中國儲能網(wǎng)訊：衣寶廉院士：汽車將打開氫能應(yīng)用的突破口
問：為什么說上下游協(xié)同降本能推動氫燃料電池汽車邁向商業(yè)化應(yīng)用新階段？
答：用氫能代替燃油驅(qū)動各種交通工具，不僅能實現(xiàn)交通領(lǐng)域節(jié)能減排，而且能提高國家能源的安全性。盡管氫燃料電池汽車有諸多優(yōu)點，但其發(fā)展必須攻克成本難點：第一，目前燃料電池發(fā)動機比較貴，導(dǎo)致一輛燃料電池汽車的售價是燃油車的2~3倍、鋰離子電池汽車的1.5~2倍；第二，加氫站的建設(shè)費用比較高，在1200萬~1500萬元；第三，加氫站的加氫費用每千克為60~70元，只有降到30元以下才能跟燃油車競爭。因此，要實現(xiàn)無補貼的燃料電池汽車商業(yè)化運行，必須大幅降低供氫成本和氫燃料電池系統(tǒng)成本，進(jìn)而降低氫燃料電池汽車運行成本。
問：降低供氫成本需要考慮哪幾個方面？
答：一是氫源方面，二是儲運方面。
氫源方面，主要有三種制氫方式：化石燃料制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫制氫、可再生能源制氫。我國具有豐富的副產(chǎn)氫資源，年產(chǎn)量近千萬噸；可再生能源制氫是利用棄風(fēng)、棄水、棄光的富余電量和生物質(zhì)等進(jìn)行電解水制氫，電解水制氫類型包括堿水電解、純水電解（質(zhì)子交換膜水電解）、高溫固體氧化物水蒸氣電解，我國堿水電解技術(shù)水平世界第一，售價是國際售價的1/3。純水電解國內(nèi)已做到兆瓦級，但數(shù)量和性能與國外比還有差距。高溫固體氧化物電解效率最高，但還處于發(fā)展階段。
儲運方面，利用“三北”地區(qū)豐富的水力、風(fēng)能、太陽能發(fā)電，大力發(fā)展質(zhì)子交換膜電解水制氫，把氫氣送入天然氣管網(wǎng)，最高濃度可達(dá)20%，在需要氫氣的地方，采用膜分離從天然氣氫混合物中提取純氫，當(dāng)氫濃度低時，可抽取等熱值天然氣進(jìn)行重整制氫。在近海地區(qū)發(fā)展海上風(fēng)電，采用電解水制氫，利用氫氣管道將氫氣輸送至海港，將氫液化作為商品用管車送至附近加氫站。加氫站建設(shè)電解水制氫裝置和天然氣重整制氫裝置，利用上述方案提高氫氣輸送效率，降低用氫成本。氫氣壓縮機、高壓儲氫瓶、加氫機等也需要盡快國產(chǎn)化和批量生產(chǎn)，還要建設(shè)油氫電合建站，大幅降低加氫站的建設(shè)費用。
問：降低燃料電池系統(tǒng)成本需要從哪些方面著手？
答：首先要降低燃料電池電堆的成本，電堆成本為燃料電池系統(tǒng)的50%左右，要提高電堆比功率，研究高活性的催化劑，同時降低鉑用量。制備高性能超薄增強復(fù)合膜，增加機械強度，實現(xiàn)低透氣率。對于膜電極組合而言，膜減薄后，大幅降低了歐姆極化，同時采用靜電噴涂，形成結(jié)構(gòu)部分有序化，從而降低氧傳質(zhì)阻力和提高電極活性。在雙極板類型中，無孔碳板和金屬板工藝在國內(nèi)已成熟，加大力度對無涂層的不銹鋼板工藝進(jìn)行研究，薄金屬沖壓雙極板具有比功率高、成本低的優(yōu)勢。改進(jìn)流場結(jié)構(gòu)，提高電池性能，提高氧氣傳質(zhì)速率、排水效率，將電堆的工作電流密度由現(xiàn)在每平方厘米2安培提高為4~5安培，電堆成本由1000~1500元降為500~700元。
其次，在組裝燃料電池系統(tǒng)中，要使電堆在最適宜運行的條件下工作，電-電混合能控制燃料電池輸出功率，使其平穩(wěn)輸出，解決燃料電池響應(yīng)慢的問題，提升電池系統(tǒng)的可靠性和耐久性，降低研發(fā)和售后服務(wù)成本攤銷。
最后，突破關(guān)鍵材料和氫瓶瓶口閥等“卡脖子”核心零部件，提升核心技術(shù)創(chuàng)新能力，實現(xiàn)關(guān)鍵材料、關(guān)鍵部件國產(chǎn)化、批量化生產(chǎn)，顯著降低燃料電池系統(tǒng)成本。按美國能源部預(yù)測，實現(xiàn)燃料部件批量生產(chǎn)，達(dá)到萬輛級生產(chǎn)，電池系統(tǒng)成本可降低50%以上，這樣，到“十四五”結(jié)束，燃料電池發(fā)動機成本可降為每千瓦500元左右。
“我國氫能與氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)體系建設(shè)取得顯著成效，已建成涵蓋氫能制、儲、運、加全產(chǎn)業(yè)鏈體系，氫燃料電池汽車及關(guān)鍵零部件研發(fā)制造等各環(huán)節(jié)較為完善的產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈，正加速從技術(shù)研發(fā)向商業(yè)化發(fā)展階段邁進(jìn)?！边@是近日中汽數(shù)據(jù)有限公司在《氫能汽車藍(lán)皮書（2023）》（下稱《藍(lán)皮書》）發(fā)布會上透露的。
盡管我國各地陸續(xù)發(fā)布了上百份與氫能相關(guān)的規(guī)劃和政策，但氫能行業(yè)仍未形成統(tǒng)一有序的管理機制、自主可控的產(chǎn)業(yè)體系，面臨補短板、降成本等挑戰(zhàn)。多位專家表示，推動氫燃料電池汽車行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展任重道遠(yuǎn)，仍需行業(yè)各方共同努力，健全行業(yè)管理政策和標(biāo)準(zhǔn)體系，完善氫能供給體系建設(shè)，加強核心技術(shù)攻關(guān)，創(chuàng)新商業(yè)模式，推動氫能及氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。
核心技術(shù)創(chuàng)新加快推進(jìn)，牽引車和專用車成市場主流
近幾年，在“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)和國家氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)劃的推動下，我國氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)積極開展氫能技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)鏈布局和示范應(yīng)用。整體來看，我國氫燃料電池汽車呈現(xiàn)核心技術(shù)創(chuàng)新加快推進(jìn)、自主產(chǎn)業(yè)體系趨于完善、市場銷量快速增長、示范應(yīng)用車型向多場景拓展等趨勢。
“比如，燃料電池膜電極核心材料一直是我國氫能關(guān)鍵材料的短板，目前，國產(chǎn)質(zhì)子交換膜、催化劑和氣體擴散層技術(shù)指標(biāo)已能滿足車用燃料電池使用要求，處于有供應(yīng)能用向好用方向發(fā)展階段，以往核心材料嚴(yán)重依賴進(jìn)口的被動局面開始得到緩解?！敝衅麛?shù)據(jù)高級工程師王建建介紹，國產(chǎn)質(zhì)子交換膜和催化劑核心材料已基本實現(xiàn)自主化研發(fā)，部分技術(shù)指標(biāo)具備一定優(yōu)勢，并具備批量化供應(yīng)能力，并實現(xiàn)了多車型、多場景裝車應(yīng)用。尤其是隨著氫燃料電池城市群示范應(yīng)用政策的驅(qū)動，我國氫燃料電池汽車市場迎來快速增長。
值得注意的是，隨著車型供給結(jié)構(gòu)不斷豐富，牽引車和專用車成為市場主流。2022年以來，我國氫燃料電池汽車公告數(shù)量顯著增加，新增及變更氫燃料電池車型公告700余款，半掛牽引車、自卸汽車、冷藏車和環(huán)衛(wèi)車等車型的公告數(shù)量占比大幅增加。從2023年前三季度市場終端表現(xiàn)來看，氫燃料電池半掛牽引車、物流專用車、自卸汽車成為市場主流。
截至目前，我國氫燃料電池汽車應(yīng)用場景已從早期單一的公交領(lǐng)域應(yīng)用向城市公交、客運班車、城市物流、冷鏈運輸、渣土轉(zhuǎn)運、市政環(huán)衛(wèi)、倒短運輸、公務(wù)用車、共享出行等多場景應(yīng)用拓展，牽引、物流、環(huán)衛(wèi)、自卸等細(xì)分領(lǐng)域產(chǎn)品矩陣、噸位結(jié)構(gòu)、車輛用途進(jìn)一步豐富和完善。
受上述變化的影響，企業(yè)也積極布局，越來越多的整車企業(yè)開始不斷加快在氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的研發(fā)投入和市場推廣。近兩年，我國氫燃料電池汽車市場競爭加劇，福田、宇通、金龍、飛馳車企位居頭部，2023年前三季度，行業(yè)前五企業(yè)市場份額占比45%，市場集中度較2022年同期有所下降，市場初期成熟穩(wěn)定的競爭格局仍未形成。
政策環(huán)境仍需完善，終端用氫降本需求迫切
如今我國氫能及氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)尚處于發(fā)展初期，支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)性制度滯后，還存在非化工園區(qū)電解水制氫難、儲運壓力標(biāo)準(zhǔn)等級低、加氫站審批建設(shè)難、站內(nèi)制氫、車載氣瓶年檢難等問題和挑戰(zhàn)。
業(yè)內(nèi)人士分析，以加氫站建設(shè)審批為例，我國部分城市參照天然氣汽車加氣站管理模式，進(jìn)行了一些先行先試，但行業(yè)仍然缺乏統(tǒng)一、規(guī)范的加氫站建設(shè)和運營管理審批政策、工作流程。氫能產(chǎn)業(yè)供給側(cè)仍不能完全滿足需求側(cè)發(fā)展期望，產(chǎn)業(yè)發(fā)展形態(tài)和發(fā)展路徑尚需進(jìn)一步探索等，從各地發(fā)布的氫能產(chǎn)業(yè)引導(dǎo)性政策來看，普遍側(cè)重于發(fā)展可再生能源制氫、燃料電池和電解槽裝備，盲目跟風(fēng)、同質(zhì)化競爭和低水平建設(shè)苗頭有所顯現(xiàn)。
制氫方面，目前車用高純氫整體供應(yīng)不足，就連備受關(guān)注的“綠氫”在汽車上的應(yīng)用也極少，工業(yè)副產(chǎn)氫供應(yīng)穩(wěn)定性不能完全保障，部分區(qū)域存在有車無氫的局面；儲運方面，目前外供氫加氫站氫氣運輸以20兆帕長管拖車為主，單車實際卸氣量僅為250千克，運氫效率低、成本高，當(dāng)運輸距離為100~150千米時，運輸成本在10元/千克左右，隨著運輸距離增加，長管拖車運輸成本逐漸上升，需要突破運氫壓力等級限制，提高單車運氫量；加氫站建設(shè)和運營方面，加氫站真正高效穩(wěn)定運行仍面臨較大挑戰(zhàn)。2023年以來，我國加氫站建設(shè)和投運進(jìn)度放緩，已建成加氫站空間分布不均、投資建設(shè)成本高、車站協(xié)同較差、加氫便利性低，良性的市場化運作模式尚未形成，部分區(qū)域存在加氫站利用率不高，面臨有站無車、運營困難的現(xiàn)實問題。
“在非示范城市群無補貼的情況下，終端加氫價格甚至在60~70元/千克，運營成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于純電動車和燃油汽車?！睒I(yè)內(nèi)人士介紹。
整體來看，目前，我國氫燃料電池汽車市場仍處于商業(yè)化初期階段，氫燃料電池汽車保有量僅為新能源汽車保有量的千分之一，產(chǎn)業(yè)規(guī)模還比較小，規(guī)模效應(yīng)帶來的降本效益不夠突出。
以購置成本為例，氫燃料電池汽車雖已進(jìn)入應(yīng)用成本快速下降期，但當(dāng)前超過百萬元的車輛購置成本較傳統(tǒng)燃油商用車甚至純電動車型仍然偏高。
“因此，要實現(xiàn)無補貼的氫燃料電池汽車商業(yè)化運行，必須大幅度降低供氫成本和氫燃料電池系統(tǒng)成本，進(jìn)而降低氫燃料電池汽車運行成本。”中國工程院院士衣寶廉說。
融入“雙碳”戰(zhàn)略，強化核心技術(shù)創(chuàng)新
作為新質(zhì)生產(chǎn)力的典型代表，我國氫燃料電池汽車該如何在新征程上實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展？
《藍(lán)皮書》建議，首先要強化頂層設(shè)計，創(chuàng)新體制機制。在國家層面，要加強引導(dǎo)，持續(xù)完善頂層設(shè)計，加快管理創(chuàng)新和政策創(chuàng)新，明確氫能產(chǎn)業(yè)監(jiān)管體系和責(zé)任部門，優(yōu)化氫項目規(guī)劃、立項、審批等管理工作流程，消除制約氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展的堵點和卡點。與此同時，引導(dǎo)地方有序建設(shè)氫能及氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)集群，探索符合本地資源稟賦、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和市場需求的氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)，避免盲目投資和低水平項目重復(fù)建設(shè)。
科技是第一生產(chǎn)力，科研成果只有落地應(yīng)用，才能真正產(chǎn)生價值?！端{(lán)皮書》指出，把科技創(chuàng)新作為推動氫能產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的主要動力，聚焦氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈薄弱和短板環(huán)節(jié)，切實形成產(chǎn)學(xué)研用創(chuàng)新體系，發(fā)揮企業(yè)的創(chuàng)新主體作用，發(fā)揮高校及科研院所在創(chuàng)新體系中的作用，開展以市場需求為導(dǎo)向的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究。依托行業(yè)骨干企業(yè)、科研機構(gòu)與高校，聯(lián)合組建氫燃料電池汽車關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)平臺和攻關(guān)體，建立更加完善協(xié)同高效的創(chuàng)新體系。
新質(zhì)生產(chǎn)力的發(fā)展還需要應(yīng)用場景、市場需求的緊密結(jié)合。唯有如此，才能用規(guī)?；膽?yīng)用帶動產(chǎn)業(yè)提質(zhì)降本?！端{(lán)皮書》指出，今后，要以用車場景需求為導(dǎo)向，挖掘氫燃料電池汽車多元場景應(yīng)用潛力。在工業(yè)副產(chǎn)氫富集的石化化工、冶金產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)加快推進(jìn)中重型氫燃料電池汽車規(guī)?；痉稇?yīng)用，重點挖掘化工產(chǎn)品、鋼材、煤炭等各類重載貨物運輸場景；積極建設(shè)跨省、市的高速氫動走廊，加氫價格互惠互利，保障氫燃料電池汽車跨區(qū)域通行運營。
“最后，不容忽視的是，要發(fā)揮氫能在汽車領(lǐng)域示范應(yīng)用的先行引領(lǐng)作用和減排效應(yīng)，就必須積極融入‘雙碳’，完善配套生態(tài)體系?！薄端{(lán)皮書》強調(diào)，比如，積極開展氫燃料電池汽車“綠氫”溯源認(rèn)證、示范應(yīng)用碳足跡追蹤、生命周期碳排放核算和節(jié)能減排評價體系建設(shè)，支持應(yīng)用減排量納入溫室氣體自愿減排交易市場，形成對車輛應(yīng)用的經(jīng)濟性補償。
多位專家表示，未來，隨著可再生能源制氫規(guī)模擴大，氫燃料電池汽車的節(jié)能減碳潛力將進(jìn)一步釋放，可有效帶動氫能在交通、工業(yè)、能源、電力和建筑等多場景應(yīng)用，全面提升氫能產(chǎn)業(yè)的綜合競爭力，對于實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)和應(yīng)對氣候變化具有重要的戰(zhàn)略意義。
