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儲運掣肘燃料電池汽車的發展

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2018年07月10日  

燃料電池汽車一直被很多專家認為是新能源汽車的終級解決方案,原因在于,燃料電池汽車具有效率高、噪音低、無污染物排出等優點,是真正意義上的高效、清潔汽車。但是,相比純電動汽車,燃料電池汽車在我國的推廣應用情況并不理想。

最近,一直較為沉寂的燃料電池汽車忽然“火”了起來,不僅政府部門強調要大力發展,不少車企也在這一領域加緊布局,圍繞其召開的各種論壇更是接踵而至。不過,燃料電池汽車是否真迎來了發展機遇期?它會是清潔能源汽車發展的另一風口嗎?與燃料電池汽車密切相關的各項技術、各個環節是否足以支撐其發展?對于上述這些問題仍需探討。就此,本報將從儲能、燃料電池技術、加氫站建設、示范運營等方面進行系列調查和報道。

在純電動汽車產銷量上,我國排名世界第一,但被認為是新能源汽車終極方向的燃料電池汽車推廣卻甚是緩慢。不得不承認,現階段,燃料電池汽車的推廣應用仍有不少阻礙因素,其中作為源頭的氫能便是其中之一。氫能的阻礙作用體現在哪里?中關村儲能協會顧問貢力說:“如今制氫不是難題,制約燃料電池汽車發展的是氫氣的儲存與運輸。”同濟大學校長助理、智能型新能源汽車協同創新中心主任余卓平日前也指出,能源戰略一旦明確,解決儲能與運輸問題,將來燃料電池技術會進入非常快的發展期。

氫能供給不再是難題

“目前我國有充足的廉價氫燃料供給。”中國工程院院士、中國科學院大連化學物理研究所研究員衣寶廉近日指出,我國工業副產氫的年產量可供幾百萬輛氫燃料電池汽車使用。同時,我國可再生能源氫資源相當豐富,通過電解水技術利用棄水、棄風、棄光資源,每年約可以制備300萬噸氫。

目前,氫氣的來源非常廣泛,歸結起來,主要有化工尾氣回收、天然氣制氫、煤制氫、甲醇制氫和電解水制氫等幾種方式。“燃料電池汽車興起之后,人們不斷探索多種制氫方式。”北京低碳清潔能源研究所氫能研發部經理何廣利告訴記者。

不過,記者同時了解到,理論上,氫能儲備非常充足,但從幾種主要的制氫方式來看,技術仍不完善,氫能供給體系也不穩定。何廣利告訴記者,分析幾種制氫方法,從工藝成熟度及成本來說,各有其優劣勢,但綜合來看,傳統的煤制氫仍是現階段主流方式。

舉例來說,目前我國工業用氫氣制取技術相對成熟,但與之對應的燃料電池用氫氣純化技術發展滯后。氣體設備網技術顧問張強說:“純度為60%~80%的氫氣習慣上稱之為化工氫。但化工氫不能直接使用,一般都需要提純,提純成本與氣體廠采用的工藝有直接關系,最后的銷售價格大約為1.7元/立方米,如果不是大規模采購,價格會超過2.7元/立方米。”從價格來看,化工氫雖然便宜,但加上提純費用,成本會陡然提高。而從數量上看,即便100%回收化工尾氣中的氫,數量也有限。

化工制氫的局限性引導科研人員把目光瞄向新的制氫方法,這其中就包括甲醇制氫。近年來,甲醇制氫的被重視促使甲醇燃料電池汽車在部分領域得以推廣。不過,四川亞聯高科技股份有限公司董事長王業勤同時強調:“甲醇制氫的成本大約為1.8元~2元/立方米,雖說成本不算高,但甲醇的最大用途是生產聚丙烯,用于制氫的甲醇數量占比很小。”

相對而言,電解水制氫更受歡迎,因為我國棄水、棄風、棄光資源非常豐富,也因此,電解水制氫在燃料電池發展中被認為是最有前途的制氫方法。據了解,通過電解水獲得的氫氣純度高達99.999%,不需要再次提純,可以直接供應燃料電池汽車使用。

不過,目前電解水制氫的技術還有待提高,成本較高,還難以大規模運用。何廣利說:“制取一立方米氫氣大約需要4.8~5度電,即便用谷電制氫,最終成本也在3元/立方米左右。”張強告訴《中國汽車報》記者,電解水制氫還有一個問題不能忽視,隨著時間推移,電解池的電阻會升高,電解氫的耗電量會增加,導致成本再次上升。

“目前來看,受技術所限,化工尾氣回收、電解水制氫等方式都無法實現大規模工業化生產,無法滿足燃料電池汽車的需求。天然氣制氫可以實現大規模工業化生產,但天然氣價格波動劇烈,對企業制氫有較大影響。”何廣利說,“煤制氫仍是當下主流制氫方式。煤制氫的工藝成熟,成本也最低,大約為1.1元/立方米。”

總體來看,目前制氫途徑并不少,能源供給也足以推動燃料電池汽車的發展。但從工藝和成本上看,我國氫能供給體系不完善,氫能供給技術體系也還沒有形成。為此,有專家提議,我國需加快制定氫能供給技術研發支持計劃,堅持企業作為創新主體,多種技術路線共同發展。

儲存和運輸是一大難題

與氫氣的供給相比,儲存和運輸問題更為嚴重。衣寶廉認為,產氫與用氫不在同一地方,將廉價的副產氫和棄風等電解水制氫的氫儲存和運輸到用氫地點——加氫站,是燃料電池車大規模示范的關鍵環節。目前,我國氫氣儲存和運輸技術仍不足,存儲和運輸企業較少,氫氣制備及加注企業的產業化水平低。

從技術角度看,目前工業上主要采用-253℃下的液態氫,或700個大氣壓以上高壓氫氣進行氫能源的存儲和運輸。對于液態氫來說,由于氫氣的熔點很低,實現氫氣的液態化很難,從經濟角度看,儲存和運輸液態氫并不劃算。另外,液態氫會“吸收”金屬容器生成氫化物,降低氫氣的純度。近年來,科研人員發明了化學儲氫方法,即讓氫氣存儲于化學物質中,或者與某種物質進行化學反應,需要使用時通過加熱或者利用隔膜提取出來。

不過,現有技術成本高且存在安全隱患,是氫能源利用技術中的一個關鍵瓶頸。何廣利說,上述兩種儲存與運輸方法都有一定的局限性,目前,氫氣儲存與運輸還是主要采用700個大氣壓以上加壓的方法,但即便加壓,容器中氫氣重量也非常有限。據介紹,一輛載重35噸的氫氣運輸車,其容器中氫氣的重量只有幾百公斤。

另外,為了保證氫氣運輸安全,壓力容器必須很牢固,因此,容器重量遠超過氫氣重量。“為了保證氫氣運輸安全,我國規定運輸氫氣的壓力并不太大,壓力低儲存量就少。綜合起來,氫氣儲存和運輸成本約為9元/立方米,遠超過制氫成本。”何廣利說。

電解水制氫運輸和儲存難度更大。貢力說:“利用風能和光能電解水制氫實現了能源的循環利用。但是,我國風電場、光電場大多數在西北地區,儲存與運輸的問題更為嚴重。”

除此之外,由于技術所限,我國目前存儲和運輸企業還很少,遠沒有形成產業化規模。有專家表示,我國需要加快培育氫氣存儲和運輸企業,實現從制氫到儲存、運輸整個產業鏈的協同發展。

技術與國外差距明顯

“從制氫技術來看,我國與日本、美國沒有太大差距。”何廣利說,但在儲氫與運輸技術上仍有一定差距。

以儲氫技術為例,容器壓力的大小決定容量的大小,壓力越大,存儲量也就越大。目前,我國普遍采用35兆帕壓力標準,而日本、美國則采用70兆帕壓力標準。何廣利說,我國目前也在研究70兆帕壓力標準。

另外,從存儲設備來說,目前日本、美國普遍采用四型瓶裝載氫氣。四型儲氫瓶具有重量輕、循環壽命長、成本低等優點,但缺點是氣密性較差。我國曾經在CNG公交車上使用過四型儲氣瓶,但發生過泄漏事故,而后被禁止使用。此后,我國CNG以及燃料電池汽車都改用三型儲氣瓶,三型儲氣瓶雖不易泄漏,但卻較重,循環壽命短,成本也較高。“四型儲氣瓶被禁止使用后,國內企業在這方面的研究幾乎是空白。”何廣利說,“近年來,國內企業又逐漸認識到四型瓶的優勢,也在加強這方面研究。”

總之,我國在氫能的存儲和運輸上與國外差距還比較明顯,但存儲和運輸恰恰是制約燃料電池汽車發展的基礎和關鍵環節。對此,有專家指出,推動燃料電池汽車的發展,保障燃料電池汽車所需的氫能供給,我國需要加強頂層設計,制定國家氫能產業發展指導意見。在此基礎上,完善氫能技術研發、產業化及示范應用等支持政策措施,從而形成有力的支持政策體系。

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