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电动车加氢站步履维艰 压缩技术未突破成阻碍

   和纯电动汽车一样,燃料电池汽车发展初期同样面临着基础设施建设不完善的尴尬境地。中国工程院院士衣宝廉表示:“我国国内加氢站目前在运行的大概有9座,北京、上海各2座,深圳、广州各1座,还有一座移动加氢站,另外2座归属新源动力和宇通客车。”不少业内人士认为,加氢站数量少,在一定程度上成为氢燃料电池汽车发展的最大障碍。然而,加氢站数量少背后有着更深层次的问题,如加氢站建设耗资巨大,到底要不要提前“遍地布局”?谁来投资?加氢站建设过程中还有很多技术问题需要解决等。
 
电动车加氢站步履维艰  压缩技术未突破成阻碍
 
  成本高成加氢站建设最大难题
 
  数据显示,目前,建成一座加氢能力大于200公斤的加氢站需要1000多万元,如此高昂的建设成本显然是加氢站快速发展的最大障碍。要想实现加氢站大规模建设,加快产业布局,大幅度降低成本是当务之急。衣宝廉说,因成本高,加氢站建设的相关技术还有待进一步研发,否则难以促进市场化大规模推广。
 
  为何建设一座加氢站的成本如此之高?有专家表示,这与相关技术、安全要求存在很大关系。以储氢材料为例,目前的技术条件导致储氢容量很低,氢气的质量仅占容器质量的1%~2%。目前比较先进的杂环化合物储运氢的技术可使储氢量达到5%~6%,是值得探讨和实验、被认为是一种有前途的氢储运方法,但这种方法目前还没有被广泛应用于氢的储存,还有待试验验证。
 
  不过,对于加氢站的建设,国家在政策上一直给予大力支持,每建设一座加氢站,补助400万元,与此同时,有些地方政府也在对加氢站的建设给予补贴。宇通客车国家电动客车电控与安全工程技术研究中心副主任李飞强说,随着加氢站关键零部件的本土化和批量化,加氢站的成本会大幅降低,同时随着数量的增加,加氢站的建设成本也会逐步降低。
 
  氢储运技术影响加氢站建设
 
  除了建设成本高昂,加氢站建设还有不少难题,如在技术上存在一定争议,全球范围内也没有统一的标准。我国在质子交换膜组、储氢罐等核心设备的技术储备上还比较薄弱,尚有许多技术难点需要攻关,尤其是在加氢站建设过程中的氢气压缩机、加氢站不锈钢材料、加氢站温度等问题上还存在一定争议。北京海德利森科技有限公司副总经理、产品总监韩武林就认为,建设加氢站首先要明确加氢站的加氢能力,其次在加氢站设计中,氢气增压机和储罐的匹配、选择、优化最为重要。
 
  对于标准建设,长城汽车副总裁Tobias Brunner表示,当前加氢站建设面临标准缺失和成本高昂两大难题。“在加氢站的建设过程中,目前,全世界范围内并没有统一的标准,是70MPa还是35MPa增压标准,大家观点不一。”在他看来,当前运用比较多的是70MPa,但这一标准有一个最大的挑战,就是压缩后怎样实现稳定加注。“目前还没有足够成熟的技术可以解决这个问题。”他认为,加氢站要确保运行效率,也必须达到一定的功率,而受目前的相关技术所限,在功率问题上还有很大的提升空间。
 
  全国氢能标委会主任委员马林聪表示,要尽快组织专家把加氢站方面的标准做起来,推动加氢站的建设。
 
  比成本高、技术待提升、标准建设滞后更值得关注的是氢气的储运安全问题。目前,这方面还处于试验验证阶段,而安全问题能否彻底解决是决定包括加氢站建设在内的氢燃料电池汽车发展的关键。全国燃料电池标准化技术委员会秘书长卢琛钰表示,当前,氢燃料电池汽车市场化的根本阻碍是安全问题。加氢的背后需要一整套氢能源生产和运输网络作为支撑,氢气本身的安全问题、加注氢燃料时的安全及操作过程中的安全问题都需要解决好。浙江大学教授郑津洋认为,加氢站储氢装置应该满足能承受高压、具备在线监测功能、发生危险自动报警、良好的经济性要求。
 
  卢琛钰强调,加氢站建设首先要确保产品的安全性,再考虑商业推广的问题,否则一旦氢燃料电池汽车在运营中出现安全事故,对产业发展将产生致命性打击,这与天然气汽车、纯电动汽车发展初始阶段一样,而氢燃料电池汽车目前还处于产品可靠性积累的阶段,谈商业模式还为时尚早。
 
  最新消息显示,目前,国内关于加氢站与加油站、加气站的合建技术规范已制定完毕,正待出台和实施。广东佛山等地已开始率先试点在加油站里配建加氢站,以解决氢燃料汽车加氢的困难。
 
  加氢站建设仍需政府主导
 
  按照规划,2025年,我国将实现加氢站等配套基础设施的完善。预计2025年后,国内燃料电池汽车产业将进入快速发展阶段,到2030年国内燃料电池汽车年销量规模可达百万辆以上,配套加氢站数量将在4500座以上,对应加氢站投资规模800亿元,相关设备投资规模达到500亿元。
 
  不过,目前来看,成本高、技术难度大的难题不解决,加氢站的完善仍存在很多困难,不少业内人士认为,解决这些难题还需要政府主导。
 
  与新能源汽车地方推广一样,加氢站建设也对地方补贴和政府支持存在很大依赖性,同时地方政府的补贴和积极探索成为加氢站建设的重要支撑。卢琛钰表示,在加氢站的建设上,国内尤其是地方政府已经有了很多尝试和探索,海南、江苏盐城等地都用补贴+联合运营的方式探索推进加氢站的建设,目前看已经取得了不错的效果。广东省曾对200公斤以上的加氢站给予500万元的奖励,高补贴成为推进加氢站建设的有力推手。广东佛山已经开始试点加氢站与加油站合并建设。佛山市副市长许国就曾介绍,佛山在推动加氢站建设方面,找到了一条有效途径,发动中石化、中海油、中石油,在现有的加油站基础上加一个加氢装置。许国认为:“国内现有的加油站几乎都可以搞加氢站,只要把中石化、中石油、中海油的力量调度起来,我国加氢站的数量只要两到三年的时间,就可以达到全世界最多的水平。”
 
  “加氢站建设跟不上主要是政府导向和支持力度问题。”新研氢能源科技有限公司CTO、IEC国际标准召集人齐志刚说,当前,在加氢站的建设上,国家层面有明确支持,但很多地方政府因为担心安全问题,对加氢站的支持力度不够。齐志刚强调:“氢气和氢气站是很安全的,只是绝大多数人对氢气不了解,想当然地认为氢气不安全。如果他们了解一下氢气的物理特性、化学结构和实际案例,很快就会认识到,其实氢气是目前所有气态或液态燃料中最安全的。”齐志刚认为,地方政府的担心带来审批流程过长、怕承担责任、限制的条条框框特别多等问题,这些问题是导致加氢站建设跟不上的根本原因。“如果这种情况能够改变,可以吸引很多资本,而且他们会实现盈利,生存下去没有问题。”齐志刚建议,国家应该引导甚至用强制命令的行政手段要求地方政府全力支持加氢站的建设,这才是推动加氢站建设的根本方法。
 
  衣宝廉认为,燃料电池汽车大规模示范要从对加氢站依赖度低的公交车等商用车开始。这与宇通客车燃料电池专业首席工程师李进观点相同:“中国燃料电池汽车商业化以商用车作为突破口更可行。”李进称,氢燃料电池客车大多在固定线路使用,方便布局加氢基础设施。卢琛钰也认为:“商用车点对点的运营、专人管理,较利于推广氢燃料电池汽车,而且相对乘用车,商用车技术要求也没那么高,我国在这一市场发展得比较好。因为有了固定的市场需求,加氢站的建设也变得容易得多,见到收益之后,相关站点建设的步伐也会加快。”
 
  值得注意的是,现阶段是否需要大规模建设加氢站,加氢站降低成本是否只有技术提升一条途径等问题,业内尚有些争议。卢琛钰就表示:“无论是成本问题还是基础设施配套问题,都是建立在一定产业规模基础上的。”他认为,就像纯电动汽车示范阶段,很多充电站被荒废一样,在市场上没有一定规模的车辆时,建设过多的加氢站只会造成资源浪费。
 
  加氢站三大核心设备未突破
 
  加氢站系统依据不同的功能,可分为制氢系统(自制氢)或输送系统(外供氢)、调压干燥系统、氢气压缩系统、储气系统、售气加注系统和控制系统六个主要子系统。氢气压缩机、高压储氢罐、氢气加注机是加氢站系统的三大核心装备。加氢站通过外部供氢和站内制氢获得氢气后,经过调压干燥系统处理后转化为压力稳定的干燥气体,随后在氢气压缩机的输送下进入高压储氢罐储存,最后通过氢气加注机为燃料电池汽车进行加注。
 
电动车加氢站步履维艰  压缩技术未突破成阻碍
 
  1)氢气压缩机
 
  将氢源加压注入储气系统的核心装置,输出压力和气体封闭性能是其最重要的性能指标。全球范围内来看,各种类型的压缩机都有使用。隔膜式压缩机输出压力极限可超过100MPa,密封性能非常好,因此是加氢站氢气压缩系统的最佳选择。但隔膜式氢气压缩机需采用极薄的金属液压驱动膜片将压缩气体与液油完全分离,液油压缩结构和冷却系统也较为复杂,技术难度远高于常规压缩机。
 
  2)高压储氢罐
 
  加氢站储气系统的储氢容器,储气压力是其主要技术指标。氢气与传统工业气瓶的钢质内胆易发生氢脆反应,诱发容器壁裂纹生长,所以目前加氢站高压储氢罐主要采用碳纤维复合材料或纤维全缠绕铝合金制成的新型轻质耐压内胆,外加可吸收冲击的坚固壳体,容器壁复合材料复杂的制备和成型工艺是储氢罐制造的主要技术壁垒。
 
  3)氢气加注机
 
  为燃料电池汽车加注氢燃料的核心设备,加注压力是其主要参数。氢气加注机的加注压力高于20MPa标准的天然气加注设备,但其主要结构和工作原理与天然气加注机并无较大区别,相较于氢气压缩机和高压储氢罐而言技术难度较小,未来的发展方向在于加注系统智能化和安全性的提高。
 
电动车加氢站步履维艰  压缩技术未突破成阻碍
 
  欧美日加氢站普遍采用与汽车配套的70MPa压力标准,并实现设备量产。日本从制度上鼓励车载氢瓶单次充气压力的安全上限值从70MPa提高到88MPa,进一步实现技术升级。从具体设备来看,氢气压缩机:美国PDC等公司已掌握具有三层金属隔膜结构的氢气压缩机制造技术,输出压力上限超过85MPa;高压储氢罐:美国、加拿大、日本等国均可自主生产耐压超过70MPa的碳纤维复合材料和铝合金内胆等材料制成的高压储氢容器;氢气加注机:德国林德、美国空气化工等企业生产70MPa氢气加注机安全性与智能化较高,并实现量产。
 
电动车加氢站步履维艰  压缩技术未突破成阻碍
 
  我国示范性加氢站和燃料电池客车车载供氢系统尚处于35MPa压力的技术水平,核心设备主要依赖进口。为与客车配套,现有加氢站采用了45MPa隔膜式压缩机、45MPa储氢罐和35MPa氢气加注机等设备,压力标准提升还有待未来70MPa燃料电池汽车的普及。加氢站核心设备研制处于起步阶段。氢气压缩机方面,我国现有压缩机制造商仅能生产用于石油、化工领域的工业氢气压缩机,输出压力均在30MPa以下,无法满足加氢站技术要求,中船重工718所通过与美国PDC公司技术合作可组装配套加氢站的高压氢气压缩机,但核心部件均需美方提供,距离国产化还有较远距离;高压储氢罐方面,我国浙江大学攻克了轻质铝内胆纤维全缠绕高压储氢气容器制造技术,解决了超薄铝内胆成型、高抗疲劳性能的缠绕线形匹配等技术难题,但尚未实现成品量产;氢气加注机方面,天然气设备制造商厚普股份已成功研发氢气加注装置,并已进入产品测试阶段,氢气加注设备是目前最有可能实现国产化的核心设备。
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