鉅大LARGE | 點擊量：718次 | 2021年10月19日
多視角下我國氫能與燃料動力電池電動汽車發(fā)展研究
0、引言
世界汽車強(qiáng)國均把氫能和燃料動力鋰電池汽車作為一個重點發(fā)展方向。
日本把氫能作為能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要方向。2014年，提出建設(shè)“氫能社會”愿景，2017年公布《氫能源基本戰(zhàn)略》，致力于探索全球氫能供應(yīng)體系。日本政府對加氫站建設(shè)及運營、氫燃料動力鋰電池電動汽車等給予補(bǔ)貼，如，對氫燃料動力鋰電池客車的補(bǔ)貼為裸車價格的1/2，對出租車補(bǔ)貼為裸車價格的1/3，對家用乘用車每輛最高補(bǔ)貼225萬日元。
美國2017年公布《美國優(yōu)先能源戰(zhàn)略》，重點支持氫能與氫燃料動力鋰電池電動汽車前沿技術(shù)研發(fā)。2019年十一月，美國燃料動力鋰電池和氫能協(xié)會（FCHEA）公布《美國氫能經(jīng)濟(jì)路線圖》，提出2025年和2030年分別推廣氫燃料動力鋰電池電動汽車20萬輛和530萬輛的目標(biāo)。
歐盟先后公布《2020氣候和能源一攬子計劃》《2030氣候和能源框架》《2050低碳經(jīng)濟(jì)》等能源規(guī)劃，支持氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。2019年公布的《氫能路線圖》，提出了到2030年推廣氫燃料動力鋰電池電動汽車424萬輛、建成加氫站3000座的目標(biāo)。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
我國于20世紀(jì)50年代開始燃料動力鋰電池研究，“十五”到“十三五”持續(xù)4個五年計劃支持氫能及燃料動力鋰電池電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展。目前雖已初步掌握關(guān)鍵材料、部件及動力系統(tǒng)部分核心技術(shù)，但仍面對某些關(guān)鍵核心部件“卡脖子”、標(biāo)準(zhǔn)體系不完備等一系列問題。
為使氫能與燃料動力鋰電池電動汽車能夠在我國健康有序的發(fā)展，本文系統(tǒng)梳理了國外氫能與燃料動力鋰電池電動汽車發(fā)展情況，以期為國內(nèi)發(fā)展供應(yīng)借鑒。在此基礎(chǔ)上，梳理了當(dāng)前我國氫能與燃料動力鋰電池電動汽車發(fā)展情況，并進(jìn)一步從政策、經(jīng)濟(jì)、排放、安全視角探索燃料動力鋰電池電動汽車的發(fā)展趨勢，系統(tǒng)科學(xué)的提出我國氫能與燃料動力鋰電池電動汽車的發(fā)展建議。
1、國外氫能與燃料動力鋰電池電動汽車相關(guān)相關(guān)經(jīng)驗借鑒
1.1氫能、燃料動力鋰電池電動汽車戰(zhàn)略及發(fā)展目標(biāo)
世界重要國家均制定氫能與燃料動力鋰電池電動汽車的發(fā)展戰(zhàn)略并細(xì)化發(fā)展目標(biāo)，如表1所示。
1.2、氫能供應(yīng)體系和建設(shè)情況
氫能供給體系涉及制備、儲運和加注三個重要環(huán)節(jié)，是影響氫燃料動力鋰電池電動汽車使用便利性和經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素。
在制氫方面，國際上重要采用煤及天然氣制氫、副產(chǎn)氫純化制氫和可再生能源電解水制氫等方式，其中，利用風(fēng)電、太陽能、生物質(zhì)等可再生能源電解水制氫是各國重點發(fā)展方向。日本目前考慮使用澳大利亞等國廉價褐煤在當(dāng)?shù)刂茪浜筮\回國內(nèi)，未來將采取可再生能源電解水制氫。
在儲運方面，國際上氫氣儲運方式包括長管拖車氣態(tài)儲運、液氫罐車儲運和管道運輸?shù)?。其中，長管拖車氣態(tài)儲運技術(shù)最為成熟，是近距離儲運的重要方式。液氫罐車儲運是更大規(guī)模加氫站(特別是商用車)燃料補(bǔ)給的重要方向，在遠(yuǎn)距離（500公里）輸送時具備經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。管道運輸成本低、運量大，適合大量氫氣需求場景，但初期投入大。液氫罐車和管道儲運已在美國和歐洲小范圍應(yīng)用。
在加氫站方面，截止2019年底，全球共建成432座加氫站，其中歐洲177座，亞洲178座，北美74座。從類型上看以氣氫加氫站為主，加注壓力多為70MPa，液氫加氫站約占30%，重要分布在美國和日本。建站方式正由單一加氫站向加氫/加油（氣）、加氫/充電等合建站方向發(fā)展。
1.3、氫燃料動力鋰電池電動汽車技術(shù)研發(fā)情況
豐田、本田、現(xiàn)代、奔馳等汽車公司已公布燃料動力鋰電池乘用車量產(chǎn)車型，基本突破關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，關(guān)鍵材料、部件初步具備批量生產(chǎn)與供應(yīng)能力，整車動力性能、續(xù)駛里程、壽命和環(huán)境適應(yīng)性等接近傳統(tǒng)燃油車水平。
2018年開始，豐田、現(xiàn)代、尼古拉等公司加快燃料動力鋰電池商用車應(yīng)用研究。在燃料動力鋰電池電堆方面，除豐田、現(xiàn)代采用金屬板外，其他公司大多采用石墨雙極板，系統(tǒng)功率均在100千瓦以上，車載儲氫系統(tǒng)多采用35MPa儲氫瓶，但仍面對成本高、電堆壽命短等瓶頸問題。商用車技術(shù)接近實際運營需求。
1.4、氫燃料動力鋰電池電動汽車推廣應(yīng)用情況
乘用車是前期氫燃料動力鋰電池電動汽車的重要發(fā)展方向，但近年來動力鋰離子電池技術(shù)進(jìn)步和成本下降明顯，導(dǎo)致氫燃料動力鋰電池乘用車的購置和使用成本與純電動汽車相比均不具備優(yōu)勢，推廣總量有限。截止到2020年五月，全球重要國家的燃料動力鋰電池電動汽車銷量如圖1所示。
由圖可知，相比2018年，全球燃料動力鋰電池電動汽車2019年呈迅速上升趨勢，2020年1-五月銷量已接近2017年全年的銷量水平。燃料動力鋰電池電動汽車銷量按國家排名，如圖2所示。
由圖可知，美國燃料動力鋰電池電動汽車推廣量最多，緊接著是韓國、我國和日本。重要車型有豐田Mirai、現(xiàn)代Nexo和本田Clarity，其中豐田Mirai銷量全球占比超過70%。燃料動力鋰電池客車尚處于技術(shù)示范和驗證階段，推廣不足百輛。
1.5、氫能安全問題借鑒
氫氣在常溫常壓空氣中的燃燒范圍為4-75%（V/V），泄漏氫氣在空間中擴(kuò)散積聚達(dá)到一定濃度，遇到點火源就會燃燒甚至爆炸，具有易氣化、著火、爆炸等特性。在敞開空間下，氫的擴(kuò)散系數(shù)是天然氣的318倍、汽油氣的12倍，泄漏的氫氣將會很快上升并向各個方向快速擴(kuò)散，使得濃度難以達(dá)到爆炸所需濃度。在密閉空間下，氫氣的燃燒速度約為天然氣和汽油的7倍，氫氣比其他燃料更容易發(fā)生爆燃甚至爆轟。目前氫氣隧道、地下停車場等受限空間的泄漏擴(kuò)散規(guī)律仍有待深入研究。
2、多視角下我國氫能與燃料動力鋰電池電動汽車發(fā)展趨勢
2.1、政策視角下氫能與燃料動力鋰電池電動汽車發(fā)展
我國中央政府與地方的氫能與燃料動力鋰電池電動汽車相關(guān)政策如表2所示。
地方層面積極推進(jìn)氫能與燃料動力鋰電池汽車的發(fā)展，河北、山西、陜西、河南等17省、直轄市相應(yīng)公布了包括戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)規(guī)劃在內(nèi)的地方發(fā)展戰(zhàn)略。其中，湖北、江蘇、上海、廣東等均公布了專門針對氫能與燃料動力鋰電池汽車的發(fā)展規(guī)劃。
由表可知，我國尚未從國家層面提出氫能與燃料動力鋰電池電動汽車的發(fā)展戰(zhàn)略與目標(biāo)，導(dǎo)致我國氫能與燃料動力鋰電池電動汽車的發(fā)展缺乏頂層體系指引，當(dāng)前已有不少地方推出針對性發(fā)展政策，對我國國家層面的政策具有一定參考用途。
2.2、技術(shù)視角下氫能與燃料動力鋰電池電動汽車發(fā)展
目前，我國已基本掌握了原材料、燃料動力鋰電池電堆、系統(tǒng)、整車等關(guān)鍵技術(shù)，初步建立了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的燃料動力鋰電池電動汽車動力系統(tǒng)技術(shù)平臺，實現(xiàn)了電堆、膜電極、雙極板等部分關(guān)鍵部件及原材料的國產(chǎn)化，具備了千輛級燃料動力鋰電池電動汽車動力系統(tǒng)平臺與整車生產(chǎn)量力。其中，金屬雙極板電堆功率密度接近3.0千瓦/升，可實現(xiàn)-20攝氏度啟動，壽命達(dá)到5000小時；石墨雙極板電堆功率密度達(dá)到2.0千瓦/升。自主膜電極功率密度已突破1瓦/平方厘米，鉑載量僅0.45毫克/千瓦，壽命超過6000小時，達(dá)到了國際先進(jìn)水平。
2.3、經(jīng)濟(jì)視角下氫能與燃料動力鋰電池電動汽車發(fā)展
為準(zhǔn)確模擬，本文乘用車選取典型的B級汽油車、續(xù)駛里程300公里的純電動汽車和功率為114千瓦的燃料動力鋰電池電動汽車作為研究車型；商用車選取同級別的柴油重卡、純電動重卡和燃料動力鋰電池重卡開展比較分析。燃料動力鋰電池電動汽車產(chǎn)量、燃料動力鋰電池系統(tǒng)成本、氫氣價格等關(guān)鍵參數(shù)如表3所示，使用壽命乘用車按15年20萬里、長途重卡按8年60萬公里計算。
根據(jù)上述參數(shù)測算，本文采用全生命周期成本法對氫燃料動力鋰電池乘用車和重卡進(jìn)行了分析，并與汽油乘用車、純電動乘用車、柴油重卡、純電動重卡進(jìn)行了比較。
研究結(jié)果表明：綜合考慮購置和使用成本等，當(dāng)前燃料動力鋰電池乘用車綜合成本分別是純電動乘用車的3.1倍，燃油乘用車的2.2倍，氫燃料重卡成本是純電動貨車的1.3倍，是燃油貨車的1.2倍。預(yù)計到2035年，燃料動力鋰電池乘用車綜合成本分別是純電動乘用車的1.6倍，燃油乘用車的1倍，氫燃料重卡綜合成本是純電動貨車的0.9倍，是燃油貨車的0.5倍。就長期而言，燃料動力鋰電池電動汽車將具有與燃油車和純電動汽車競爭的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。
2.4、排放視角下氫能與燃料動力鋰電池電動汽車發(fā)展
本文基于汽車燃料周期評價分析模型，綜合考慮燃料周期上游和車輛運行階段，比較分析了典型氫能供應(yīng)路徑的氫燃料動力鋰電池電動汽車與傳統(tǒng)燃油汽車、純電動汽車的節(jié)能減排效益。經(jīng)模型計算，不同制氫路徑下的溫室氣體排放如表4所示。
由表可知，就溫室氣體排放而言，不同制氫路徑下，氫燃料動力鋰電池乘用車與汽油車相比，甲烷制氫可減排93.10%、工業(yè)副產(chǎn)氫可減排30%、網(wǎng)電電解水制氫新增130%的排放；與純電動汽車相比，工業(yè)副產(chǎn)制氫可減排11%、甲烷制氫可減排91.29%、太陽能電解水制氫可減排60.41%、網(wǎng)電電解水制氫無溫室氣體減排優(yōu)勢。
不同制氫路徑下，氫燃料動力鋰電池重卡與柴油重卡相比，太陽能電解水站內(nèi)制氫可減排74.68%、工業(yè)副產(chǎn)制氫可減排49%、甲烷制氫可減排94.43%、網(wǎng)電電解水新增排放70%；與純電動重卡相比，工業(yè)副產(chǎn)制氫可減排24%，甲烷制氫減排91.77%，太陽能電解水制氫可減排62.58%，就排放而言，清潔能源制氫具有較高的減排潛力。
3、多視角下產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的重要問題
我國在氫能和燃料動力鋰電池電動汽車領(lǐng)域取得長足進(jìn)展，但是也要看到我們面對的問題：
（1）氫能供應(yīng)和加氫站建設(shè)面對障礙。我國缺乏氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的頂層設(shè)計，尚未形成規(guī)?；能囉脷淠芄┙o體系；氫氣輸運及加氫站建設(shè)運營成本仍較高，還未形成可持續(xù)發(fā)展的商業(yè)模式；加氫站建設(shè)仍面對標(biāo)準(zhǔn)不完善、用地及建設(shè)審批主管部門不明確等難題；氫能作為能源管理的體系尚未建立，氫氣制備被嚴(yán)格限制在化工園區(qū)。
（2）研發(fā)創(chuàng)新能力弱、產(chǎn)業(yè)鏈不成熟，部分關(guān)鍵材料和部件仍然依賴進(jìn)口。目前，我國電堆、系統(tǒng)、整車等與國際先進(jìn)水平差距較大，產(chǎn)品性能、技術(shù)成熟度明顯落后。國內(nèi)電堆功率密度約為2.0千瓦/升，系統(tǒng)低溫冷啟動溫度約-20攝氏度，電堆耐久性約5000小時，而國外同期水平分別可達(dá)3.1千瓦/升、-40攝氏度和1萬小時。此外，我國燃料動力鋰電池用催化劑、質(zhì)子交換膜、炭紙等關(guān)鍵材料的開發(fā)多處于實驗室和樣品階段，大容量氫氣壓縮機(jī)、空氣壓縮機(jī)、氫氣循環(huán)泵、70MPa碳纖維纏繞塑料內(nèi)膽氣瓶(Ⅳ型瓶)等核心部件還沒有成熟技術(shù)及產(chǎn)品供應(yīng)。
（3）標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)仍不完善，試驗?zāi)芰A(chǔ)欠缺。氫氣儲/運系統(tǒng)安全要求和試驗方法、加氫站建設(shè)及運營規(guī)范、70MPaⅣ型氫瓶標(biāo)準(zhǔn)等還有待完善。同時，從零部件、系統(tǒng)、整車到氫能四個層級的全方位測試評價能力仍未建立。
（4）產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)“一哄而上”傾向，需防范結(jié)構(gòu)性產(chǎn)量過剩風(fēng)險。目前全國已經(jīng)有30多個地方公布?xì)淠芑驓淙剂蟿恿︿囯姵仉妱悠嚠a(chǎn)業(yè)發(fā)展支持政策或規(guī)劃，規(guī)劃投資總規(guī)模達(dá)萬億以上，涌現(xiàn)了多個“氫谷”“氫都”“氫能小鎮(zhèn)”項目。據(jù)不完全統(tǒng)計，各地方規(guī)劃2020年和2025年氫燃料動力鋰電池電動汽車推廣總量為2萬輛和15萬輛，加氫站建設(shè)目標(biāo)為200座和650座，遠(yuǎn)超行業(yè)規(guī)劃目標(biāo)。在燃料動力鋰電池電動汽車關(guān)鍵技術(shù)尚未突破的情況下，要防范結(jié)構(gòu)性產(chǎn)量過剩和低水平公司“渾水摸魚”。
