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  • 氢燃料电池汽车全球发展现状及对钢铁行业的影响

    发布时间:2021/10/29 9:07:10 源自:

    第21届联合国气候变化大会(巴黎气候大会)上通过的《巴黎协定》,提出了将全球平均气温上升幅度(较前工业化时期)控制在2摄氏度以内的目标。近年来,欧盟、日本、韩国、中国等先后提出了各自的碳达峰、碳中和目标。为实现这些目标,钢铁行业和汽车制造行业都在积极探索有效降低碳排放的方式。钢铁行业将研究重点放在了氢冶金及其实现方式上,汽车制造行业也先后研发出了混合动力汽车、纯电动汽车、氢燃料电池汽车等。如今,越来越多的汽车制造企业开始研发氢燃料电池汽车,钢铁企业也越来越关注氢能利用。为了实现碳中和,两大行业都瞄准了低碳排放的氢能利用技术。
      氢燃料电池汽车利用催化剂(通常是铂)将储氢罐中的氢气分解成氢离子和电子,然后再使氢离子通过质子膜与空气中的氧气发生反应以产生电能。氢燃料电池汽车的能量转换是在静态下完成的,无噪声、无振动,且运行温度低,功率响应快。燃料电池直接将燃料的化学能转化成电能,能量转换效率为45%~50%,而一般的内燃机车能量转化效率约为30%。氢燃料电池功率由配置单体电池的片数决定,而续航里程则由氢燃料罐的大小(储氢容量)来决定。氢燃料电池汽车不排放硫氧化合物、氮氧化合物等有害气体,也不排放二氧化碳,是一种绿色汽车。
      氢燃料电池汽车主体结构由高压储氢罐、燃料电池(反应堆)、升压逆变器、动力控制单元、电动机、驱动电池等组成(如图1)。
      
      质子膜燃料电池(Proton Exchange Membrane)是燃料电池汽车的动力源。质子膜燃料电池的核心部件是膜电极组件(MEA),包括质子交换膜、催化层、气体扩散层等片层结构。这几层材料经过热压成型后便形成膜电极组件,其两侧需装上密封圈,然后再放置于双极板之间,由此构成单体电池,若干块单体电池便组合成燃料电池堆。质子交换膜是制作氢燃料电池的关键材料,一般占燃料电池系统成本的5%。目前,全球能够商业化供应氢燃料电池质子交换膜材料的只有美国杜邦公司和一家日本公司。2014年,我国山东东岳集团生产的普通燃料电池膜使用寿命仅800小时,2015年其使电池膜使用寿命达到了2000小时,2016年东岳膜DF260达到国际燃料电池汽车膜使用要求,在奔驰公司的寿命加速测试中突破了6000小时。全球铂金年产量大约200吨,普通燃料电池汽车对于铂金的需求已经由1克/千瓦下降至0.3克/千瓦,在实验室条件下有可能实现0.1克/千瓦。2015年,丰田在其生产的每一辆氢燃料电池汽车上使用了100克的铂金,而目前其已将铂金使用量下调到了10克/辆,其目标是到2025年使单车铂金用量下降至5克。
      世界主要国家氢燃料电池汽车
      发展现状
      日本着力打造氢能社会,制定了国家氢能基本战略,确定了到2050年氢能社会建成目标以及具体行动计划。截至2017年底,日本拥有的氢燃料电池汽车超过2000辆。在2021年东京奥运会上,日本成功使用氢气作为奥运主火炬的燃料。这是奥运会历史上首次主火炬使用不排放二氧化碳的燃料。东京奥运会除了把氢气作为火炬燃料之外,还在奥运村周围建立加氢站,奥运会期间24小时为氢燃料电池汽车提供加氢服务。日本计划到2025年拥有可上路的氢燃料电池汽车20万辆,到2030年达到80万辆,并在国内建成投用900座加氢站。
      2015年,由液化空气集团、戴姆勒、林德、OMV、壳牌和道达尔6家氢能产业的龙头企业结成了“H2 Mobility”企业联盟,以社会产业资本的身份一同支持德国氢能产业发展,为氢燃料电池汽车建设氢基础设施。“H2 Mobility”企业联盟计划到2023年建成并投用400座加氢站。中国的长城汽车于2018年10月份与“H2 Mobility”企业联盟签署了谅解备忘录,通过提供额外投资收购了该联盟大约5%的股份,成为其第7个股东。2020年6月10日,德国联邦内阁通过了《国家氢能战略》,对德国未来氢能的生产、运输、使用和再利用以及相应的技术创新和投资建立一个统一、连贯的政策框架。该战略有助于德国实现其气候目标,是该国创建新的经济价值链及进一步和其他国家发展国际能源政策合作所必须的措施,保障了德国能源供应系统的安全。此外,德国汉堡市也于近几年启动了氢能示范应用项目——“HyCity”计划(氢能城市计划),涵盖了氢气制取、运输、储存及燃料电池应用的氢能全产业链。德国致力于开发集风力发电、电解水制氢、高压储氢及燃料电池发电技术于一体的氢能应用技术,并建立多个氢能示范应用中心。
      2019年,韩国发布“氢能经济发展路线图”,计划到2019年底在该国境内普及4000辆以上氢燃料电池汽车;到2025年建立年产量达10万辆氢燃料电池汽车的生产体系;到2040年分阶段生产620万辆氢燃料电池汽车。韩国政府还计划在公共交通领域普及氢燃料电池汽车,力争到2022年有2000辆、到2040年有4万辆氢燃料电池公交车投入使用。此外,韩国警方于今年用氢燃料电池汽车替换了820辆警务大巴。韩国计划到2040年将现有的14座加氢站增建至1200座,将燃料电池年发电量增加至15吉瓦(达到2018年韩国发电总量的7%~8%)。该路线图若顺利落实,到2040年韩国政府便可创造出43万亿韩元的年产值和42万个工作岗位。
      据中国汽车工业协会研究数据显示,2019年全国氢燃料电池汽车产销量分别为2831辆、2737辆,运营加氢基础设施有28座。中国现有的氢燃料电池汽车主要是商用车,氢燃料电池乘用车还处于示范运行阶段。在燃料电池叉车方面,中国已有东莞氢宇等企业布局。然而,目前制约我国氢燃料电池汽车发展的瓶颈包括燃料电池耐久性、关键材料及核心零部件、氢供给等。
      现代汽车的
      “氢燃料电池重型卡车生态圈”
      现代汽车为了顺利推动XCIENT Fuel Cell氢燃料电池重型卡车的普及,构筑了独树一帜的氢燃料生态系统,并借由该生态系统将氢燃料电池重型卡车推向市场。为此,现代汽车牵头构建“氢燃料电池重型卡车生态圈”,将氢燃料生产企业、加氢站基础设施构建联合组织及重型卡车客户公司绑定在了一起。
      Hyundai Hydrogen Mobility公司(由现代汽车和瑞士专业氢能源解决方案企业H2 Energy公司成立的合资企业)作为氢燃料电池卡车的供应商,以合作伙伴的身份加入了由全球21家能源公司和物流企业联合成立的瑞士氢能源移动出行协会(H2 Mobility Switzerland Association),与加氢领域的各大主体建立了战略合作关系。此外,H2 Energy公司作为现代汽车的合作伙伴,也是瑞士氢能源移动出行协会的会员,于2020年联合全球知名能源企业Alpiq公司和Linde公司在瑞士成立了首家生产商业用氢能源的合资企业(Hydrospider公司),将氢燃料生产主体也纳入了“氢燃料电池重型卡车生态圈”。
      氢气密度小,难以储运,但热值高。氢气的储运成本高,与氢气的特性有关。氢气在1个标准大气压下的密度为0.0899克/升,热值为1.4亿焦耳/千克,也就是大约1公斤氢气完全释放的电能有39千瓦时,转换效率最高为60%。1千克氢气所含能量与3.3升柴油所含的能量大致相同。相关数据计算得出,7千克氢气足够为40吨级卡车提供大约96公里的动力。
      Hydrospider公司致力用水力发电的剩余电力通过电分解(电解水)的方式来生产氢能源,基本不会排放出污染物质。Hydrospider公司生产的环保氢能源,将由H2 Energy公司和Hyundai Hydrogen Mobility公司积极供应至瑞士氢能源移动出行协会的会员企业构建的加氢站。这意味着现代汽车致力构建的“氢燃料电池重型卡车生态圈”具备创新结构,同时涵盖了加氢站构建主体和卡车需求渠道。随着现代汽车开始全面供应氢燃料电池重型卡车,加氢站基础设施的建设速度也将同步加快。
      现代汽车以建设全球首家量产及销售氢燃料电池重型卡车企业为开端,向全世界彰显了该公司在氢燃料电池商用车领域的领导力。现代汽车已经超越其单纯的汽车供应商身份,通过与欧洲氢燃料价值链合作伙伴间的密切协作,构筑了实现氢燃料生产、流通及消费产业链循环的氢燃料业务生态圈。未来,该公司将陆续进军欧洲、北美和中国,引领全球环保商用车市场实现结构性转型升级。
      2019年11月份,中国第一批氢燃料重型卡车已经在宝武集团投入商业化运营。2021年7月7日,中国首台49吨级氢能重型运输车在河钢唐钢新区投用。该氢燃料电池货车是由南京开沃新能源汽车公司生产的。目前,氢燃料电池重型卡车市场正逐步发育成熟,日、韩、美、欧的氢燃料电池车企纷纷与传统卡车制造商强强联合,国内各大车企、钢企也预见了氢燃料电池重型卡车未来的发展前景。氢能重型卡车的赛道已经“百花齐放”,我国各大车企也要凭借实力与国际品牌一战。在钢铁企业致力于研究氢冶金及其实现方式的同时,氢燃料电池汽车制造行业也将持续为其助力。
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