适用电池的新材料从开发到产业化,周期十分漫长,一般需耗时18至20年。根据现有技术,电池想要取得重大突破非常困难,纯电动汽车要增加里程就必须背负更多的电池,电池一多,电池重量又成为负担。

  其次是充电时间过长。目前市场上的纯电动汽车充电分为快充和慢充两种模式,如果采用慢充,虽然对电池的长期保养有好处,但是充电时间通常高达7至20个小时(视电池容量而定);即使采用快充,也需要耗费20至30分钟,不仅电池只能充至70%左右,而且长期快充对电池寿命也有一定影响。这给长途旅行带来极大的不便。

  再次,纯电动汽车并非是全生命周期的“无污染”汽车。对于纯电动汽车,只能说是在使用环节不产生尾气排放,但是其充电所使用的电力,目前来看,我国电力绝大部分来自于煤电。可以说,在电力结构不发生大变化的情况下,从全生命周期来看,电动汽车的大范围推广的减排效益并没有想象中的那么好。

  而纯电动汽车的这些劣势,恰恰都能被氢燃料电池汽车所弥补。氢燃料电池的充电方式其实就是加注氢,形式上和加油较为类似,不过氢燃料电池则要环保得多。该电池工作原理是氢气和氧气经过离子膜发生化学反应释放电子,产生电能,最终驱使电动马达带领车辆前进,而化学反应的产物只有水没有二氧化碳。同时,氢燃料电池汽车一次加氢时间只需要3至10分钟,而且续航里程可达纯电动车的数倍。当然,与纯电动汽车比,目前氢燃料电池汽车技术门槛更高,资金投入更大,基础设施尚不完善。

  可见,氢燃料电池汽车有着显著优势,能与纯电动汽车形成有效互补,在向新能源汽车转型过程中,应当鼓励发展。

  

  氢气燃料比石油天然气更安全

  长期以来,由于公众对于氢能缺乏足够的了解,对氢燃料电池汽车的安全尚有疑虑,甚至形成了“谈氢色变”的氛围,这也成为限制氢燃料电池汽车产业快速发展的一大掣肘。有关专家认为,只要管理到位,氢气的特性并不比汽油更危险,甚至比汽油更安全。

  “人们已经习惯于汽油作为燃料,对氢气这种燃料缺乏了解,如果采取必要的措施,氢气的安全是可以保障的。”中国工程院院士衣宝廉表示。

  氢气的特性可以简单概括为“易燃易爆、风险可控”。首先,必须承认氢气是易燃易爆品,有一定的可燃范围和爆炸范围,无色无味,人们凭感官无法发觉氢气的泄漏,这成为人们对其心生恐惧的重要原因之一。但氢气并非不可捉摸,其安全风险是可控的。

  氢气是世界上已知的密度最小的气体,氢气的密度只有空气的十四分之一,在空气中扩散速度快,其向上扩散速度是氮气的2倍,天然气的6倍。因此,除非受到屋顶、通风差的屋子或其它充有上升气体的场所限制,氢气的特性会防止它聚集在泄漏处周围。

  “氢气甚至比石油和天然气更安全。”广东国鸿氢能科技有限公司董事长马东生说,目前学术界和行业界已经形成共识,只要按照规范去做氢能产业,安全程度是很高的。

  在氢燃料汽车和汽油车爆炸对比试验中,由于氢气的密度非常低,从燃料罐中逸出之后会迅速上升扩散,即便着火,也是发生在气源的上方,离车内乘员较远。而汽油车一旦爆炸,液态的汽油会直接在车内燃烧。

  与此同时,工业领域通常使用氢气感测器来检测氢气泄漏。几十年来,氢气感测器保持了极高的安全记录。清华大学核能与新能源技术研究院教授毛宗强表示,目前氢燃料电池汽车在技术测试中,即使使用更严苛的条件,也不会发生氢气泄漏。此外,氢能汽车里会安装探测器,即使发生氢气单一泄漏,一旦达到一定的浓度,也会自动切断,保证安全。

  同时,为了进一步保障安全,一些车型的储氢罐设计了一个温控单向阀,当车辆遇到意外,瓶内压力过大或氢气罐温度上升时,单向阀会自动打开,罐内氢气会均匀稳定地泄露出去,并不会发生爆炸。

  衣宝廉表示,鉴于大量的试验和燃料电池整车的实际运行,氢燃料电池汽车的碰撞安全性能也是完全有保证的,能够满足和符合国家碰撞安全标准。

  “针对‘谈氢色变’的观念问题,除了要提升公众的认识,同时需要用不断完善的科学标准去解决。”全国氢能标准化技术委员会主任委员马林聪说。

  

  ↑第一届中国(佛山)国际氢能与燃料电池技术及产品推介会上展出的日本丰田Mirai氢燃料电池小轿车

  

  ↑第一届中国(佛山)国际氢能与燃料电池技术及产品推介会上展出的上汽大通的宽体轻客FCV80氢燃料电池汽车

  

  ↑推介会上展出的氢燃料电池公交车

  

  ↑推介会上展示的中车青岛四方的氢燃料电池有轨电车

  

  ↑推介会上展出的氢燃料电池物流车

  

  ↑推介会上展出的氢燃料电池物流车

  

  ↑观众在推介会产业馆内参观

  

  ↑国内首个商业化运营加氢站——佛山瑞晖加氢站

  

  ↑国内首个商业化运营加氢站——佛山瑞晖加氢站

  (见习编辑:陈蓉蓉)