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我国氢能燃料电池汽车产业发展概况

2020-05-18 来源:重塑科技

  氢能是当前全球能源革命的重要方向,也是各国能源战略的重要组成。近年来,随着相关技术加快成熟,日、美、德、法、澳等国相继发布国家氢能路线图或行动计划,韩国甚至将氢能产业定为三大战略投资领域之一,并于2019年1月发布《氢能经济路线图》。氢能经济开始全面进入产业化导入期,成为全球经济新的重要增长点。

  中国加大重视氢能和燃料电池汽车产业的发展。2019年的《政府工作报告》首次提出“推动充电、加氢等设施建设”。10月,国家能源委员会召开了第四次全体会议,要求加快探索氢能商业化路径。2020年4月,国家能源局发布了关于《中华人民共和国能源法(征求意见稿)》,氢能首次纳入能源定义。

  中国多个地方政府将氢能和燃料电池汽车作为当地重大战略。截至2020年一季度,中国10个省份、4个直辖市、30多个地级市先后出台促进氢能产业发展的补贴办法、规划或意见,积极抢抓燃料电池汽车战略性新兴产业培育和发展的机遇,以实现跨越式发展和产业引领。从几年前的寥寥数辆试制、试运行,到多个地方大规模示范运行,中国氢能及燃料电池汽车产业发展正在迈上一个新台阶。

  一、燃料电池汽车推广进展

  2019年全球燃料电池汽车市场发展趋势整体向上。据中国汽车动力电池产业创新联盟统计,2019年全球燃料电池汽车市场总保有量10600辆,较2018年全年总量5523辆增长91.9%。韩国市场增长较快,从2018年销量700多辆,增长至4194辆,超过美国和日本,位居世界首位。2019年中国燃料电池汽车产销完成3022辆,较2018年增长86.7%,占全球市场总量28.5%。

  从细分市场来看,全球燃料电池汽车发展方向差异明显。从国际上看,燃料电池汽车主要发力在乘用车市场。近两年,外国也开始推动燃料电池商用车的应用。基于燃料电池在中长途载重运输领域的优势,中重型商用车应用加大。从2019年开始,现代汽车将在未来五年,向H2 Energy公司提供1000台氢燃料电池重卡,车型包括冷藏车及一般箱体车;美国初创公司尼古拉汽车公司收到800辆燃料电池重卡的租赁订单,计划在2020年启动量产;丰田原计划在2020年东京奥运会期间推出550辆燃料电池巴士服务观众和大会人员,在2022年北京冬奥会上增加至2000辆。

  中国则以客车、货车等商用车型为先导,30多个城市出台了氢能规划及燃料电池汽车示范推广方案,总量超过了3000辆。同时,中国也成为了全球商用车最大的市场。2019年燃料电池货车产量呈较快增长,1~12月总产量达到1682辆,较2018年增长85%,占总量的55.7%,反映出燃料电池货车在中长途、重载领域的优势日益凸显,随着城市货运、冷链物流、港口码头等应用领域的需求增加,燃料电池货车前景广阔。

  二、氢能供应体系建设情况

  据国际能源署的报告,2019年,全球制氢年产量突破7000万吨,中国每年产氢约2500万吨,占世界氢产量的三分之一,是世界第一产氢大国。其中,煤制氢、工业副产氢是我国主要的产氢方式,当前中国工业副产氢主要集中在华东和中部化工大省。

  1)制氢:目前,用化工原料大规模制取氢气主要以煤炭、天然气为代表的化石能源重整制氢;商业化外供氢制取方式主要有甲醇制氢、天然气制氢、焦炉煤气、氯碱尾气提纯、电解水制氢等几种形式。沼气制氢开始应用,生物制氢和太阳能光催化分解水制氢等技术仍处于实验和开发阶段,产收率较差,尚未达到工业化规模制氢要求。其中,以煤、天然气为原料重整是目前最主要的制氢方法,全球占比约95%。中国主要以煤制氢为主,技术路线成熟高效,可大规模制备,是最经济的制氢方式(6~10元/千克),年供氢能力在千万吨级至亿吨级。外国以天然气制氢为主,天然气原料占制氢成本的比重达70%以上。考虑到中国“富煤、缺油、少气”的资源禀赋,天然气制氢仅适合少数地区探索开展。综合考虑经济性、技术成熟度、产业体制机制等因素,按照目前发展趋势,中国近期将以工业副产氢为主,中长期以可再生能源电力制氢为发展方向。

  2)储运:外国高压气态和低温液态储运已成功应用。中国高压气态储运已得到广泛应用。分析氢气运输的多种方法发现,管道运输和液氢运输的规模效益明显,而高压运输灵活性较强。未来大规模的氢气应用场景下,氢气管道、液氢储运、高压储运等相互支撑与互补,形成多元化的配送使用方式。液态储氢具有储氢密度高等优势,是未来极具竞争力的储运方式。但接下来很长时间,高压气态和液态储氢形式并存。

  3)加氢站:根据H2stations统计,2019年全球加氢站累计432座,相比2018年新增83座,其中,有330座加氢站对外开放,其余的站点则为封闭用户群提供服务,比如公共汽车或车队用户。其中,欧洲加氢站已占到全球的41%,亚洲追赶速度加快,占比与欧洲持平。从国家来看,日本、德国和美国位居前三位,中国排名第四。中国近两年来,加氢站建设明显提速,建设加氢站50多座,已经投入运营的有41座,2019年增加20座,有6个省份的加氢站首次投入运营。随着国家政策的指向及地方的加大投入,我国建设加氢站会提速。预计2020年超过100座,2025年超过300座,2030年超过1000座。

  三、技术、模式与产业化进程

  1)技术:日、韩、德氢能和燃料电池技术全球领先,中国近两年技术进步加快。乘用车方面,中国与外国整车的技术路线不同。外国以“大电堆加小电池的电电混合技术路线”为主,德国与中国以“中等功率电堆加较大电池技术路线”为主,主要体现在燃料电池功率、车辆冷启动温度、系统耐久性三个指标。据统计,外国燃料电池乘用车所搭载的燃料电池电堆功率分布在85~114千瓦之间,中国大多集中在36~55千瓦之间。

  车辆冷启动温度方面,外国普遍达到-30℃,中国目前为-15~-20℃;车辆耐久性/质保指标上,外国燃料电池乘用车型在16万公里以上,中国大多为9万公里,差距较大。

  国际上燃料电池商用车技术路线对比与乘用车类似。外国车型所搭载的燃料电池系统功率等级集中在100千瓦以上,中国集中在30~60千瓦;外国车型的冷启动温度集中在-30℃,中国集中在-15℃;外国车辆耐久性/质保最高18000小时,中国最高12000小时。

  从燃料电池发动机领域来看,中国车用燃料电池发动机与外国相比,在输出功率方面差距明显。目前,中国功率等级集中在30~60千瓦,外国自2014年开始就基本达到了60千瓦以上;电堆功率密度、最低启动温度等方面也有不小的差距。总体而言,部分关键技术与国外相比,存在了5~10年的差距,高端产品依赖外国。

  2)模式:除政策驱动以外,实现燃料电池汽车规模化推广,离不开商业运营模式的突破。目前,国际上,多通过销售、租赁、政府采购等多种模式相结合,开拓燃料电池汽车的市场。

  中国燃料电池汽车集中应用在公交、物流领域,其中,燃料电池公交车一般由政府集中采购,具有示范效应,佛山、张家口、郑州、北京、济南、大同、成都、苏州、云浮、上海等城市有不同规模的燃料电池公交车投入运营。燃料电池货车主要应用于物流领域,适合发挥燃料电池长续航的特征,京东物流、申通物流等物流公司近几年加快了采购运营燃料电池物流车的步伐。电商平台的青睐催生了更多新能源企业和汽车企业在氢能物流上的投入与重视。

  3)产业化:近三年来,中国超过100家企业加入到该产业中,技术快速进步,产业链逐渐完善。从整体来看,2019年我国燃料电池系统功率的国产化和批量应用规模明显提升,目前,国内还有企业已开发出功率在60~100千瓦之间的燃料电池系统样品。核心部件方面,中国自主开发的空压机、DC/DC基本实现量产,逐渐取代进口;增湿器和氢循环泵批量供应仍依赖国外。以地域分布来看,中国燃料电池系统及核心部件企业现已形成京津冀、长三角、珠三角产业集聚区。其中,京津冀地区约14家企业,长三角地区约40家企业,珠三角地区约23家企业。

  中国燃料电池系统的核心企业包括致力于推动氢能在交通出行领域应用和燃料电池系统产业化的新型专业化企业、传统汽车与发动机制造企业和电气装备企业等,汽车核心配套部件企业也在2019年开始加大对氢燃料电池的投入,预计未来将有更多领域的企业和资本以转型升级、跨界等形式,进入燃料电池系统及核心部件产业,是车用燃料电池系统自主可控、可持续发展的基础。

  四、中国氢能的发展建议与展望

  中国燃料电池汽车进入产业化导入期,未来3~5年将是产业培育壮大的重要窗口期。在全球不断提速、竞争日益加剧的形势下,建议从国家层面,建立完善燃料电池汽车产业相关的顶层设计、稳定或加强财政支持、制定符合产业发展需求的推广政策、逐步完善相关标准法规,通过产业协同、政策引领、标准规范助推燃料电池汽车产业的发展与壮大。

  1.确立氢能发展顶层设计,建立统筹协调发展机制

  建议加快研究制定《中国氢能发展战略》,确立“以汽车应用为先导、基础设施为支撑”的发展路线。建立由中国国务院领导牵头的工作小组,制定统筹协调机制,加强对战略落地和部门协同的组织领导。分领域制定专项规划和政策,进一步明确国家战略导向,指导各地政府开展具体行动,给予氢能源产业发展稳定的政策预期。

  2.坚持“以稳为主”完善燃料电池汽车补贴政策

  柴油发动机的开发周期是6年以上,生命周期可以持续几十年。而中国燃料电池发动机研发至少需要2年以上,但生命周期随着补贴政策的调整可能大大缩短,影响企业和产业发展的连续性。建议2025年前补贴政策“以稳为主、微调退坡”,支持企业保持研发强度,加快完善开发验证体系,提升全产业链成熟度。待完成2~3代产品迭代升级、形成平台化开发能力后,再遵循2年一个周期的研发规律,适度加快退坡节奏,倒逼企业持续加强研发,形成国际竞争力。

  3.以公共领域为重点,推动扩大示范应用

  目前,普通大众对氢能不够了解,还有一些顾虑甚至是惧怕,有“谈氢色变”之说。为消除认知差异,进而推动氢能产业商业化运行,推动扩大示范应用项目必不可少。燃料电池公交车和物流车技术门槛比较低,且在推广应用宣传方面更有优势,是燃料电池车的突破口。

  中国自2003年起开始燃料电池汽车示范运行,截至目前已完成了两期燃料电池示范运行项目,第三期正在进行中。下一步应继续扩大示范区域,引入更加多元化示范车型,开创发展新的商业模式。

  4.积极扶持技术研发和自主创新

  面对氢能产业技术不成熟、产业发展不经济等突出问题,中国应统筹规划,强化车用氢能技术研发,加快车用氢能制氢、储存、运输、加注及安全方面技术研发。不断完善氢能产业体系,对产业薄弱环节加强政策支持和引导,鼓励自主创新,加大对企业氢能研究相关投入的补助,激发企业主体作用。

  通过技术合作、人才引进、设立产业基金等多途径,大力支持燃料电池基础材料、核心技术和关键部件的技术攻关,重点突破膜电极(包括膜、碳纸和催化剂)、氢循环泵、膜增湿器、空压机、DC/DC的产业化,提升核心竞争力,降低成本。

  5.健全行业监管体系和标准体系

  结合行业发展形势,从国家层面明确行业主管部门和协作部门。研究制定整个商用液氢供应链的标准和法规,解决运氢成本偏高问题;规范加氢站申请批准程序,促进氢能基础设施建设,规范加氢站对公众开放的标准;构建符合中国氢能技术发展趋势的氢能技术标准体系,加强对氢能源利用管理规范技术要求和产品认证等综合标准研究。

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