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中國發展氫燃料發動機,是在給日本人”接盤”嗎?

【文/觀察者網 李煥宇】

新能源里,氫,總是最具話題性的那一個。

一方面,地方不斷有新氫能項目上馬,科技部《關於對“十四五”國家重點研發計劃“氫能技術”等18個重點專項2021年度項目申報指南徵求意見的通知》等文件也表明,國家層面的布局早已開始。

另一方面,氫的種種特性讓輿論對它一直抱有疑慮,儲運怎麼解決?爆炸了怎麼辦?一些網友還認為,中國發展氫燃料電池車,純粹是在給“點歪科技樹”的日本人“接盤”。

為此,觀察者網探訪了我國研製氫燃料電池發動機的龍頭企業——東方電氣(成都)氫燃料電池科技有限公司(簡稱東方氫能),和氫能基礎設施建設與運維等領域企業——東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司(簡稱東方鍋爐)。

二者都是東方電氣集團的下屬子公司,東方氫能握有膜電極、電堆、動力系統全產業鏈完全自主知識產權。上月,其具有完全自主知識產權的Olas系列氫燃料電池發動機入選《中央企業科技創新成果推薦目錄》。東方鍋爐是國內領先的大型能源裝備企業,在氫能產業聚焦氫獲取、氫儲運、氫加註基礎設施建設與運維等領域。

東方電氣Olas系列氫燃料電池發動機 觀察者網/李煥宇 攝

搞氫燃料電池車,是“接日本的盤”?

氫燃料電池車目前是氫能最主要的應用方向,它鋰電池車一樣都是新能源汽車。但是,由於鋰電池車無論是從產業規模、單車成本還是銷量來看都要明顯優於要用氫氣的燃料電池車,因此不少網友認為,燃料電池車,就跟此前的等離子電視一樣,屬於“點歪科技樹”的產品。而在燃料電池車上有技術優勢的日本企業找上中國,也是意在讓我們“接盤”。

對此,東方氫能認為有失偏頗。首先,燃料電池車跟鋰電池車是一個互補而非相互替代的關係,它在以下四個方面有明顯的優勢:

1、續航里程長,東方氫能自己的發動機續航里程為500-600公里,豐田的Mirai成功挑戰了1000公里的續航;

2、耐低溫,東方氫能在2019年就已經實現了零下10攝氏度環境下的系統啟動,現在已經把極限拉到了零下三十度,能夠適配北方寒冷的冬季;

3、加註快,燃料電池公交車的加註時間可以控制在十分鐘以內,鋰電池公交則要按小時計;

4、能量密度高,相比鋰電池,使用燃料電池的卡車等重型車輛的自重可以更輕。

另外,燃料電池是一個有着很廣泛應用場景的新事物,包括分佈式發電、移動電源、交通……雖然現階段主要還是用於公交、卡車等車輛,但這是由於在行業起步階段,發動機體積功率密度較低,想提高效率往往需要大體積支撐,而公交、卡車等由於本身體積較大,對發動機的體積限制較少,加上國家政策的支持,成為了燃料電池商業運用的突破口。

東方氫能認為,隨着燃料電池技術不斷迭代,體積功率密度逐漸提高,達到同等功率下的體積逐漸縮小,未來去替代私家車內的內燃機是沒有問題的。比如豐田在2014年推出了Mirai,這兩年國內的整車企業如一汽、上汽等都推出了自己的燃料電池乘用車。除了交通,全行業都在嘗試將燃料電池往更多的領域滲透。

東方氫能燃料電池發動機的部分參數

東方氫能的底氣在於自身雄厚的研發和製造實力。國資委網站信息显示,東方氫能自己的氫燃料電池發動機能量轉換效率為57%,氫氣最高利用率超96%,技術水平同日本豐田的Mirai和韓國現代的Nexo相當。目前,裝有該發動機的氫燃料公交車百公里氫耗為3.4千克,維保周期為3-4個月,單車運營里程超15萬公里,且尚未發生任何事故。

他們認為,發展燃料電池和其他清潔清源一樣,都是為實現碳達峰、碳中和服務的,只是技術路線選擇的區別。日本雖然在燃料電池領域有巨大優勢,但受制於目前整個行業的規模有限,它也希望藉助技術上的優勢與中國的企業合作,在政策的引導下,推動行業發展,從而分享發展紅利。

東方電氣的加氫站和氫燃料電池公交車 圖片來源:中國電力報

氫燃料電池車,氫從哪來?

發展氫能產業,首先要解決的自然是氫的來源問題。目前全球制氫主要分三種路徑——以化石能源為原料,會產生大量二氧化碳的“灰氫”;同樣利用化石能源,但會對產生的二氧化碳進行處理的“藍氫”;和用電解水的方式,過程中不會產生二氧化碳的“綠氫”。

現階段,雖然綠氫被認為是產業未來,被普遍看好,但全球96%以上的氫都是灰氫,原因自然是成本:

不同製法氫的成本以及產生的碳排放 數據來源:中國氫能聯盟

不過,隨着可再生能源裝機量猛增,利用棄水、棄風、棄光制氫被認為是解決綠氫成本問題的一大法寶。

東方電氣所在的四川棄水資源豐富,2019年,四川調峰棄水電量達到92億千瓦時。東方鍋爐按照氫能產業規劃,通過重點布局水電制氫技術,開展規模化水電制氫技術研製,可再生能源制氫潛力達到50萬噸/年。據他們介紹,以一小時300標準立方米(Nm3/h)的產能制氫,在電價0.35元/度,慮設備折舊及土地攤銷的情況下,制氫成本約為26.1元/kg

綠氫製備成本還有多大的下降空間?中船718研究所制氫工程部主任張玉廣向觀察者網表示,綠氫製備的成本由固定成本和使用成本組成。固定成本取決於裝備造價,技術進步會進一步降低成本,但對總成本的影響不會超過15%。使用成本取決於電價,一定程度上取決於風電、光伏等發電技術的不斷進步,但同樣不會有巨大的突破。由於水電解制氫技術已經非常成熟。期待某項關鍵技術的突破對綠氫製備成本造成顛覆性的降低並不現實

張玉廣認為,真正最終支撐氫能產業發展的應當是從社會層面,用綠氫替代灰氫,用可再生能源替代化石能源的決心。以及隨着化石能源使用、灰氫製備成本不斷提高,形成的自主自然的選擇。所以,應該重點關注灰氫製備成本的上升可能,而不是期待綠氫成本的無限降低。

燃料電池技術,中國能自主嗎?

來源問題解決后,想“不接盤”,還需要形成自主產業鏈。國家電投集團氫能科技公司董事長李連榮在做客央視節目時曾指出:

“氫能有八項關鍵技術,制約了整個燃料電池行業發展。除非形成自主產業鏈,不然燃料電池乃至中國氫燃料電池汽車的成本是降不下來的。”

這八項技術分別是催化劑、擴散層、質子交換膜、膜電極、雙極板、電堆、空氣壓縮機系統和循環泵系統,其中,前六個都是燃料電池發動機的關鍵技術。

這方面,身為央企的東方電氣一馬當先,從2010年就開始布局燃料電池技術,累計申請專利200餘項,如今已經成功實現膜電極、電堆、雙極板這三個關鍵部件以及系統集成技術的自主化。

它的高性能長壽命膜電極技術行業領先,最高功率密度提升30%,達到國際先進水平,車況壽命實測超過10000小時,摺合車輛運行里程約20-30萬公里,達到行業領先水平。此外東方電氣還有完全自主知識產權的大功率動力電堆、發電系統及多功能燃料電池測試平台等系列產品。

國內對其他關鍵技術的科研攻關也在進行當中。據東方氫能介紹,上海勢加透博的空氣壓縮機,煙台東德實業的氫氣循環泵,均已應用於整車運行當中。

勢加透博的空氣壓縮機產品 圖片來源:中共如皋市委新聞網

東方氫能表示,行業初期,因為國內沒有專用於燃料電池行業的部件,再加上加拿大、日本等國在這行業發展較早,系統部件較國內相比已累積了多年的技術優勢,所以只能從國外進口。但在近幾年,隨着國內行業迅速升溫,大量行業轉入這個賽道,客觀上推動了我國氫燃料電池系統輔件(BOP)技術的發展。

東方氫能黨委書記、董事長楊永表示,目前我國在氫能的部分領域已達到國際先進水平,部分領域正在進一步縮小差距,總的來看,我國氫能的發展速度是越來越快的。像去年的一個數據显示,我國的加氫站和示範線路的運營已經達到了國際領先水平。

國內企業一般通過合資或與高校聯合的形式開展技術合作。例如填補了國內技術空白,整體性能達到國際先進水平的“噴油螺桿氫氣輸送壓縮機”及“氫燃料電池氫氣循環泵”便是由山東冰輪海卓氫能技術研究院與東德實業、西安交通大學、中國科學院理化技術研究所聯合研製的產品。

冰輪環境的產品鑒定會 圖片來源:冰輪環境

氫燃料電池關鍵部件的自主化已經得到國家的高度重視。國家能源局監管總監李冶在“十四五”氫能產業發展論壇上表示:“國家能源局高度重視並积極推動氫能技術和產業的發展,目前正在研究編製的‘能源技術創新“十四五”規劃’中,已經將氫能及燃料電池技術列為‘十四五’期間能源技術裝備的主攻方向和重點任務。”

自主化之後,如何降價?

除了“卡脖子”的隱患,燃料電池推廣同樣面臨着成本問題。對此東方氫能表示,燃料電池的成本主要包括幾大塊:膜電極、雙極板和主要的系統輔件(BOP)。隨着產業不斷髮展,規模化、國產化過程不斷推進,成本必然會持續降低。

以膜電極為例,過去一年裡,國產燃料電池系統的成本下降了30%以上。隨着下游系統降本向上游傳導,膜電極正在以每年20%-30%的降幅來推動產業化。

東方氫能稱,膜電極的成本構成主要是催化劑、質子膜和碳紙,降價主要靠兩大途徑:原材料降價或者降低用量。

原材料方面,質子膜目前主要依賴從美國戈爾公司的進口,價格降幅有限,國內山東東嶽集團已經成功完成科研攻關,只是批量供貨還要待以時日。碳紙的話主要供貨商西格里(SGL)和科德寶都是德國公司。至於催化劑,由於氫燃料電池用的是貴金屬鉑,所以全行業的膜電極都在往低鉑載量方向發展。當然,除了這兩大途徑,膜電極的性能、壽命都是需要重點考慮的。

氫能安全有保障嗎?

推廣燃料電池車意味着需要建設加氫站這樣的補給設施,汽車內部也會有儲氫罐,但作為易燃易爆氣體,輿論對氫的安全性存在諸多疑慮。

中船718研究所制氫工程部主任張玉廣表示,氫的安全性一定程度上可以參考天然氣,我國的氫氣領域的標準規範在世界範圍內都是最嚴格的,如果將氫氣納入能源管理,還可以適當放寬要求。

如果把加氫站跟同樣有安全隱患的加油站、儲能電站做對比的話,加氫站和加油站危險程度相當,低於儲能電站,因為前兩者對安全性問題進行了多年運行和測試,在技術成熟度、管理水平、維護方案都已經具備很高安全性。而且,由於加油站汽油和柴油是液體,如果泄露容易在地面形成油跡,造成隱患;加氫站如果泄露,由於氫氣具有的高擴散性,反而要更安全一些。

具體而言,我國針對高壓環境下的氫從設計階段到製造、安裝、維護,都有一整套安全規範和安全要求。充分考慮各種情況下緊急處理的問題,從主動安全到被動防護都有相應的手段和辦法。比如防止靜電,就進行了多種保護,對設備接地電阻、裝置等電勢、人員防靜電都進行了規範和標準設計。

針對液氫,目前正在完善各種標準,未來會對低溫安全以及液氫蒸發等問題進行充分考慮,保障安全。

加氫站的加氫裝置

對於氫燃料電池車的安全狀況,東方氫能表示,安全性主要從源頭上設計預防和使用過程的標準化處理幾個方面保證。

設計方面,利用氫氣濃度傳感器、主動換風排氣等設計和控制氫氣濃度閾值可以確保在氫氣泄露初期發現問題並及時處理,降低氫氣的集聚風險,將風險降低到最低程度。

使用方面,通過一整套安全規範、安全要求和緊急情況下的應急處理來保障氫燃料電池車輛的使用安全。

即便車輛出現氫泄露,由於和其它常見燃料相比密度很小,逃逸速度遠大於常規化石燃料,所以氫氣會迅速向天空擴散,不會蔓延到周邊區域。因此,按照標準設計、使用、維護的氫燃料電池車的安全性不會成為限制其發展的因素。

正在進行碰撞測試和槍擊測試的車用儲氫罐 視頻截圖

儲運難題如何解決?

儲運方面,東方電氣已在我國多地建設了加氫站和氫燃料電池公交車示範線,在儲運領域握有自主技術。據東方鍋爐介紹,他們的一座加氫站可以儲存500千克的氫氣,最多可滿足每天50輛氫燃料公交車或100輛氫燃料物流車加氫需求。其補給靠的是裝有氣態氫的長管拖車,一次可運輸300千克的氫氣。

東方鍋爐表示,用車運送氣態氫並不是理想的補給方式,由於儲氫密度低,它的運氫成本受距離影響很大。但由於有機液體儲運氫、固態儲運氫及液氫儲運技術尚處於試驗研究與示範階段,尚不能實現大規模工程化應用,所以目前氣態運輸仍然是國內加氫站應用最多的運氫方式。

張玉廣指出,氫氣的運輸最主要問題仍然是質量密度太低,目前有應用的所有技術質量密度都很難超過5%wt,也就是說氫氣的儲存容器和系統重量佔比達到95%,這也是制約氫能應用的重要因素之一,針對未來的輸氫方式應該是多元結合,經濟性、技術性、便利性多重因素相結合的形式。

東方鍋爐製造的儲氫罐 圖片來源:東方鍋爐

儲氫方面,東方鍋爐研製的儲氫罐為加氫站內的固定式儲氫罐,採用多層包紮結構,內層臨氫材料選用S31603材料(奧氏體不銹鋼),外層採用高強度的碳鋼材料。目前,東方鍋爐的加氫站主要設備全部自主研製,已經實現了氫氣制儲運加與關鍵核心零部件自主可控。

對於氫能的未來,東方氫能黨委書記、董事長楊永表示,氫能作為一種非常重要的二次能源,它的優勢還是比較明顯的:

1、來源廣泛,取之不盡,用之不竭;

2、用途廣泛,交通、化工、工業冶鍊、生活都能用到;

3、排放物是水,非常清潔;

4、可以利用氫儲能的方式跨時空限制,氫儲能時間可達數月,且不存在衰減的問題。

張玉廣也表示,未來的能源構成仍將以電力作為首要的使用方式,而氫能既能填補絕大多數電力無法覆蓋的用能場景,又能夠作為儲能一定程度上平抑可再生能源發電出現的波動。因此,從長遠來看,電-氫體系能夠滿足碳中和目標的近零排放要求。

東方氫能預計,在國家規劃和產業的推動下,在業界技術進步和成本降低的助推下,氫能的發展道路會越來越寬寬廣。

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