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    氫燃料電池汽車全球發展現狀及對鋼鐵行業的影響

    2021-10-29 08:06:00

      康斌
      第21屆聯合國氣候變化大會(巴黎氣候大會)上通過的《巴黎協定》,提出了將全球平均氣溫上升幅度(較前工業化時期)控制在2攝氏度以內的目標。近年來,歐盟、日本、韓國、中國等先后提出了各自的碳達峰、碳中和目標。為實現這些目標,鋼鐵行業和汽車制造行業都在積極探索有效降低碳排放的方式。鋼鐵行業將研究重點放在了氫冶金及其實現方式上,汽車制造行業也先后研發出了混合動力汽車、純電動汽車、氫燃料電池汽車等。如今,越來越多的汽車制造企業開始研發氫燃料電池汽車,鋼鐵企業也越來越關注氫能利用。為了實現碳中和,兩大行業都瞄準了低碳排放的氫能利用技術。
      氫燃料電池汽車利用催化劑(通常是鉑)將儲氫罐中的氫氣分解成氫離子和電子,然后再使氫離子通過質子膜與空氣中的氧氣發生反應以產生電能。氫燃料電池汽車的能量轉換是在靜態下完成的,無噪聲、無振動,且運行溫度低,功率響應快。燃料電池直接將燃料的化學能轉化成電能,能量轉換效率為45%~50%,而一般的內燃機車能量轉化效率約為30%。氫燃料電池功率由配置單體電池的片數決定,而續航里程則由氫燃料罐的大小(儲氫容量)來決定。氫燃料電池汽車不排放硫氧化合物、氮氧化合物等有害氣體,也不排放二氧化碳,是一種綠色汽車。
      氫燃料電池汽車主體結構由高壓儲氫罐、燃料電池(反應堆)、升壓逆變器、動力控制單元、電動機、驅動電池等組成(如圖1)。
      
      質子膜燃料電池(Proton Exchange Membrane)是燃料電池汽車的動力源。質子膜燃料電池的核心部件是膜電極組件(MEA),包括質子交換膜、催化層、氣體擴散層等片層結構。這幾層材料經過熱壓成型后便形成膜電極組件,其兩側需裝上密封圈,然后再放置于雙極板之間,由此構成單體電池,若干塊單體電池便組合成燃料電池堆。質子交換膜是制作氫燃料電池的關鍵材料,一般占燃料電池系統成本的5%。目前,全球能夠商業化供應氫燃料電池質子交換膜材料的只有美國杜邦公司和一家日本公司。2014年,我國山東東岳集團生產的普通燃料電池膜使用壽命僅800小時,2015年其使電池膜使用壽命達到了2000小時,2016年東岳膜DF260達到國際燃料電池汽車膜使用要求,在奔馳公司的壽命加速測試中突破了6000小時。全球鉑金年產量大約200噸,普通燃料電池汽車對于鉑金的需求已經由1克/千瓦下降至0.3克/千瓦,在實驗室條件下有可能實現0.1克/千瓦。2015年,豐田在其生產的每一輛氫燃料電池汽車上使用了100克的鉑金,而目前其已將鉑金使用量下調到了10克/輛,其目標是到2025年使單車鉑金用量下降至5克。
      世界主要國家氫燃料電池汽車
      發展現狀
      日本著力打造氫能社會,制定了國家氫能基本戰略,確定了到2050年氫能社會建成目標以及具體行動計劃。截至2017年底,日本擁有的氫燃料電池汽車超過2000輛。在2021年東京奧運會上,日本成功使用氫氣作為奧運主火炬的燃料。這是奧運會歷史上首次主火炬使用不排放二氧化碳的燃料。東京奧運會除了把氫氣作為火炬燃料之外,還在奧運村周圍建立加氫站,奧運會期間24小時為氫燃料電池汽車提供加氫服務。日本計劃到2025年擁有可上路的氫燃料電池汽車20萬輛,到2030年達到80萬輛,并在國內建成投用900座加氫站。
      2015年,由液化空氣集團、戴姆勒、林德、OMV、殼牌和道達爾6家氫能產業的龍頭企業結成了“H2 Mobility”企業聯盟,以社會產業資本的身份一同支持德國氫能產業發展,為氫燃料電池汽車建設氫基礎設施。“H2 Mobility”企業聯盟計劃到2023年建成并投用400座加氫站。中國的長城汽車于2018年10月份與“H2 Mobility”企業聯盟簽署了諒解備忘錄,通過提供額外投資收購了該聯盟大約5%的股份,成為其第7個股東。2020年6月10日,德國聯邦內閣通過了《國家氫能戰略》,對德國未來氫能的生產、運輸、使用和再利用以及相應的技術創新和投資建立一個統一、連貫的政策框架。該戰略有助于德國實現其氣候目標,是該國創建新的經濟價值鏈及進一步和其他國家發展國際能源政策合作所必須的措施,保障了德國能源供應系統的安全。此外,德國漢堡市也于近幾年啟動了氫能示范應用項目——“HyCity”計劃(氫能城市計劃),涵蓋了氫氣制取、運輸、儲存及燃料電池應用的氫能全產業鏈。德國致力于開發集風力發電、電解水制氫、高壓儲氫及燃料電池發電技術于一體的氫能應用技術,并建立多個氫能示范應用中心。
      2019年,韓國發布“氫能經濟發展路線圖”,計劃到2019年底在該國境內普及4000輛以上氫燃料電池汽車;到2025年建立年產量達10萬輛氫燃料電池汽車的生產體系;到2040年分階段生產620萬輛氫燃料電池汽車。韓國政府還計劃在公共交通領域普及氫燃料電池汽車,力爭到2022年有2000輛、到2040年有4萬輛氫燃料電池公交車投入使用。此外,韓國警方于今年用氫燃料電池汽車替換了820輛警務大巴。韓國計劃到2040年將現有的14座加氫站增建至1200座,將燃料電池年發電量增加至15吉瓦(達到2018年韓國發電總量的7%~8%)。該路線圖若順利落實,到2040年韓國政府便可創造出43萬億韓元的年產值和42萬個工作崗位。
      據中國汽車工業協會研究數據顯示,2019年全國氫燃料電池汽車產銷量分別為2831輛、2737輛,運營加氫基礎設施有28座。中國現有的氫燃料電池汽車主要是商用車,氫燃料電池乘用車還處于示范運行階段。在燃料電池叉車方面,中國已有東莞氫宇等企業布局。然而,目前制約我國氫燃料電池汽車發展的瓶頸包括燃料電池耐久性、關鍵材料及核心零部件、氫供給等。
      現代汽車的
      “氫燃料電池重型卡車生態圈”
      現代汽車為了順利推動XCIENT Fuel Cell氫燃料電池重型卡車的普及,構筑了獨樹一幟的氫燃料生態系統,并借由該生態系統將氫燃料電池重型卡車推向市場。為此,現代汽車牽頭構建“氫燃料電池重型卡車生態圈”,將氫燃料生產企業、加氫站基礎設施構建聯合組織及重型卡車客戶公司綁定在了一起。
      Hyundai Hydrogen Mobility公司(由現代汽車和瑞士專業氫能源解決方案企業H2 Energy公司成立的合資企業)作為氫燃料電池卡車的供應商,以合作伙伴的身份加入了由全球21家能源公司和物流企業聯合成立的瑞士氫能源移動出行協會(H2 Mobility Switzerland Association),與加氫領域的各大主體建立了戰略合作關系。此外,H2 Energy公司作為現代汽車的合作伙伴,也是瑞士氫能源移動出行協會的會員,于2020年聯合全球知名能源企業Alpiq公司和Linde公司在瑞士成立了首家生產商業用氫能源的合資企業(Hydrospider公司),將氫燃料生產主體也納入了“氫燃料電池重型卡車生態圈”。
      氫氣密度小,難以儲運,但熱值高。氫氣的儲運成本高,與氫氣的特性有關。氫氣在1個標準大氣壓下的密度為0.0899克/升,熱值為1.4億焦耳/千克,也就是大約1公斤氫氣完全釋放的電能有39千瓦時,轉換效率最高為60%。1千克氫氣所含能量與3.3升柴油所含的能量大致相同。相關數據計算得出,7千克氫氣足夠為40噸級卡車提供大約96公里的動力。
      Hydrospider公司致力用水力發電的剩余電力通過電分解(電解水)的方式來生產氫能源,基本不會排放出污染物質。Hydrospider公司生產的環保氫能源,將由H2 Energy公司和Hyundai Hydrogen Mobility公司積極供應至瑞士氫能源移動出行協會的會員企業構建的加氫站。這意味著現代汽車致力構建的“氫燃料電池重型卡車生態圈”具備創新結構,同時涵蓋了加氫站構建主體和卡車需求渠道。隨著現代汽車開始全面供應氫燃料電池重型卡車,加氫站基礎設施的建設速度也將同步加快。
      現代汽車以建設全球首家量產及銷售氫燃料電池重型卡車企業為開端,向全世界彰顯了該公司在氫燃料電池商用車領域的領導力。現代汽車已經超越其單純的汽車供應商身份,通過與歐洲氫燃料價值鏈合作伙伴間的密切協作,構筑了實現氫燃料生產、流通及消費產業鏈循環的氫燃料業務生態圈。未來,該公司將陸續進軍歐洲、北美和中國,引領全球環保商用車市場實現結構性轉型升級。
      2019年11月份,中國第一批氫燃料重型卡車已經在寶武集團投入商業化運營。2021年7月7日,中國首臺49噸級氫能重型運輸車在河鋼唐鋼新區投用。該氫燃料電池貨車是由南京開沃新能源汽車公司生產的。目前,氫燃料電池重型卡車市場正逐步發育成熟,日、韓、美、歐的氫燃料電池車企紛紛與傳統卡車制造商強強聯合,國內各大車企、鋼企也預見了氫燃料電池重型卡車未來的發展前景。氫能重型卡車的賽道已經“百花齊放”,我國各大車企也要憑借實力與國際品牌一戰。在鋼鐵企業致力于研究氫冶金及其實現方式的同時,氫燃料電池汽車制造行業也將持續為其助力。
      《中國冶金報》(2021年10月29日 02版二版)

    來源:中國冶金報-中國鋼鐵新聞網

    編輯:宋玉錚

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