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除了空壓機,氫燃料電池汽車產業化還差什么 ?

編輯:瑞田 發布時間:2019-07-08 關注:

  前幾日,漢鐘精機公司透漏已研發出應用于燃料電池產業的空氣壓縮機產品,引發各界熱議。

  全國政協副主席、科技部前部長萬鋼,在《人民日報》撰文稱,新能源汽車應及時把產業化重點向燃料電池汽車拓展。

  一文掀起千層浪,特別是氫燃料電池是否具備了產業化條件,業界爭議很大。

  由此,我們不妨來看看,在氫燃料電池領域,產業化還需要補足什么?我們除了壓縮機等必要設備,還差什么?

  01 我們有什么?

  說到燃料電池,最核心的材料是質子交換膜、催化劑、氣體擴散層、以及雙極板。質子交換膜、催化劑和擴散層經過一定的工藝加工程膜電極(MEA),而膜電極是燃料電池的心臟。

  A.質子交換膜

  質子交換膜是膜電極中最核心的部件之一。對于質子交換膜,有三個主要的技術要求:

 ?。?)必須具有較高的質子導電性


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  (2)必須有足夠低的氣體滲透率

 ?。?)在運行環境下具有足夠的化學和機械穩定性

  在國內,上海有機所、大連化學物理所、武漢理工大學、山東東岳集團、新源動力等是質子交換膜主要開發和生產單位。以東岳的DF260隔膜為例,膜厚度為15微米,在開路電位情況下耐久性大于600小時,膜在保證性能的前提下運行壽命超過6000小時,干濕循環次數超過20000次,得到AFCC(Automotive Fuel Cell Cooperation,戴姆勒-奔馳與福特的合資公司)的認可,并給東岳特聘專家、上海交通大學張永明教授頒發了技術達標獎。目前,該膜已經定型量產,二代規劃產能20萬平方米,至少可滿足每年20000輛全功率型FCV的需求。

  B.催化劑

  催化劑以Pt(鉑)催化劑為主。中國氫能專家衣寶廉院士在一次采訪中曾提到,低Pt催化劑是燃料電池的主要技術方向。當一輛FCV的鉑用量低于傳統汽車三元催化中鉑的用量的時候,就達到了目標。而制備殼型結構的催化劑是降低催化劑用量的一個有效的方法。

  在“十三五”重點研發計劃項目的支持下,大連化物所、上海交通大學、華南理工大學、北京大學、蘇州大學等著名研究機構取得了多方面的進展。

  除此之外,清華大學、重慶大學、廈門大學等研究機構也對非Pt催化劑開發展開了研究,并取得了階段性成績。雖然中國新型催化劑,其中一部分在性能和穩定性上已經超過商業催化劑,但尚未實現量產制備。

  C.膜電極

  膜電極方面,如武漢理工新能源有限公司早已實現了商業化生產,產能已經達到5000平米,國內開發的第二代膜電極水平和國外商業化膜電極水平差距較小。目前,以開發有序化膜電極、新一代CCM技術為主要研發方向。

  D.雙極板

  雙極板也是燃料電池的核心部件之一。如果按照功能去命名,可能叫做“雙極集電分離板”更加貼切?;陔p極板的作用,其特性必須兼具較好的導電、導熱性能,極低的氣體滲透率,要有足夠的尺寸和足夠的強度,還要耐腐蝕。雙極板承擔著電堆大部分的重量和成本,因此,低成本、輕量化、易生產,是對雙極板的具體要求。

  從材料上看,雙極板主要分為石墨雙極板、金屬雙極板和復合材料雙極板。目前,國內以開發金屬雙極板電堆為主要技術路線。尤其豐田Mirai推出鈦基雙極板燃料電池電堆之后,更堅定了行業開發金屬雙極板技術方向的信心。雙極板技術的難點在于成型、焊接、涂層三個關鍵步驟。

  上海治臻新能源裝備有限公司依托于上海交通大學的技術力量,已經攻克了雙極板成型、焊接、涂層三道技術難關,可以實現雙極板國產化、批量化生產,設計年產量可達50萬副,至少可供1500輛以上FCV使用。

  由以上可以看出,雖然中國燃料電池技術與國際領先水平仍有差距,但已經初步具備了產業化的條件。

  02 我們缺什么?


  A.缺市場驅動力

  市場需求是產業化的前提,而產業化又是降低成本的基礎。燃料電池是關系國家未來能源結構的關鍵技術。如果只能滿足小眾的需求,那便是資源的浪費。但是迄今為止,燃料電池并沒有找到一個很好的應用場景。縱觀全球,燃料電池的盈利空間也極其有限。因此,在沒有市場規模的前提下,不論是研發成本、材料成本、制造成本、還是后期的維護服務成本都很難下降。

  沒有規?;杀揪筒荒芙档停杀静唤档透鼪]有規?;袌?。這一死循環的破解方法是不遺余力地挖掘需求,這仰賴于企業家的能力和精神:發現未來的機會,現在敢于投入。


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  B.缺戰略性的資金

  《能源技術革命創新行動計劃(2016-2030年)》提出了燃料電池的目標:“2020年實現質子交換膜燃料電池(以下稱PEMFC)電源系統實現額定輸出功率50~100kW、系統比功率≥300Wh/kg、電堆比功率3000W/L以上、使用壽命5000小時。”一個50kW的電堆,完成5000小時的壽命測試,僅氫氣費用就要達到上百萬甚至數百萬之多,因此,發展燃料電池產業,需要大量的資金投入。

  燃料電池是一條長線投資,換言之,燃料電池的獲利屬于未來。因此,燃料電池缺乏的是高瞻遠矚的戰略投資。更加需要警惕的是,如果資本急功近利可能會產生“拔苗助長”的負面效果,比如把不合格的電堆推向市場,可能引發故障或者事故,除了安全隱患外,甚至會誤導社會對燃料電池的認知,反而不利于燃料電池行業的發展。

  C.缺產業鏈

  現在社會分工更加明細,如果燃料電池只是幾個企業,而非一個產業,那勢必是低效的。說到產業鏈,我們很容易想到制氫和儲氫。依照Mirai的數據,百公里氫氣消耗量約為0.6~0.7公斤。那么氫氣的價格就直接關系到用戶的使用成本。氫氣價格的組成,受到制氫、純化、儲運、加氫站建設與運營、利潤等諸多因素影響,甚至包括加氫計量的偏差。

  未形成產業鏈,是除了市場規模外,另一個影響燃料電池成本的重要原因?;蛘咄ㄋ椎恼f:這些材料和元器件都不是專為燃料電池設計的,因此可能存在著需求與性能和成本上的各種不匹配。如FCV一般使用碳纖維材料作為生產IV型瓶(非金屬內膽全纏繞氣瓶)的主要材料,這種材料的成本短期內成本可能很難降低。


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  03 怎么做


  A.找應用場景

  如果燃料電池不能找到合理的應用場景,可能會成本失真,缺乏方向。前文提到那些國內頂尖的燃料電池研發機構,未必是產業化的最合適場所。他們有能力提升材料和電堆的各項指標,完善著各種理論,甚至開發原型機和工程樣機……但這都不是達成產業化的充分條件。

  燃料電池的場景,比如重載貨車利用“液氫+燃料電池”的組合,或者特種燃料電池車輛(如叉車)。這些是企業家基于商業嗅覺所開發的應用,而非科學家的判斷。燃料電池產業化的前提是,找到不得不使用燃料電池的應用場景。光闡述燃料電池的優勢并沒有什么幫助。


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  應用場景合適,才有可能創造市場。有了市場,才會營造規模,而在規模之下,原來固有的問題,可能不再是問題。比如大家都擔心燃料電池對貴金屬催化劑的依賴,但當它初具規模,形成Pt回收的產業鏈條,這個擔心將不復存在。

  B.相信自己的專家

  如果有在先進企業工作過的人,愿意在國內工作,恰好他們在國外還接觸過燃料電池,國內企業很多企業都會趨之若鶩。但即使他們真的了解核心技術,也未必能將中國的燃料電池技術推向新的高峰。

  技術應用,也要因地制宜。需要技術專家,更需要技術團隊、研發機制、資金支持、績效管理等一系列影響因素。一個企業,很難因為某個專家而改變基因。也許這些洋專家自己也很清楚,他的價值,多來自于不對稱的信息。為保證自己的收益,也很少有人愿意把自己掌握的東西全盤托出。

  我們有自己的專家,在燃料電池研發的道路上,走了十余年或者幾十年,更重要是,他們更了解國情,提出的建議更具有可行性。

  某次會議上,一位德國專家在回答中國企業的征詢時說了一句:FürIhre China-Problem, sollten Sie Ihre eigenen chinesischen Experten informieren(中國的問題,要請教中國自己的專家)。這句話我非常贊同。


  C.靈活的戰略

  首先,戰略制定要因地制宜。中國每年大量的可再生能源無法上網,出現了大量的棄風棄光現象。是否一定可以用這些電能電解水制氫?姑且認為商業模型成立,但根據質量守恒,每生產1公斤氫氣,所需要的水為9公斤(實際更多)。因此不見得有棄風棄光的地方都適合電解水制氫,還需要考慮當地是不是有充足方便的水源。

  其次,要發展的看問題。發展清潔能源戰略必會有一個趨勢:未來可再生能源的上網率將大量提升,這就意味著棄風棄光現象將減少??稍偕茉窗l電制氫作為一個長期投資項目,必須考慮這個因素在未來對經濟模型的影響。

  第三,戰略要可執行,不能為氫能而氫能。即使是日本,也提出了“氫電并重”的戰略方向。

  D.建立產業鏈

  制造行業不比互聯網企業,由于其重資產的特點,很難短期內出現可能掌控全產業鏈的寡頭。建立產業鏈,既需要決心,更需要實力。

  比如燃料電池系統中的核心部件空壓機,我第一個想到的就是那個掌握空氣壓縮機核心技術的格力??茖W不等于技術,技術也不等于產品,每一步都有一道鴻溝。如果格力進入,要比幾個工程師拿筆錢創業靠譜一些。多挖掘這樣的企業進入,可能大大加速燃料電池產業鏈的進程。

  04 總結

  什么是產業化?我的理解是有規?;氖袌觯瑯藴驶漠a品,專業化的分工,以及合理的商業模式四個條件。如果用這四個標準來衡量,燃料電池目前所處的產業狀態比較初級,但是具備了初步產業化的條件。

  有好的土壤,才能孕育出好的技術。不過,目前中國汽車主管部門的思路,如萬鋼文章指出的,將遠程公交、雙班出租、城市物流、長途運輸等純電動汽車不能覆蓋的市場需求,確定為氫燃料電池的應用場景。這一官方指引,和民間企業的判斷,大體一致。另外,根據中國的節能與新能源汽車技術路線圖,2020年將有5000輛氫燃料電池市場,2025年將有5萬輛的市場。這些因素,有望帶動氫燃料電池產業化的開始。

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