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国内氢能源产业发展的观察与思考


氢燃料电池在20世纪60年代已经成功的应用于航天领域[2],并取得了重大的成功。它的优点很明显,就是体积小、容量大、没有污染零排放。和普通的化学电池相比,燃料电池需要补充的是氢气。跟电动汽车相比,氢燃料电池汽车要更方便。因为它补充燃料的时间也就需要3~5 min,不像电动汽车充电需要几个小时,哪怕最快的充电速度也需要半个小时以上。氢燃料电池的使用原理是通过催化将氢气转化成氢离子,然后将氢离子和电子作为正负极,其中的电子将会作为动能使用,而氢离子则和氧气结合消耗成为水。经过实验发现,这种氢能源的转化率比燃油车高出一倍之多,达到了70%左右。其电池的主要成分为氢气和氧气,而燃烧之后产生的化合物为纯水,所以在理论上来看,氢燃料是非常适合作为新能源汽车能源的。
当前,国际上在氢燃料电池汽车领域处于领先水平的是日本的丰田、本田以及韩国的现代,主要集中在乘用车领域,但同样处于示范运营阶段,没有大规模推广。作为氢能源践行者之一,丰田所量产的第一辆氢燃料电池车Mirai,就可以做到加氢5 min,续航突破700 km的需求,而且日本至今位置已经建立了至少90座氢气站。
聚焦国内市场,我国20世纪50年代就形成了以大学研究院为主体的氢能源燃料电池研发机构,为汽车应用打下了一定基础,部分企业开发的氢燃料电池汽车已经陆续在奥运会、世博会期间试运行。在乘用车领域,上汽集团推出了荣威950插电混动燃料汽车,长城汽车此前也收购了上海燃料电池汽车动力系统有限公司51%的股权,并计划在2022年推出首款氢燃料电池汽车;在商用车领域,宇通和福田的氢燃料电池客车已经得到实际应用,中国重汽也研制出了3款氢能源燃料车型。
近几年,为支持燃料电池汽车的发展,国内在科技专项、创新工程等方面进行了重点布局。国家在政策层面对氢能源燃料汽车给予了大力支持[3]。2018年2月,财政部、工信部、科技部和发改委4部委联合发布的《关于调整完善新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》规定,燃料电池汽车补贴标准不变,是新能源汽车中唯一一种到2020年享受补贴不退坡的优惠政策车型,同时地方单车补贴额不超过国家单车补贴额度的100%。燃料电池汽车统计数据表明,目前国内累计推广应用的燃料电池汽车已经达到2 000多辆,投入运行加氢站12座。
然而,这些加氢站主要是为研发型及示范性汽车提供加注服务,无法有效普及。根据中国汽车工程学会2016年10月26日发布的《节能与新能源汽车技术路线图》中的数据,2030年中国燃料电池汽车的规模将达到百万辆,市场增长潜力巨大。
1 发展中遇到的问题及解决方案
氢燃料电池的其中一个关键难题是燃料电池铂电极的一氧化碳“中毒”问题。当下,氢主要来源于甲醇和天然气等碳氢化合物的蒸汽重整和水煤气变换反应,由此产生的氢通常含有0.5%~2%的一氧化碳。作为氢燃料电池汽车的“心脏”,燃料电池铂电极容易被一氧化碳杂质气体所“毒害”,导致电池性能下降和寿命缩短,严重阻碍氢燃料电池汽车的推广。此外,现有的催化剂只能在高于室温和极窄的温度范围内工作,使得氢燃料电池汽车无法在频繁冷起动期间得到有效保护,很难步入实用。
针对这一问题我国也有解决的方案,据《科技日报》报道,中国科学技术大学路军岭的韦世强教授、杨金龙教授等课题组密切合作,研制出一种新型催化剂,攻克了新能源汽车氢燃料电池汽车推广应用的关键难题:解除氢燃料电池一氧化碳“中毒休克”危机,延长电池寿命,拓宽电池使用温度环境,在寒冬也能正常起动。该研究使氢能源汽车有望民用推广,成果于2019年1月31日发表在国际权威学术期刊《自然》中[4]。此次我国科研团队的研究成果攻克了这一世界难题,大大提高了氢燃料电池投入普及使用的速度,或再掀起市场对于该题材的关注热度。
就目前我国氢燃料电池汽车发展相对缓慢且不均衡的问题,应加强氢能源基础设施尤其是加氢站的建设发展,理顺整个氢燃料电池汽车产业生态链,以此推动我国氢燃料电池汽车产业健康、快速发展。加大加氢站补贴力度,制定相关政策,聚焦车用氢燃料电池关键核心技术以及制氢、储氢和加氢等核心技术的研发;细化氢能源技术标准并出台相关政策,明确加氢站建设及运营监管的相关制度;加强顶层设计,统一规划全国加氢基础设施;降低审批难度,整合优质资源,鼓励多方合作,统一规划我国氢燃料电池汽车基础设施建设,形成具有国际竞争优势的战略布局,促进氢能源产业上下游产业链全面发展。
现有的氢燃料电池,它存在的问题无非就是储存能力和稳定性。因为氢燃料需要在低温或者高压条件下储存或者运输,而且它的安全性也比较难控制,这也是其发展缓慢的重要原因。另外一个原因就是成本的问题,可以认为这是很多新能源的通病,研究缓慢,投资较大,产品减少,成本太高,市场较小。
2 氢燃料电池发展遇到的困难
氢气的来源主要是人们通过电解水来进行获取,或者通过甲烷转化氢气。但是它们的效果都不理想,而且设备比较复杂,投资比较大,所以就导致加氢站成本比较昂贵。虽然电动汽车充电慢,但是充电桩的建设与加氢站昂贵的制造成本和复杂的工艺相比,时间问题就显得不是那么重要了。氢燃料电池目前有很多突破性的创新和专利,且具备空气污染较小、技术相对成熟等优势,但成本居高不下还是制约了其发展进程。中汽协秘书长助理许海东表示,“一旦成本问题得到有效解决,未来氢燃料电池技术将成为新能源汽车产业发展的重要支撑[5]”。各国对氢燃料汽车的研究都没有停止,我国也是一样,对氢燃料电池汽车应该充满信心,充能时间短、行驶距离长、更加环保,这也是人们不会放弃它的原因。
新常态背景下,氢能源可能成为下一代的基础能源。到2020年,氢燃料电池技术将进入示范应用阶段,并于2030年实现大规模的推广应用。从目前的形势上看,氢燃料电池技术尚处于成本较高、基础设施配套不完善、环境污染相对较大、制氢能耗较高的一个发展状态。但是,在全球化技术的推动下,氢燃料电池技术开始与时俱进,不断发展,给石化行业带来了新的挑战与机遇,并一跃成为战略性新兴产业之一。因此,新能源汽车的发展要想从本质上提升一个台阶,就需要将轻量化材料和高端化材料开发融入到新能源汽车的产业链发展中,在良好的协同下,秉承科学发展观的主要思想,保证氢燃料电池技术的可持续发展。
3 结束语
在未来以分布式为主、零排放为特征的能源主体架构中,氢燃料电池汽车会与纯电动汽车长期并存、互补,共同满足交通运输和人们出行的需要。随着基础设施逐渐完善,以及技术不断提升,具备高效率、低污染和长续航等优势的氢燃料电池汽车将得到快速发展[6],并最终成为新能源汽车产业不可或缺的一部分。

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