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氢燃料电池客车发展的五大挑战

作者:华一汽车科技    来源:www.itas-hk.com    发布时间:2018-09-12 11:29    阅读:

与传统动力汽车相比,氢燃料电池利用化学反应为汽车提供电能,动力显得更持久,能效更高。
 
氢燃料电池
 
氢燃料电池汽车产业化最适合率先从商用车燃料电池技术起步,商用车燃料电池产业细分领域下最先迈出实质性步伐的是燃料电池客车。
 
目前国内已经有多家整车厂商推出氢燃料电池客车,分别是北汽福田、宇通客车、佛山飞驰、申龙客车、青年客车等。
 
但氢燃料电池客车从整个产业链来看,还是有很多技术难题需要攻克,但最大的挑战还是在于整车成本。
 
那么目前氢燃料电池客车还面临着那些挑战呢?
 
挑战一:高昂的燃料电池系统的成本
 
燃料电池系统的生产成本过高。目前燃料电池系统占整车成本的65%左右,而电堆成本又超过电池系统的60%,其中质子交换膜、铂催化剂等都造价不菲。
 
此外氢气容易渗漏,对密封性要求极为严格,维护困难、启动需要预热时间等都影响了燃料电池的商业化进程。
 
氢燃料电池电堆成本下降空间主要来源以下几方面:催化剂、质子交换膜、双极板。
 
催化剂:目前主流是用贵金属铂,由于铂资源稀有导致成本高。解决办法一方面提升铂镀层技术、减少铂用量;另一方面是研发新型催化剂代替,如今所有的替代品都处于实验阶段,还没有有效可靠的解决方案。
 
质子交换膜:质子交换膜具有足够高的机械强度和结构强度,以及膜表面适合与催化剂结合等性能。达到燃料电池汽车质子交换膜使用要求的目前只有美国杜邦公司的Nafion质子交换膜等少数几家公司的高端产品。中国国内装配燃料电池所用的质子交换膜主要依靠进口。
 
双极板:目前石墨双极板是主流应用,加工成本高,约占双极板成本80%,同时加工时间长,限制了大规模供应。
 
但随着关键材料国产化和电堆体积功率的提升,电堆成本可以大幅度下降,将从2020年的1000元/kW降低到2030年的150元/kW。
 
另外燃料电池的辅助系统的批量制造,实现关键零部件包括空压机、增湿器的批量化,燃料电池系统的成本可以大幅度下降。
 
国家在节能与新能源汽车技术路线图里面,规划到2020年达到5000元/kW的成本,到2030年可以达到600元/kW。
 
挑战二:较高的车载氢系统成本
 
车载氢系统也是通过高度集成化和模块化设计,还有关键部件的规模化和国产化生产,2020年车载氢系统的成本可以从3000元/kg降低到2030年的1800元/kg。如果储存的氢气是1kg的话,整个车载氢系统的成本是1800元。
 
车载氢系统包括车载储氢系统,目前高压氢气罐仍是主流,一般有35Mpa和70Mpa,一般是由碳纤维复合材料组成的新型轻质耐压储氢容器:铝内胆外面缠绕碳纤维的材料。
 
但这类高压钢瓶的主要缺点是需要较大的体积和如何构筑理想的圆柱形外形;另外, 还需要解决阀体与容器的接口及快速加氢等关键技术。
 
因此高压压缩储氢容器还需要进一步发展。同时受限于氢气本身的密度,其储氢量很难大幅度的提高。
 
挑战三:制氢储氢运氢成本必须降低
 
国内氢气主要用于工业生产,交通用氢可忽略不计。氢能产业链主要包括制氢、储运和加氢等环节。
 
根据统计,国内纯度≥99%的氢气年产量约为700亿m3,其中90%从各类含氢气体中提纯获得,另有2%-4%通过电解水获取。
 
在氢气储存环节,主要方式有高压气态储氢、液态储氢和固态氢化物储氢。液态氢储罐和拖车已在国内制造并应用于航天领域,而管道氢气输送尚处于基础研究阶段。
 
总体而言,小规模储运有解决方案,但是规模化输送还不成熟,需解决提高密度、减少蒸发、降低成本等问题。
 
如果解决了制氢、储氢、运氢等环节的问题,氢气的成本自然会大幅度下降。目前最低是40元/kg,随着大批量规模化运氢,到2020年可以降低到20元/kg左右,最终可以降低到2030年的9元/kg以下。
 
挑战四:加氢站成本必须降低
 
截止到2017年12月,我国加氢站已有19座。国内外运行的加氢站,基本都采用的是现场制氢加氢模式,避免了输运环节诸多问题,也适应现阶段试点运行的少量需求。
 
国内加氢站建设成本超过1000万元(200kg/天,不含征地成本和补贴),现场制氢价格40-50元。
 
加氢站的成本非常高,并且最重要的就是关键零部件,比如氢气压缩机和加氢机,这些大部分是通过进口的,随着批量化和国产化可以大幅度降低加氢站的成本。
 
现在一般2t以上的加氢站成本可以在1000万元以上,2030年可以降到350万元。
 
挑战五:氢燃料电池客车营运成本必须降低
 
如果氢燃料客车在营运过程中,其营运成本比插电式混合动力客车和纯电动客车都高,那谁还愿意购买氢燃料电池客车?
 
即便氢燃料电池客车(如12m)的整车成本降低到60万元,但营运成本很髙,那谁又用得起?因此,必须降低氢燃料客车的营运成本也是面临的最大挑战之一。
 
市场调研数据表明,就插电式混合动力、纯电动和燃料电池车的运营成本来看,插电式混合动力的百公里油耗是15L,电耗是66度电/100km,氢耗是7.5kg/100km。
 
随着氢耗、油耗和电耗的降低,成本都会降低,但是降低幅度最快的是燃料电池的运营成本,最终燃料电池的运营成本是可以降低到0.5元/km。
 
未来如果燃料电池车大批量推广应用,它的运营成本到底能不能降到比现在纯电动的运营成本还低?经过专家测算,这个成本是可以达到的,时间其实可以随着技术的加快而提前。
 
专家预估到2030年,其成本比国家节能与新能源汽车技术路线图里面的规划低,最终随着氢耗和氢气成本的降低,氢气燃料客车的运营成本可以降到比纯电动还低,不过需要相当长的一个时间过程。

 

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