浅谈氢能源技术的新突破与创新路径

浅谈氢能源技术的新突破与创新路径换氢技术是目前氢能源产业政策和市场等多方面因素共同作用的结果，将推动氢能产业实现跨越式发展。一、什么是换氢换氢是利用专用装置或人工辅助快速更换燃料电池汽车储氢模块，实现燃料电池车辆等装置完成氢补充的过程。对于燃料电池汽车来说，就是利用加注好的车载氢系统直接更换整车上需要补氢的车载氢系统的过程。二、换氢流程1.车辆进站：氢燃料电池汽车驶入加氢站，按照工作人员的指引停靠在指定的加氢位置。2.安全检查：工作人员会对车辆进行全面的安全检查，包括检查车辆的氢气系统是否存在泄漏、零部件是否损坏等，确保车辆处于安全状态，符合加氢条件。3.连接加氢设备：确认车辆安全后，工作人员将加氢枪与车辆的加氢口进行连接，确保连接牢固，防止氢气泄漏。4.开始换氢：通过加氢站的氢气压缩设备和控制系统，将高压氢气从加氢站的储氢装置输送到车辆的储氢罐中。在加氢过程中，工作人员会密切监控加氢的压力、温度等参数，确保加氢过程安全、稳定地进行。5.完成换氢：当车辆储氢罐达到规定的压力或充入的氢气量达到设定值时，加氢过程结束。工作人员关闭加氢枪阀门，断开加氢枪与车辆的连接，并对车辆的加氢口进行检查，确保密封良好。6.车辆出站：工作人员再次对车辆进行安全检查，确认无误后，车辆可以驶离加氢站，继续投入使用。三、换氢设备1.加氢枪：类似于加油站的加油枪，是将氢气从加氢站的储氢系统传输到车辆储氢罐的关键设备，需要具备良好的密封性能和安全性能，能够承受高压氢气的传输。2.氢气压缩机：用于将氢气压缩到高压状态，以便存储和运输。在加氢站中，氢气压缩机是将来自气源的低压氢气压缩到适合车辆储氢罐存储的高压氢气的重要设备。3.储氢罐：无论是加氢站的储氢罐还是车辆上的储氢罐，都是用于储存氢气的装置。车辆上的储氢罐需要在保证安全的前提下，尽可能地减小体积和重量，以提高车辆的性能和续航里程。四、换氢成本换氢成本主要包括氢气成本、加氢站建设及运营成本分摊、设备折旧等方面，具体如下：1.氢气制取成本煤制氢：成本约6.7-17.9元/kg。天然气制氢：成本在8.9-17.9元/kg。工业副产氢：成本为8.9-16.8元/kg。电解水制氢：成本较高，约38-54.8元/kg。生物制氢：成本约28.6元/kg。2.加氢站相关成本建设成本分摊：以500kg的35Mpa固定式加氢站为例，建设费用约1000万元，设备折旧年限15年，年折旧费用66.6万元；若土地购置300万元，折旧年限30年，年折旧费用10万元。3.运营成本分摊人工成本：加氢站最低配备5名员工，人工平均8万元/人/年，5名员工人工成本40万元/年。其他费用：包括电费、计量费用、维修维护费用等，合计约50-100万元/年。4.运输成本（1）气态运输：如果采用管束拖车运输，距离较近时，每公斤氢气运输成本可能在5-10元；长距离运输成本会更高。（2）液态运输：液氢罐车运输，成本相对气态运输更高，每公斤运输成本可能在10-20元甚至更高，这还不包括液氢的液化成本。（3）终端加氢成本：据相关数据，如果加氢站采用价格较低的化石能源制氢和工业副产氢，考虑氢气运输成本及利润，氢气到厂价格约25-35元/kg。假设加氢站年运行天数300天，产能利用率100%，年加氢量150吨，毛利率约为15%，加氢枪口价格约为45元/kg。五、换氢技术的优点“以换代加”弥补加氢基础设施不足的重要举措。换氢能够将车载氢系统从车中脱离出来，实现在氢气供应端集中充装，实施以满换空的新型补氢模式，降低氢气运输成本，简化氢气补充站点流程，完善换氢基础设施建设。而且换氢站的建设成本比加氢站更低，这也能够降低氢气价格，从而降低燃料电池汽车的运营成本。提升运营效率和优化用户体验的有效措施。可更换氢系统换氢时间比加氢时间短，由于重卡的储氢量高，目前一辆氢燃料电池重卡的加氢时间可达10~30min，影响车辆运营效率，而“换氢”仅需要几分钟，能够显著提升车辆运营效率和用户体验。降低车载氢系统全生命周期成本的关键途径。车载氢系统的设计寿命为11000次充装循环，远高于燃料电池汽车整个生命周期的需求（2000~3000次充装循环）。如果储氢系统从一次性购置变为“换氢”的逐次支付费用的模式，能够有效降低燃料电池汽车的购置成本，使氢燃料电池汽车的初期推广更容易。六、换氢技术的缺点通过这些优点可以看出，换氢技术为氢能汽车的推广和应用提供了一种成本效益高且方便快捷的解决方案，尽管如此，仍面临一些挑战：1.换氢站建设成本高：换氢站需要配备专门的设备，如氢气压缩机、储氢罐等。土地成本、基础设施建设费用以及安全防护措施都增加了初期投资。2.技术成熟度有待提高：相比于传统的加油站和充电站，换氢技术仍处于相对较新的阶段。自动化和快速换氢系统的可靠性、稳定性和效率还需进一步优化。3.氢气储存和运输的安全性问题：氢气的易燃易爆特性使得其储存和运输需要严格的安全规范。高压储氢罐可能会受到撞击或温度变化的影响，存在一定的安全隐患。4.兼容性和标准化问题：不同厂商的燃料电池汽车和换氢设备之间可能存在兼容性问题。目前缺乏统一的国际标准和规范，制约了换氢网络的扩展和互联互通。5.设备维护复杂：换氢站的设备和系统比较复杂，需要专业的维护和技术支持。长时间运行后的磨损和老化问题也需要及时解决。6.运营成本较高：换氢站的运营需要持续投入人力、物力和财力进行管理和维护。氢气的运输和储存成本也会影响到最终的终端售价。7.市场接受度和普及率低：由于氢燃料电池汽车的数量较少，换氢站的投资回报率较低，企业投资意愿不强。消费者对氢燃料电池汽车的认知度和接受程度还有待提高。七、换氢技术现状2024年，在FCVC2024的展会中，丰田展示了打破传统加氢模式的换氢站，表示换氢站已在中国进入实证实验阶段。实际上，全球首个提出重型卡车更换氢气概念的是日本丰田汽车公司。在2022年6月，丰田及其子公司WovenPlanet共同开发了一款创新的便携式氢罐原型。这种新型便携氢罐旨在简化氢能的日常搬运和供应过程，能够为家庭内外的多种生活场景提供能源支持。针对高速公路上货运量大、行驶距离长以及需要连续作业的挑战，丰田提出了一个集成的解决方案，包括高功率系统、70MPa的加氢系统，以及一个一体化的可更换式氢气瓶存储模块。这一方案的关键在于其可更换的氢气瓶存储模块，这可以在加氢设施不便的地区使用，从而扩大了氢能应用的覆盖范围，并有效解决了补充氢能的难题。2025年3月，中汽氢能发布消息，经过半年紧张筹备，中汽研新能源汽车检验中心（天津）有限公司联合能源企业、整车企业、车载氢系统企业、系统企业、特检院、船舶及轨道交通等近30家单位，共同发起成立了“换氢技术联盟”。总体来看，重卡换“氢”模式是对低成本推广和运营氢能重卡的有益尝试。国内一些先锋科研团队