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中国发展氢燃料发动机,是在给日本人“接盘”吗?

来源:观察者网

2021-06-18 16:15

【文/观察者网 李焕宇】

新能源里,氢,总是最具话题性的那一个。

一方面,地方不断有新氢能项目上马,科技部《关于对“十四五”国家重点研发计划“氢能技术”等18个重点专项2021年度项目申报指南征求意见的通知》等文件也表明,国家层面的布局早已开始。

另一方面,氢的种种特性让舆论对它一直抱有疑虑,储运怎么解决?爆炸了怎么办?一些网友还认为,中国发展氢燃料电池车,纯粹是在给“点歪科技树”的日本人“接盘”。

为此,观察者网探访了我国研制氢燃料电池发动机的龙头企业——东方电气(成都)氢燃料电池科技有限公司(简称东方氢能),和氢能基础设施建设与运维等领域企业——东方电气集团东方锅炉股份有限公司(简称东方锅炉)。

二者都是东方电气集团的下属子公司,东方氢能握有膜电极、电堆、动力系统全产业链完全自主知识产权。上月,其具有完全自主知识产权的Olas系列氢燃料电池发动机入选《中央企业科技创新成果推荐目录》。东方锅炉是国内领先的大型能源装备企业,在氢能产业聚焦氢获取、氢储运、氢加注基础设施建设与运维等领域。

东方电气Olas系列氢燃料电池发动机 观察者网/李焕宇 摄

搞氢燃料电池车,是“接日本的盘”?

氢燃料电池车目前是氢能最主要的应用方向,它锂电池车一样都是新能源汽车。但是,由于锂电池车无论是从产业规模、单车成本还是销量来看都要明显优于要用氢气的燃料电池车,因此不少网友认为,燃料电池车,就跟此前的等离子电视一样,属于“点歪科技树”的产品。而在燃料电池车上有技术优势的日本企业找上中国,也是意在让我们“接盘”。

对此,东方氢能认为有失偏颇。首先,燃料电池车跟锂电池车是一个互补而非相互替代的关系,它在以下四个方面有明显的优势:

1、续航里程长,东方氢能自己的发动机续航里程为500-600公里,丰田的Mirai成功挑战了1000公里的续航;

2、耐低温,东方氢能在2019年就已经实现了零下10摄氏度环境下的系统启动,现在已经把极限拉到了零下三十度,能够适配北方寒冷的冬季;

3、加注快,燃料电池公交车的加注时间可以控制在十分钟以内,锂电池公交则要按小时计;

4、能量密度高,相比锂电池,使用燃料电池的卡车等重型车辆的自重可以更轻。

另外,燃料电池是一个有着很广泛应用场景的新事物,包括分布式发电、移动电源、交通......虽然现阶段主要还是用于公交、卡车等车辆,但这是由于在行业起步阶段,发动机体积功率密度较低,想提高效率往往需要大体积支撑,而公交、卡车等由于本身体积较大,对发动机的体积限制较少,加上国家政策的支持,成为了燃料电池商业运用的突破口。

东方氢能认为,随着燃料电池技术不断迭代,体积功率密度逐渐提高,达到同等功率下的体积逐渐缩小,未来去替代私家车内的内燃机是没有问题的。比如丰田在2014年推出了Mirai,这两年国内的整车企业如一汽、上汽等都推出了自己的燃料电池乘用车。除了交通,全行业都在尝试将燃料电池往更多的领域渗透。

东方氢能燃料电池发动机的部分参数

东方氢能的底气在于自身雄厚的研发和制造实力。国资委网站信息显示,东方氢能自己的氢燃料电池发动机能量转换效率为57%,氢气最高利用率超96%,技术水平同日本丰田的Mirai和韩国现代的Nexo相当。目前,装有该发动机的氢燃料公交车百公里氢耗为3.4千克,维保周期为3-4个月,单车运营里程超15万公里,且尚未发生任何事故。

他们认为,发展燃料电池和其他清洁清源一样,都是为实现碳达峰、碳中和服务的,只是技术路线选择的区别。日本虽然在燃料电池领域有巨大优势,但受制于目前整个行业的规模有限,它也希望借助技术上的优势与中国的企业合作,在政策的引导下,推动行业发展,从而分享发展红利。

东方电气的加氢站和氢燃料电池公交车 图片来源:中国电力报

氢燃料电池车,氢从哪来?

发展氢能产业,首先要解决的自然是氢的来源问题。目前全球制氢主要分三种路径——以化石能源为原料,会产生大量二氧化碳的“灰氢”;同样利用化石能源,但会对产生的二氧化碳进行处理的“蓝氢”;和用电解水的方式,过程中不会产生二氧化碳的“绿氢”。

现阶段,虽然绿氢被认为是产业未来,被普遍看好,但全球96%以上的氢都是灰氢,原因自然是成本:

不同制法氢的成本以及产生的碳排放 数据来源:中国氢能联盟

不过,随着可再生能源装机量猛增,利用弃水、弃风、弃光制氢被认为是解决绿氢成本问题的一大法宝。

东方电气所在的四川弃水资源丰富,2019年,四川调峰弃水电量达到92亿千瓦时。东方锅炉按照氢能产业规划,通过重点布局水电制氢技术,开展规模化水电制氢技术研制,可再生能源制氢潜力达到 50 万吨/年。据他们介绍,以一小时300标准立方米(Nm3/h)的产能制氢,在电价0.35元/度,虑设备折旧及土地摊销的情况下,制氢成本约为26.1元/kg

绿氢制备成本还有多大的下降空间?中船718研究所制氢工程部主任张玉广向观察者网表示,绿氢制备的成本由固定成本和使用成本组成。固定成本取决于装备造价,技术进步会进一步降低成本,但对总成本的影响不会超过15%。使用成本取决于电价,一定程度上取决于风电、光伏等发电技术的不断进步,但同样不会有巨大的突破。由于水电解制氢技术已经非常成熟。期待某项关键技术的突破对绿氢制备成本造成颠覆性的降低并不现实

张玉广认为,真正最终支撑氢能产业发展的应当是从社会层面,用绿氢替代灰氢,用可再生能源替代化石能源的决心。以及随着化石能源使用、灰氢制备成本不断提高,形成的自主自然的选择。所以,应该重点关注灰氢制备成本的上升可能,而不是期待绿氢成本的无限降低。

燃料电池技术,中国能自主吗?

来源问题解决后,想“不接盘”,还需要形成自主产业链。国家电投集团氢能科技公司董事长李连荣在做客央视节目时曾指出:

“氢能有八项关键技术,制约了整个燃料电池行业发展。除非形成自主产业链,不然燃料电池乃至中国氢燃料电池汽车的成本是降不下来的。”

这八项技术分别是催化剂、扩散层、质子交换膜、膜电极、双极板、电堆、空气压缩机系统和循环泵系统,其中,前六个都是燃料电池发动机的关键技术。

这方面,身为央企的东方电气一马当先,从2010年就开始布局燃料电池技术,累计申请专利200余项,如今已经成功实现膜电极、电堆、双极板这三个关键部件以及系统集成技术的自主化。

它的高性能长寿命膜电极技术行业领先,最高功率密度提升30%,达到国际先进水平,车况寿命实测超过10000小时,折合车辆运行里程约20-30万公里,达到行业领先水平。此外东方电气还有完全自主知识产权的大功率动力电堆、发电系统及多功能燃料电池测试平台等系列产品。

国内对其他关键技术的科研攻关也在进行当中。据东方氢能介绍,上海势加透博的空气压缩机,烟台东德实业的氢气循环泵,均已应用于整车运行当中。

势加透博的空气压缩机产品 图片来源:中共如皋市委新闻网

东方氢能表示,行业初期,因为国内没有专用于燃料电池行业的部件,再加上加拿大、日本等国在这行业发展较早,系统部件较国内相比已累积了多年的技术优势,所以只能从国外进口。但在近几年,随着国内行业迅速升温,大量行业转入这个赛道,客观上推动了我国氢燃料电池系统辅件(BOP)技术的发展。

东方氢能党委书记、董事长杨永表示,目前我国在氢能的部分领域已达到国际先进水平,部分领域正在进一步缩小差距,总的来看,我国氢能的发展速度是越来越快的。像去年的一个数据显示,我国的加氢站和示范线路的运营已经达到了国际领先水平。

国内企业一般通过合资或与高校联合的形式开展技术合作。例如填补了国内技术空白,整体性能达到国际先进水平的“喷油螺杆氢气输送压缩机”及“氢燃料电池氢气循环泵”便是由山东冰轮海卓氢能技术研究院与东德实业、西安交通大学、中国科学院理化技术研究所联合研制的产品。

冰轮环境的产品鉴定会 图片来源:冰轮环境

氢燃料电池关键部件的自主化已经得到国家的高度重视。国家能源局监管总监李冶在“十四五”氢能产业发展论坛上表示:“国家能源局高度重视并积极推动氢能技术和产业的发展,目前正在研究编制的‘能源技术创新“十四五”规划’中,已经将氢能及燃料电池技术列为‘十四五’期间能源技术装备的主攻方向和重点任务。”

自主化之后,如何降价?

除了“卡脖子”的隐患,燃料电池推广同样面临着成本问题。对此东方氢能表示,燃料电池的成本主要包括几大块:膜电极、双极板和主要的系统辅件(BOP)。随着产业不断发展,规模化、国产化过程不断推进,成本必然会持续降低。

以膜电极为例,过去一年里,国产燃料电池系统的成本下降了30%以上。随着下游系统降本向上游传导,膜电极正在以每年20%-30%的降幅来推动产业化。

东方氢能称,膜电极的成本构成主要是催化剂、质子膜和碳纸,降价主要靠两大途径:原材料降价或者降低用量。

原材料方面,质子膜目前主要依赖从美国戈尔公司的进口,价格降幅有限,国内山东东岳集团已经成功完成科研攻关,只是批量供货还要待以时日。碳纸的话主要供货商西格里(SGL)和科德宝都是德国公司。至于催化剂,由于氢燃料电池用的是贵金属铂,所以全行业的膜电极都在往低铂载量方向发展。当然,除了这两大途径,膜电极的性能、寿命都是需要重点考虑的。

氢能安全有保障吗?

推广燃料电池车意味着需要建设加氢站这样的补给设施,汽车内部也会有储氢罐,但作为易燃易爆气体,舆论对氢的安全性存在诸多疑虑。

中船718研究所制氢工程部主任张玉广表示,氢的安全性一定程度上可以参考天然气,我国的氢气领域的标准规范在世界范围内都是最严格的,如果将氢气纳入能源管理,还可以适当放宽要求。

如果把加氢站跟同样有安全隐患的加油站、储能电站做对比的话,加氢站和加油站危险程度相当,低于储能电站,因为前两者对安全性问题进行了多年运行和测试,在技术成熟度、管理水平、维护方案都已经具备很高安全性。而且,由于加油站汽油和柴油是液体,如果泄露容易在地面形成油迹,造成隐患;加氢站如果泄露,由于氢气具有的高扩散性,反而要更安全一些。

具体而言,我国针对高压环境下的氢从设计阶段到制造、安装、维护,都有一整套安全规范和安全要求。充分考虑各种情况下紧急处理的问题,从主动安全到被动防护都有相应的手段和办法。比如防止静电,就进行了多种保护,对设备接地电阻、装置等电势、人员防静电都进行了规范和标准设计。

针对液氢,目前正在完善各种标准,未来会对低温安全以及液氢蒸发等问题进行充分考虑,保障安全。

加氢站的加氢装置

对于氢燃料电池车的安全状况,东方氢能表示,安全性主要从源头上设计预防和使用过程的标准化处理几个方面保证。

设计方面,利用氢气浓度传感器、主动换风排气等设计和控制氢气浓度阈值可以确保在氢气泄露初期发现问题并及时处理,降低氢气的集聚风险,将风险降低到最低程度。

使用方面,通过一整套安全规范、安全要求和紧急情况下的应急处理来保障氢燃料电池车辆的使用安全。

即便车辆出现氢泄露,由于和其它常见燃料相比密度很小,逃逸速度远大于常规化石燃料,所以氢气会迅速向天空扩散,不会蔓延到周边区域。因此,按照标准设计、使用、维护的氢燃料电池车的安全性不会成为限制其发展的因素。

正在进行碰撞测试和枪击测试的车用储氢罐 视频截图

储运难题如何解决?

储运方面,东方电气已在我国多地建设了加氢站和氢燃料电池公交车示范线,在储运领域握有自主技术。据东方锅炉介绍,他们的一座加氢站可以储存500千克的氢气,最多可满足每天50辆氢燃料公交车或100辆氢燃料物流车加氢需求。其补给靠的是装有气态氢的长管拖车,一次可运输300千克的氢气。

东方锅炉表示,用车运送气态氢并不是理想的补给方式,由于储氢密度低,它的运氢成本受距离影响很大。但由于有机液体储运氢、固态储运氢及液氢储运技术尚处于试验研究与示范阶段,尚不能实现大规模工程化应用,所以目前气态运输仍然是国内加氢站应用最多的运氢方式。

张玉广指出,氢气的运输最主要问题仍然是质量密度太低,目前有应用的所有技术质量密度都很难超过5%wt,也就是说氢气的储存容器和系统重量占比达到95%,这也是制约氢能应用的重要因素之一,针对未来的输氢方式应该是多元结合,经济性、技术性、便利性多重因素相结合的形式。

东方锅炉制造的储氢罐 图片来源:东方锅炉

储氢方面,东方锅炉研制的储氢罐为加氢站内的固定式储氢罐,采用多层包扎结构,内层临氢材料选用S31603材料(奥氏体不锈钢),外层采用高强度的碳钢材料。目前,东方锅炉的加氢站主要设备全部自主研制,已经实现了氢气制储运加与关键核心零部件自主可控。

对于氢能的未来,东方氢能党委书记、董事长杨永表示,氢能作为一种非常重要的二次能源,它的优势还是比较明显的:

1、来源广泛,取之不尽,用之不竭;

2、用途广泛,交通、化工、工业冶炼、生活都能用到;

3、排放物是水,非常清洁;

4、可以利用氢储能的方式跨时空限制,氢储能时间可达数月,且不存在衰减的问题。

张玉广也表示,未来的能源构成仍将以电力作为首要的使用方式,而氢能既能填补绝大多数电力无法覆盖的用能场景,又能够作为储能一定程度上平抑可再生能源发电出现的波动。因此,从长远来看,电-氢体系能够满足碳中和目标的近零排放要求。

东方氢能预计,在国家规划和产业的推动下,在业界技术进步和成本降低的助推下,氢能的发展道路会越来越宽宽广。

责任编辑:李焕宇
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