鉅大LARGE | 點擊量:1606次 | 2019年12月05日
氫燃料電池還有哪些問題有待解決?
似乎,風起于青萍之末。
2018年5月11日,中國總理李克強在日本首相安倍晉三的陪同下,參觀考察豐田汽車北海道廠區。在那里,總理看到了豐田的氫燃料電池車。
后來,有媒體這樣描述:面對豐田汽車的氫燃料電池轎車MIRAI,總理面色凝重。這種并不準確的描述卻有效地為已經開始發熱的中國的氫燃料電池汽車熱推波助瀾。
第二天,5月12日,恰逢汽車商業評論舉辦第十屆中國汽車藍皮書論壇,數位業界專家圍繞插混、純電還是選擇燃料電池議題展開討論。當時大家比較一致的觀點是,氫燃料電池汽車尚處于培育期,商業化還很遙遠。
去年5月12日,恰逢汽車商業評論舉辦第十屆中國汽車藍皮書論壇,數位業界專家圍繞插混、純電還是選擇燃料電池議題展開討論。當時大家比較一致的觀點是,氫燃料電池汽車尚處于培育期,商業化還很遙遠。
然而,整個2018年,氫燃料電池汽車熱持續升溫。
2018年,國內《新能源車推薦目錄》上共計出現70余款氫燃料電池汽車型,相比2017年增長超過200%。
與此同時,上海、廣州、武漢、西安、杭州等十余座城市都已出臺政策支持氫燃料電池汽車發展。
而資料顯示,包括氫能源小鎮與產業園、氫燃料電池整車、上游原材料項目等等,2018年國內面向氫能源的投資規劃已經超過了2000億元!
2018年12月15日,全國政協副主席、致公黨中央主席、中國科學技術協會主席萬鋼,這位曾經的科技部部長在《人民日報》第六版發表題為《促進新能源汽車產業健康發展》的挺氫燃料電池汽車的文章。
他在文中認為,純電動汽車的短板是續駛里程和充電時間,尚不能滿足量大面廣的遠程公交、雙班出租、城市物流、長途運輸等市場需求。為此,應及時把產業化重點向燃料電池汽車拓展。
然后強調,燃料電池汽車具有清潔零排放、續駛里程長、加注時間快的特點,經過多年研發積累,我國已形成自主特色的電-電混合技術優勢,并先后經歷了北京奧運會、上海世博會期間的規模示范運行,實現全譜型汽車零排放的關鍵技術方案。
這篇文章顯然是隨后12月21日由工業和信息化部裝備工業司組織在北京召開的氫燃料電池汽車行業研討會的前奏。財政部、發改委、應急管理部、能源局、工信部、行業協會以及9家氫燃料汽車相關企業參會。
轉眼到了2019年兩會,多位車企和相關企業的代表委員好像約好了一樣,紛紛拿出了發展氫燃料電池汽車的議案或者提案。而最令氫燃料電池汽車狂熱愛好者興奮的是,推動加氫設施建設首次寫入《政府工作報告》。
在如此利好政策的刺激下,氫能和燃料電池概念相關的上市公司股價更是一路飆升。
單體燃料電池的主要部件和材料:膜電極、雙極板、催化劑。
多方消息稱我國氫燃料電池汽車將在2019年正式實施十城千輛工程,為難的是要挑出哪十個城市,因為正在積極布局氫能和燃料電池的城市,遠遠超過了十個。
一切似曾相識。這并不是中國人第一次為氫癡狂。
回望世紀之交,彼時,國家863計劃電動汽車重大專項剛剛開始實施,要發展燃料電池、混合動力、純電動三種動力的新能源汽車。注意這個語序,當時,不管在實際重視程度上,還是國撥經費的側重上,都是以燃料電池為主的。
上海市甚至提出了一個燃料電池汽車百千萬計劃:2008年要達到100輛,2010年達到1000輛,2012年實現萬輛級。
這里的燃料電池汽車,基本上就是指氫燃料電池汽車。
汽車商業評論注意到,當時,人們對氫經濟懷有一種美好而盲目的樂觀,認為不久就能大步跨入氫燃料電池汽車社會。
面對這種產業的大躍進思維,科學家們坐不住了。
出于對當時燃料電池技術薄弱與成本高昂的清醒認識,2006年6月,倪維斗、楊裕生等中國工程院和中國科學院十位院士上書時任總理溫家寶,建議電動車的發展重點不要放在氫燃料電池電動車上。
院士們認為,因為燃料電池可靠性有待提高、材料昂貴、能量轉換效率低,以及氫的來源和儲運有問題等等,電動車在近中期依靠不了氫燃料電池,對氫燃料電池的研究要作長期打算,切切實實地解決關鍵材料和關鍵科學技術問題。
于是,雖然2008年北京奧運會期間有氫燃料電池汽車做示范運營,特別是2010年上海世博會期間,有了196輛燃料電池汽車參加運行(其中,燃料電池轎車90輛、燃料電池公交車6輛、燃料電池觀光車100輛,歷時6個月,是目前世界上規模最大的燃料車示范項目之一),但這股氫燃料電池汽車的熱潮還是慢了下來。
2016年,全國共售出37輛燃料電池汽車,但是2017年突然開始加速,共售出1098輛燃料電池汽車,2018年產銷均完成1527輛。
加氫站建設也突然加速,截至2018年11月,中國已建成27座氫氣站,另有16座正在建設中,預計到2030年將超過1000個。
這跟2016年以來,國家發布了多達9個政策文件支持氫燃料電池技術創新不無關系。敏感的投資者或者投機者們已經預感到,十多年過去,氫燃料電池汽車的熱浪又一次席卷中國市場。
那么,當年十院士提出的氫燃料電池那些問題解決了嗎?現在真的到了氫燃料電池汽車可以大規模普及推廣的時候了嗎?我們應該如何保持怎樣的清醒態度?
看上去很美,硬傷不少
2H?+O?=2H?O
單從這個化學反應方程式來看,氫能真的是零排放的終極解決方案。然而,完美只存在于公式中,氫燃料電池要實際投入使用,情況復雜很多。
首先,從氫作為能源的角度來看,其生產、分配、運輸、加注等等環節很長、很復雜。
清華大學陳全世教授說,燃料電池技術所需要的氫純度要求非常高,至少要99.99%,其中一氧化碳的濃度要保持10的負6次方以下,否則會讓催化劑鉑金中毒。工業副產的氫氣提純難度大,而電解水制氫純度高,但成本是煤炭天然氣制氫的2-3倍。
中國科學院院士歐陽明高稱,目前中國制氫使用的還是一百年前的技術,儲氫、運氫等也都是多年前的工藝,氫能本身現在面臨的技術挑戰比燃料電池要大得多,包括技術和政策等方面。
實際上,不管哪種制氫方式、哪種存儲方式、哪種運輸方式,氫能源生態系統都不是一蹴而就的,涉及大量基礎設施的投入與建設,技術含量也高。反觀電動汽車,只要拼命建充電樁即可,沒那么多中間環節。
歐陽明高認為,當前中國氫能技術落后于燃料電池技術,進展比較慢,需要全鏈條各環節氫能科學與技術的新突破。
再回到核心的燃料電池技術上。眾所周知,燃料電池是一種把燃料所具有的化學能直接轉換成電能的化學裝置,它是繼水力發電、熱能發電和原子能發電之后的第四種發電技術。它用燃料和氧氣作為原料,又沒有機械傳動部件,一無噪聲污染,二是排放出的有害氣體極少。如果用氫做燃料,那就沒有有害氣體排出。
燃料電池技術與氫能技術是既相互聯系又存有區別的兩個領域。燃料電池是動力問題,氫能是燃料問題。如同傳統汽車的發動機和加油一樣,一個是汽車行業的事,一個是能源行業的事。
那么,中國當下的燃料電池技術又如何?
從十五以來,國家科技計劃和產業技術創新工程等項目持續地支持氫燃料電池汽車的研究開發工作,初步形成了從燃料電池電堆、系統和整車的研發體系及制造能力,并開展了示范運行。
然而,與另外兩種新能源車相比,燃料電池汽車至今仍處于示范運營階段。為什么?汽車商業評論綜合對業內專家的采訪,基本可以得出這個結論:我國汽車燃料電池的核心技術和國外相比,存在代際的差距,落后國外大概5-10年,最悲觀的說法是,落后20年。
同濟大學汽車學院教授林瑞表示,中國與國際領先國家最大的差距所在,是電堆的核心材料和零部件還需要進口。此外,建模工程工藝方面與國外相差巨大,比如金屬雙極板的流道設計,中國還是二維平面,日本已經是三維。
清華大學核能與新能源技術研究院教授王誠告訴汽車商業評論:我們國內有的做電堆的企業號稱很大,但所有的原材料都依賴進口。國內公司主要是在做組裝,買來膜和催化劑,再組裝。關鍵技術和原材料都被國外壟斷。
國際上燃料電池車用電堆體積比功率達到3.0-3.2kW/L,國內企業有報道最高的為2.0kW/L,僅達到國際先進水平的三分之二。中國工程院院士衣寶廉說,由于功率密度低,導致國內電堆成本高、體積大,也不適于組裝乘用車。
膜電極(含質子膜、催化劑、碳紙)和雙極板是燃料電池技術壁壘最高的兩大部件,特別是膜電極技術是壁壘中的壁壘。
中能源工程集團氫能科技有限公司(簡稱中氫科技)總經理穆懷萍告訴汽車商業評論:雙極板與國外的技術差距,是及格和優秀的差異,膜電極與國外的差距,是不及格和及格的差異。(她特意強調:這種說法旨在表明膜電極是氫燃料電池的靈魂,決定著其關鍵性能和使用壽命。)
當然,此言也并不盡然。留美博士章俊良教授領導的上海交通大學燃料電池研究所,研制出的量產膜電極已經達到日韓同等水平,屬于第二代鉑合金膜電極技術。
再從燃料電池汽車的設計上說。氫燃料汽車整個系統比傳統內燃機還要復雜,相對純電動車,氫燃料電池汽車束縛了車的造型設計,未來布置智能座艙很可能會受限制,特別是乘用車,對汽車造型的變化無疑是一個不利因素。
歐陽明高曾表示:氫燃料電池動力系統的總體積(儲氫瓶+燃料電池發動機+輔助電池)是會大于純電動的,對轎車來講,體積想做到比純電動還小,目前70兆帕的儲氫瓶還不大可能。
上海捷氫科技有限公司系統開發部總監蔡俊在最近一次演講中提到,他們對比了純電動車型和氫燃料電池汽車型在未來的競爭優勢,從成本上來說,乘用車續航里程400公里以下,燃料電池相對純電動是沒有優勢的,即便400公里以上也沒有明顯的成本優勢。
2019上海車展,博世首次展出一系列關鍵氫燃料電池零部件。
當然,到了更大級別的客車和貨車車型,100公里以上的續航里程,氫燃料電池已經比鋰動力電池有優勢了,到了30噸甚至更高噸位的卡車車型,氫燃料電池汽車只要續航超過75公里,就具有壓倒性的優勢。
我們不否認氫燃料電池在某些車型上的優勢,只是這種優勢也有待在產業化成熟之后才能得到驗證。因為氫燃料電池汽車不是孤立發展的,它涉及的上下游產業鏈比純電動車更漫長。
正如王誠所說,氫燃料電池是氫能大產業鏈中處在中間階段的小產業鏈,這個大的產業鏈是很多短鏈構成的長鏈,統籌起來比較難。
他告訴汽車商業評論,在氫燃料電池領域,現在,豐田應用的指標是最好的,美國研究的指標是最好的,它們都是氫燃料電池產業的領跑者,中國是商業化最熱的一個國家。
或許是因為日本和美國在氫能和燃料電池領域這幾年有了長足的發展,比如固體高分子型燃料電池(PEFC)技術中鉑(Pt)催化劑用量的削減,比如太陽能直接制氫的效率與發電的效率相比,從實驗室的數據來看已經非常接近,這才導致中國有這新一輪的商業化沖動。
一位不愿具名的燃料電池研究人員表示,燃料電池汽車產業鏈的上下游都需要重視,需要讓社會各界更加了解和關注這項技術,讓技術發展和成熟得更快。產業鏈的每一環都需要做好,尤其需要明白大批量產業化所面臨的卡脖子的地方在哪里,只有把最核心的問題解決好,中國燃料電池大批量產業化才有可能成功。
他認為,第二代膜電極中鉑含量減少的幅度,放大到全球范圍看,遠不足以支撐燃料電池產業化的需要。只有第三代膜電極技術成熟起來,才能支持燃料電池汽車的全面產業化。
顯然,僅僅有商業化沖動,而沒有腳踏實地的基礎研究,那么最終難免我們的市場會成為別人的嫁衣。
今年春天剛剛在日本參加完2019世界智慧能源周活動(WorldSmartEnergyWeek2019)的一位中國專家告訴汽車商業評論:日本的氫燃料電池汽車發展沒我們想象得那么快,……世界范圍內氫燃料電池汽車的發展也沒我們想象得那么快。
他說,日本目前全國有2900輛氫燃料電池乘用車,其中大部分為豐田的MIRAI;有20輛公交車,主要為2020年奧運會使用做預演,屆時總共會有100輛氫燃料公交車;有113座加氫站,其中40座為日本能源頭號企業巖谷(Iwatani)投資建設,而全世界僅有9000余輛氫燃料電池汽車。
顯然,在中國市場被炒得火爆的氫燃料電池汽車,即便在技術已經比較成熟的日本,也基本是一個剛剛走出實驗室的角色。
要知道,日本是全世界第一個制定氫能國家戰略的國家,2014年,在安倍晉三首先發起下,日本經濟產業省發布了《氫能與燃料電池戰略路線圖》。但是請注意,這個三步走的發展計劃,它的目標也不只是近期的,而是一下跨到了2050年,屆時的愿景是制氫成本要從2030年設定的每公斤3美元目標進一步降低到2050年的2美元目標,氫能作為可再生能源之后的另外一個選項。
不可否認,氫燃料電池汽車具有加氫快等諸多優點,但燃料電池的輸出受限于眾多內在因素,輸出特性很軟,無法應對劇烈的功率需求變化,而且,頻繁的功率變化也會讓燃料電池的壽命加速衰減。
事實上,燃料電池很難像電池或者發動機那樣作為車輛的單一能量源,在實際設計中,一般會與蓄電池或者超級電容組成增程式的電-電混合動力系統,依靠輸出更穩定,響應更快的蓄電池來滿足高頻的動力需求,而讓燃料電池盡量平穩輸出。
氫燃料電池發動機本身結構復雜,除了電堆,還要燃料電池的氫氣/空氣供應系統、熱管理系統、水管理系統等。而增程式的設計又導致結構進一步復雜。
這也就難怪特斯拉的聯合創始人兼首席執行官埃隆·馬斯克(ElonMusk)認為氫燃料電池令人難以置信的愚蠢,是傻瓜電池(FoolCell,與FuelCell諧音)、垃圾堆積,并在多年前的年會上告訴特斯拉股東成功根本不可能。
無獨有偶,今年4月初,美國燃料電池業界領軍人物、生產用于為建筑供電的固定式燃料電池(SOFC)的布魯姆能源(BloomEnergy)公司聯合創始人、CEO斯里達爾(K.R.Sridhar),在舊金山明確表示:我不相信氫燃料電池汽車,把燃料電池用于氫能汽車是不合適的。
他表示:在汽車中安裝一個燃料電池,無論你走到哪里,你都等于隨身攜帶一座‘化工廠’,而且還要攜帶所有必需的、特殊的氫燃料。汽車已經過于沉重和效率低下,現在就等于在油箱中再增加一個龐大且復雜的‘化工廠’。
斯里達爾說:從各種最新跡象表明,純電動汽車熱潮遠遠超過了氫能汽車,燃料電池更有意義的事情,是為電動汽車充電站提供動力,而不是為汽車本身直接提供動力。
上海車展期間多位造車新勢力創始人接受汽車商業評論采訪時皆不看好氫燃料電池汽車的發展。一位自己也做了氫燃料電池汽車的創始人甚至表示,他們此舉不過是為了向投資人證明自己并不落伍,以順應當下這股狂熱的氫燃料電池風潮。
兩套體系并舉,為時尚早
2017年的一天,一位來自某著名能源企業的技術人員來到汽車商業評論辦公室,想與我們合作一起做氫燃料電池汽車方面的技術。他說,不要擔心做不做的出來,關鍵是有巨額補貼。
這讓我們大吃一驚。關鍵是有巨額補貼,這究竟是多少進入氫燃料電池汽車行業的人的初衷啊!
今年3月26日,財政部等四部委發布《關于進一步完善新能源汽車推廣應用財政補貼政策的通知》,純電動汽車大幅退補明顯,燃料電池汽車補貼標準將另行說明。
結合此前財政部在《2016年-2020年新能源汽車推廣應用財政支持政策方針》中的表述,燃料電池汽車在2020年前不實行補貼退坡政策,而且恐怕對于燃料電池汽車的補貼可能方興未艾。
2018年,大規模布局氫燃料電池領域的雄韜股份交付了40輛大巴車的燃料電池系統,賣出了7500萬元,獲得2000多萬元的凈利潤。按照之前協議,雄韜大同分公司2019年還要給公交公司提供260臺大巴汽車燃料電池系統,那是接近5億元的營業收入和1.6億元的利潤。
一位股民表示很納悶,一臺大巴車的燃料電池系統需要100多萬元這么昂貴嗎?燃料電池企業還在示范階段還沒量產,凈利潤率就能達到30多個百分點嗎?還是說有補貼之類或者利益輸送的因素?如果不考慮利益輸送,這簡直要完全顛覆我對燃料電池行業和相關企業的認知。
這種補貼的危害前幾年在新能源客車上已經早有體現,但是恐怕現在的補貼以及未來的補貼政策還將基本實行補貼大鍋飯。
比如,豐田、本田、現代等日韓車企的乘用車已經有了量產輸出功率100kW以上的高功率密度電堆,而且體積比燃料電池功率密度都達到了3.1kW/L,汽車商業評論記者2018年初在美國試駕的現代汽車新一代氫燃料電池SUVNEXO的電堆體積比功率甚至達到了3.11kW/L。
豐田、本田、現代等日韓車企的乘用車已經有了量產輸出功率100kW以上的高功率密度電堆,而且體積比燃料電池功率密度都達到了3.1kW/L,汽車商業評論記者2018年初在美國試駕的現代汽車新一代氫燃料電池SUVNEXO的電堆體積比功率甚至達到了3.11kW/L。
而國內,國鴻氫能引進加拿大巴拉德(Ballard)公司技術后,也是只能夠推出30-80kW的燃料電池電堆。但這都屬于第一代燃料電池技術水平。按照中國2018年對新能源汽車的補貼政策,燃料電池系統額定功率滿足乘用車≧10kW、商用車≧30kW就已經可以拿補貼,顯示出中國在這方面的落后程度。
另一位不愿具名的學者告訴汽車商業評論:世界上新的一輪燃料電池的火上來了,中國怎么搞是我想看的一出大戲。如果中國借助這個機會還在玩第一代燃料電池的概念,騙國家錢,這幫人就是喪盡天良。這很有可能。
如今伴隨著氫燃料電池汽車繼續(未來或還將繼續,2019年的相關政策還沒有出臺)高額補貼的是2019年中國純電動車補貼退坡力度超過很多人的想象。
對此,目前有兩種解讀:一種是認為純電動車已經壯大了,可以放手讓它進入市場參與競爭了;一種是唱衰純電動車,認為政府此舉是要放棄純電動路線,改弦易張發展氫燃料電池汽車。
汽車商業評論認為,純電動車還沒有壯大到可以撒手讓它完全參與市場競爭的程度,而政府也從沒有任何想要放棄純電動路線的意思。
在汽車四化的方向上,純電動車的方向沒有問題,但當前這種對燃料電池汽車的狂熱,雖然并沒有直接否定純電動汽車路線,但客觀上還是會讓市場對純電動車路線產生動搖,至少會在一定程度上阻撓其發展。
之前,我國已經在純電動上投入了那么多真金白銀,費了那么多功夫,這個時候如果大力鼓吹并推動氫燃料電池汽車,等于要在特別薄弱的基礎上另建一套更艱難的體系,而這套體系要花遠比純電動汽車更高的成本。
也就是說,現在的中國要同時建立支持純電和燃料電池的兩條汽車能源供給體系。這顯然為時尚早。
2019年3月20日,德國汽車三巨頭那個決定未來汽車命運的電話會議的一個重要結論是堅定不移走電動化道路,因為氫能源燃料電池汽車在未來10年內無法形成成熟的、有競爭力的量產技術。
這等于是說德國人并沒有重啟當年他們對于氫燃料的熱情。2018年,鉑金全球需求盈余,相關投資機構的報告指出原因是歐洲氫燃料電池汽車催化劑消費的持續下降和中國首飾領域需求的疲軟。
德國政府于1990年啟動燃料電池研究發展示范計劃項目,2008年甚至成立了氫氣燃料電池技術國家組織(NOW),政府提供總計10億歐元的資金以推動氫能和燃料電池技術的發展,并開展示范運行項目。
但如今這些項目似乎并無進展,就差這個國家的主管領導,如2009年5月美國政府能源部長正式宣布的那樣,停止支持燃料電池電動汽車的研發,并大規模削減相關車型研發的資金支持。
汽車商業評論的態度與此類似,與其挖幾口淺井,不如挖一口深井。否則,很可能形成狗熊掰棒子的尷尬局面。
那么,燃料電池就完全不發展了嗎?并非如此。
十多年前,中國的十院士提出,燃料電池的研究要作長期打算,切切實實地解決關鍵材料和關鍵科學技術問題。這句話放在今天仍然適用。如果核心技術沒有掌握在自己手中就貿然上馬大搞產業化,只會重蹈此前在燃油車上技術空心化的覆轍。
搞燃料電池,光看表象不行,還要進入產業的核心里面來。這里面最需要的是技術創新,需要加大投入,而不是支持下游的應用。我們國家要從源頭、上游這塊對關鍵原材料、核心技術進行支持,光在終端產品方面支持不夠。王誠這樣告訴汽車商業評論。
這是一線燃料電池科研工作者的真實心聲,而不是風險投資者那里的喧囂。燃料電池技術從實驗室走向產業化,這個過程應當格外慎重。
歐陽明高認為氫燃料電池實現產業化發展應該是在10年之后。他在2018年6月28日舉行的氫能產業創新發展論壇上談到清華大學燃料電池動力系統技術路線圖時提到發展燃料電池技術的剝洋蔥模式。
第一步,研發成功燃料電池的混合動力系統,發動機外協;第二步,研發成功燃料電池發動機研發,電堆外協;第三步,研發成功燃料電池電堆,膜電極外協。
他說:現在,我們馬上要開始燃料電池膜電極的開發,已經組織了國際一流的研發隊伍。我們層層深入,技術鏈逐環解耦,我們稱其為剝洋蔥模式。
汽車商業評論認為,這種剝洋蔥模式對于搞科研或許是一種方法,但是我們很擔心各類企業美其名曰采用這種方法,那么到最后將可能永遠也沒有辦法解決核心的技術問題。
純電動汽車在中國的發展,固然有國家大力扶持的原因,但是不能不能說在核心技術三電特別是動力電池方面,中國企業有著長期做消費類電池的技術積累加上千載難逢的政策壁壘,再加上全世界的人才溢出,使得幾家核心企業發展了起來。
然而,氫燃料電池汽車方面,我們欠缺得太多,既在氫能技術方面又在燃料電池技術方面有著和先進技術巨大的差距,如果一下子大干快上氫燃料電池汽車,那么勢必會形成重應用輕技術的局面,陷產業發展于巨大不利。
一位燃料電池領域的專家稱,中國發展燃料電池,有很多優勢:一是市場容量大,汽車產銷量多;二是中國的經濟體量大,可以支撐做這件事;三是人才優勢,有很多具有國際視野、具備豐富的燃料電池研發經驗的專家以及一大批優秀青年人才。我們國內燃料電池核心技術的開發和國際先進水平越來越近了,在燃料電池產業發展過程中,針對產業鏈每一環節,都需要培育若干具備核心技術、能參與國際競爭的高科技企業,做到均衡有序發展。
現在很多國內企業都在搞融資,真正地投入搞產線、搞研發、做硬件的公司還是少,很多都是雷聲大雨點小,什么都沒有,就是在做資本層面的運作。王誠表示。
現在全國搞燃料電池相關技術的企業有多少家?答案可能嚇你一跳:大約4000家。在氫燃料電池汽車持續不退的高燒之下,這個數字可能還會繼續攀升。
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