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燃料电池的展望与辨析

实验室资讯网时间:2020-11-16 点击: 百度搜索 | 必应搜索 | 搜狗搜索

【导读】近半年来燃料电池很热,然而至少在中国,燃料电池技术并不会在未来十年「替代」锂电池技术,也不会成为车用动力的「主流」。 但它仍将作为纯电动汽车的补充,作为柴油机的潜在替代动力系统,快速发展并取得一定的商业化成就。 为什么这么说?下面就从燃料电池技术的意义、定位两方面分别说一说,最后再简单说说燃料电池应用场......
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燃料电池的展望与辨析

近半年来燃料电池“很热”,然而至少在中国,燃料电池技术并不会在未来十年「替代」锂电池技术,也不会成为车用动力的「主流」。

但它仍将作为纯电动汽车的补充,作为柴油机的潜在替代动力系统,快速发展并取得一定的商业化成就。

为什么这么说?下面就从燃料电池技术的意义、定位两方面分别说一说,最后再简单说说燃料电池应用场景和局限。

燃料电池技术路线多样,下文中燃料电池即指代车用主流燃料电池技术:质子交换膜燃料电池(PEMFC)。下次会再更新一篇燃料电池技术路线的文章与各位交流。

一,燃料电池系统与氢能产业的意义

燃料电池系统从来不是2017-2018才开始热起来的,我国在2008年就开始了氢燃料电池汽车的示范运行。在美国,氢燃料电池更是与锂电池技术呈螺旋式的交替发展,这与政治环境密不可分,布什政府时期就曾大力推动「氢经济」,促进了当时的氢燃料电池技术的发展,通用在2002年推出的Autonomy自主魔力概念车曾轰动一时,其动力系统就是氢燃料电池,这一趋势直到2008年奥巴马政府才发生暂停,转回了纯电动的推进路线。

在日本,在「氢能社会」的国家战略下,氢能建设与燃料电池汽车的发展更是如火如荼,由于燃料电池汽车和混合动力汽车技术的相似,也由于燃料电池的上游产业实力,日本在产业端有着强大的优势;另一方面,氢能作为重要的「二次能源」,无论是中东的石油、澳大利亚的煤矿还是日本海的风都可以转化为氢气,这对于多元化日本的能源进口结构有着重要的意义,在福岛事故之前更是与核能发展路线能够相辅相成,因此上升到国家战略并不为怪。

氢能从来不是「终极能源」,但它作为「二次能源」不仅对于日本,对于中国和美国也有着同样的能源意义。而在应用端,燃料电池不仅可以车用,在军事领域同样有着极大的潜力:无人机、潜艇、坦克等载具使用燃料电池相较于发动机可以降低噪音和热源,相较于锂电池极大提升续驶里程;现代化单兵作战电源的使用中,燃料电池同样最为可能的长续航能源;在分布式发电的场景,燃料电池同样可以承担和柴油机相似的作用,并且有着更低的噪声、振动和污染。

所以,仅「能源多样化」和「技术储备」两点,就足以支撑燃料电池和氢能产业的发展。

二,燃料电池在交通领域的定位

那么为什么说在中国,燃料电池电池在交通领域是次要的地位,而不是替代纯电动车?

还是先来看美国和日本,美国在特朗普政府治下对新型能源并不感冒,这背后一个重要的原因是美国的能源结构已然悄然发生改变,随着页岩油页岩气的大发现和开采技术进步,美国已经成为了能源输出国,能源安全问题相较于日本、欧洲、中国而言,并不急迫。而日本则是强力推动燃料电池汽车发展,原因在上一段提到了,与此同时,民用发电燃料电池、军事用途燃料电池等等用途加在一起,规模和汽车产业比起来都太小了,燃料电池汽车的量可以带动整条氢能产业链的技术发展和成本下降。从这个角度看,汽车无疑是最值得投入的工业。事实上,日本用汽车来拉动技术的尝试已有多次成功经验,如1997年问世的现代混合动力汽车标杆——第一代Prius,在全球引领了混合动力技术的风潮。而Mirai就是新的Prius:一方面赔本赚吆喝,另一方面开放专利力邀全世界加盟。

对于中国来说,与纯电路线对比,燃料电池缺少了产业基础和自主技术的支撑。我国与日美相比,燃料电池系统中关键的电堆、空压机,以及电堆的关键零部件膜电极,均依赖进口;储氢瓶技术仅可以自主化生产35MPa储氢气瓶,70MPa储氢气瓶未能自主化;运氢技术未能突破液氢运输与管道运氢,仍需拖车运输高压气瓶;加氢站设备同样依赖进口。一方面,整条产业链的落后凸显了亟需对该领域的投入;另一方面也反映了相较于日本,我国缺少氢能工业禀赋,在起跑线上已经落后,所需投入更巨。

但燃料电池技术的用武之地与纯电动并不完全重合。除了无人机/分布式发电等等场景之外,在交通领域,中重载卡车的应用场景纯电动还无法胜任,续驶里程和充电时间的限制,使得纯电动重卡并不是一个现实的命题。燃料电池恰可以承担这样的角色。其他诸如城间长途客运、叉车等场景,同样更适合使用燃料电池。燃料电池系统更像开放式的内燃机系统,或者更具体一点,它更像柴油机系统。这也是潍柴、东风等商用车龙头企业大力投入燃料电池的原因。

所以从需求端来看,燃料电池技术的主要应用场景是中重载卡车、长途客车,乘用车领域是大型乘用车。与纯电动车的场景并不冲突,“替代”无从谈起。

三,燃料电池的应用场景

未来十年,燃料电池汽车会在哪些地方兴起呢?上一节已经谈了需求端,也就是什么样的车型和载具可能使用燃料电池。这一节再谈谈供给端,说说什么样的场景下适合使用燃料电池。

谈这个问题前,先要说说目前燃料电池汽车的局限。上一节中已经谈到我国的氢能产业技术较为稚弱(虽然已经在加速发展,并且涌现出了一些自主技术与公司),与此同时,很多应用场景同样受到限制。比如最现实的问题:氢从哪里来?

氢气的制备方式很多样,包括化石燃料制氢、煤制氢、电解水制氢、氯碱工业副产氢等等。但是这些方式并不完全适用于燃料电池汽车的氢气制备,比如天然气制氢和电网电解水,可以说是对能源增加了一重浪费。

那么什么样的氢能适合呢?氯碱工业副产氢,煤制氢,无法上网的可再生能源制氢。

从产能角度看:

我国是氯碱工业大国,统计数据显示,2017年中国烧碱产量3365.2万吨,而每生产1吨烧碱约副产280立方米(约合0.025吨)氢气。换言之,中国的氯碱工业每年可以生产出至少85万吨氢气,这些氢气可以让10万辆Mirai加氢1700次,奔跑85000公里。

煤制氢的产能不需多说。

我国的可再生能源无法上网的「弃风」「弃水」「弃光」均为百亿kWh的量级,尽管逐年上网率在提升,仍是巨大的数字。

但这些也是看起来美好。

一,车用主流燃料电池技术质子交换膜燃料电池(PEMFC)需要的氢气纯度极高,一般认为需要「四个9」以上,即纯度大于99.99%,上述途径得到的氢气都需要进行纯化,特别是煤制氢得到氢气纯度较低,如直接使用会导致燃料电池催化剂中毒,这意味着制氢成本的增加。

二,氯碱工业和可再生能源均有着明显的地域特征,氯碱工业集中在华北华东部分省份、可再生能源集中于西北西南地区,但是氢能运输能力有着极大的限制:目前仅有的拖车运氢超出200公里的半径就已经并不经济。这意味着目前氢能的使用将被局限在部分地区。

因而氢燃料电池的使用场景进一步受到了限制:从供给端看,短中期内氢燃料电池商用车的应用场景,或是上述富氢地区的区域内应用;或是公路运输主干线的应用(如北京-武汉-广州这样的公路运输大动脉)。

尽管眼下有着各种局限:上游产业与技术、燃料电池技术、下游应用场景……但燃料电池与氢能产业将在未来十年快速发展:氢能是新能源战略的重要组成部分;燃料电池是重要的动力系统技术;燃料电池汽车在交通领域会成为纯电动汽车的重要补充与支撑。

仅在过去一年里,燃料电池零部件的国产化迅速,可以说是超出预期。而随着示范运营规模的扩大,关键零部件及电堆成本仍将持续下降。此外,储氢、运氢的技术方案也在陆续的推出。中国氢能产业的萌芽已经开始。

在今天,燃料电池汽车或许正相当于2008年开端的纯电动汽车,谁也不会想到10年后,它的发展已经超乎了所有人的想象。

作者:姚一 ​

清华大学 动力工程及工程热物理学博士

原文地址:https://zhuanlan.zhihu.com/p/58537532

(本文来源:知乎 姚一 ​)

(责任编辑: 龙景)

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