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    燃料電池為什么在中國不能成為車用動力的主流?

    發布日期: 2019-03-11
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    一,燃料電池系統的意義

     燃料電池系統并不是這兩年才開始熱起來的,我國在2008年就開始了氫燃料電池汽車的示范運行。在美國,氫燃料電池更是與鋰電池技術呈螺旋式的交替發展,這與政治環境密不可分——*政府時期就曾大力推動「氫經濟」,促進了當時的氫燃料電池技術的發展,通用在2002年推出的Autonomy自主魔力概念車曾轟動一時,其動力系統就是氫燃料電池,這一趨勢直到2008年奧巴馬政府才被暫停,轉回了純電動的推進路線。

     在日本,在「氫能社會」的國家戰略下,氫能建設與燃料電池汽車的發展更是如火如荼,由于燃料電池汽車和混合動力汽車技術的相似,也由于燃料電池的上游產業實力,日本在產業端有著強大的優勢;另一方面,氫能作為重要的「二次能源」,無論是中東的石油、澳大利亞的煤礦還是日本海的風都可以轉化為氫氣,這對于多元化日本的能源進口結構有著重要的意義,在福島事故之前更是與核能發展路線能夠相輔相成,因此上升到國家戰略并不為怪。

     氫能從來不是「終ji能源」,但它「二次能源」的意義不僅對于日本,對于中國、美國也是一樣的能源意義。而在應用端,燃料電池不僅可以車用,在軍事領域同樣有著極大的潛力:無人機、潛艇、坦克等載具使用燃料電池相較于發動機可以降低噪音和熱源,相較于鋰電池極大提升續駛里程;現代化單兵作戰電源的使用中,燃料電池同樣為可能的長續航能源;在分布式發電的場景,燃料電池同樣可以承擔和柴油機相似的作用,并且有著更低的噪聲、振動和污染。

     所以,僅「能源多樣化」和「技術儲備」兩點,就足以支撐燃料電池和氫能產業的發展意義。

     二,燃料電池在交通領域的定位

     那么我為什么說「在中國燃料電池在交通領域是次要的地位,而不是(能)替代純電動車?」

     還是先來看美國和日本,美國在特朗pu政府治下對新型能源并不感冒,這背后一個重要的原因是美國的能源結構已然悄然發生改變——隨著頁巖油頁巖氣的大發現和開采技術進步,美國已經成為了能源輸出國,能源安全問題相較于日本、歐洲、中國而言,并不急迫。而日本則是強力推動燃料電池汽車發展,原因在上一段提到了,與此同時,民用發電燃料電池、軍事用途燃料電池等等用途加在一起,規模和汽車產業比起來都太小了,燃料電池汽車的量可以帶動整條氫能產業鏈的技術發展和成本下降。從這個角度看,汽車無疑是值得投入的工業。事實上,日本用汽車來拉動技術的嘗試已經成功了多次,近的一次,就是1997年問世的現代混合動力汽車*——代Prius。Mirai就是新的Prius:一方面賠本賺吆喝,另一方面開放專li力邀*加盟。

     而對于中國來說,與純電路線對比,燃料電池缺少了產業基礎和自主技術的支撐。我國與日美相比,燃料電池系統中關鍵的電堆、空壓機,以及電堆的關鍵零部件膜電極,均依賴進口;儲氫瓶技術僅可以自主化生產35MPa儲氫氣瓶,70MPa儲氫氣瓶未能自主化;運氫技術未能突破液氫運輸與管道運氫,仍需拖車運輸高壓氣瓶;加氫站設備同樣依賴進口。一方面,整條產業鏈的落后凸顯了亟需對該領域的投入;另一方面也反映了相較于日本,我國缺少氫能工業稟賦,在起跑線上已經落后,所需投入更巨。

     但燃料電池技術的用武之地與純電動并不完全重合。除了無人機/分布式發電等等場景之外,在交通領域,中重載卡車的應用場景純電動還無法勝任,續駛里程和充電時間的限制,使得純電動重卡并不是一個現實的命題。而燃料電池恰可以承擔這樣的角色。其他諸如城際長途客運、叉車等場景,同樣更適合使用燃料電池。燃料電池系統更像開放式的內燃機系統,或者更具體一點,它更像柴油機系統。這也是濰柴、東風等商用車廠商大力投入燃料電池的原因。

     所以從需求端來看,燃料電池技術的主要應用場景是中重載卡車、長途客車,乘用車領域是大型乘用車。與純電動車的場景并不沖突,“替代”無從談起。

     三,燃料電池的應用場景

     未來十年,燃料電池汽車會在哪些地方興起呢?上一節已經談了需求端,也就是什么樣的車型和載具可能使用燃料電池。這一節再談談供給端,說說什么樣的場景下適合使用燃料電池。

     談這個問題前,先要說說目前燃料電池汽車的局限。上一節中已經談到我國的氫能產業技術較為稚弱(雖然已經在加速發展,并且涌現出了一些自主技術與公司),與此同時,很多應用場景同樣受到限制。比如現實的問題:氫從哪里來?

     氫氣的制備方式很多樣,包括化石燃料制氫、煤制氫、電解水制氫、氯堿工業副產氫等等。但是這些方式并不完全適用于燃料電池汽車的氫氣制備,比如天然氣制氫和電網電解水,可以說是對能源增加了一重浪費。

     那么什么樣的氫能適合呢?氯堿工業副產氫,煤制氫,無法上網的可再生能源制氫。

     從產能角度看:

     · 我國是氯堿工業大國,統計數據顯示,2017年中國燒堿產量3365.2萬噸,而每生產1噸燒堿約副產280立方米(約合0.025噸)氫氣。換言之,中國的氯堿工業每年可以生產出至少85萬噸氫氣,這些氫氣可以讓10萬輛Mirai加氫每輛車加氫1700次,奔跑85000公里。

     · 煤制氫的產能不需多說。

     · 我國的可再生能源無法上網的「棄風」「棄水」「棄光」均為百億kWh的量級,盡管逐年上網率在提升,仍是巨大的數字。

     但這些也是看起來美好。

     一,燃料電池需要的氫氣純度*,一般認為需要「四個9」以上,即純度大于99.99%,上述途徑得到的氫氣都需要進行純化,特別是煤制氫得到氫氣純度較低,如直接使用會導致燃料電池催化劑中毒,這意味著制氫成本的增加。

     二,氯堿工業和可再生能源均有著明顯的地域特征,氯堿工業集中在華北華東部分省份、可再生能源集中于西北西南地區,但是氫能運輸能力有著極大的限制:目前僅有的拖車運氫超出200公里的半徑就已經并不經濟。這意味著目前氫能的使用將被局限在部分地區。

     因而氫燃料電池的使用場景進一步受到了限制:從供給端看,短中期內氫燃料電池商用車的應用場景,或是上述富氫地區的區域內應用;或是公路運輸主干線的應用(如北京-武漢-廣州這樣的公路運輸大動脈)。

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