氢观察:中国氢燃料电池产业化还差什么?

电动汽车观察家
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全国政协副主席、科技部前部长万钢,近日在《人民日报》撰文称,新能源汽车应及时把产业化重点向燃料电池汽车拓展。

一文掀起千层浪,特别是氢燃料电池是否具备了产业化条件,业界争议很大

由此,我们不妨来看看,在氢燃料电池领域,中国家底儿有多厚?产业化还需要补足什么?

1、我们有什么?

说到燃料电池,最核心的材料是质子交换膜、催化剂、气体扩散层、以及双极板。质子交换膜、催化剂和扩散层经过一定的工艺加工程膜电极(MEA),而膜电极是燃料电池的心脏

燃料电池

A质子交换膜

质子交换膜是膜电极中最核心的部件之一。对于质子交换膜,有三个主要的技术要求:

(1)      必须具有较高的质子导电性

(2)      必须有足够低的气体渗透率

(3)      在运行环境下具有足够的化学和机械稳定性

在国内,上海有机所、大连化学物理所、武汉理工大学、山东东岳集团、新源动力等是质子交换膜主要开发和生产单位。以东岳的DF260隔膜为例,膜厚度为15微米,在开路电位情况下耐久性大于600小时,膜在保证性能的前提下运行寿命超过6000小时,干湿循环次数超过20000次,得到AFCC(Automotive Fuel Cell Cooperation,戴姆勒-奔驰与福特的合资公司)的认可,并给东岳特聘专家、上海交通大学张永明教授颁发了技术达标奖。目前,该膜已经定型量产,二代规划产能20万平方米,至少可满足每年20000辆全功率型FCV的需求。

B催化剂

催化剂以Pt(铂)催化剂为主。中国氢能专家衣宝廉院士在一次采访中曾提到,低Pt催化剂是燃料电池的主要技术方向。当一辆FCV的铂用量低于传统汽车三元催化中铂的用量的时候,就达到了目标。而制备壳型结构的催化剂是降低催化剂用量的一个有效的方法。

在“十三五”重点研发计划项目的支持下,大连化物所、上海交通大学、华南理工大学、北京大学、苏州大学等著名研究机构取得了多方面的进展。

除此之外,清华大学、重庆大学、厦门大学等研究机构也对非Pt催化剂开发展开了研究,并取得了阶段性成绩。虽然中国新型催化剂,其中一部分在性能和稳定性上已经超过商业催化剂,但尚未实现量产制备。

C膜电极

膜电极方面,如武汉理工新能源有限公司早已实现了商业化生产,产能已经达到5000平米,国内开发的第二代膜电极水平和国外商业化膜电极水平差距较小。目前,以开发有序化膜电极、新一代CCM技术为主要研发方向。

D双极板

双极板也是燃料电池的核心部件之一。如果按照功能去命名,可能叫做“双极集电分离板”更加贴切。基于双极板的作用,其特性必须兼具较好的导电、导热性能,极低的气体渗透率,要有足够的尺寸和足够的强度,还要耐腐蚀。双极板承担着电堆大部分的重量和成本,因此,低成本、轻量化、易生产,是对双极板的具体要求。

从材料上看,双极板主要分为石墨双极板、金属双极板和复合材料双极板。目前,国内以开发金属双极板电堆为主要技术路线。尤其丰田Mirai推出钛基双极板燃料电池电堆之后,更坚定了行业开发金属双极板技术方向的信心。双极板技术的难点在于成型、焊接、涂层三个关键步骤。

上海治臻新能源装备有限公司依托于上海交通大学的技术力量,已经攻克了双极板成型、焊接、涂层三道技术难关,可以实现双极板国产化、批量化生产,设计年产量可达50万副,至少可供1500辆以上FCV使用。

由以上可以看出,虽然中国燃料电池技术与国际领先水平仍有差距,但已经初步具备了产业化的条件。

2、我们缺什么?A缺市场驱动力

市场需求是产业化的前提,而产业化又是降低成本的基础。燃料电池是关系国家未来能源结构的关键技术。如果只能满足小众的需求,那便是资源的浪费。但是迄今为止,燃料电池并没有找到一个很好的应用场景。纵观全球,燃料电池的盈利空间也极其有限。而在小规模试制阶段会有成本失真的现象。

举个例子,一台百千瓦级的全功率燃料电池电堆,双极板不锈钢用量只有几十公斤,没有市场规模,几乎没有大型钢厂会接这样的订单。只能去市场上抓性能差不多的材料,或委托小钢厂加工。材料性能和一致性很难保证。即使并非高价材料,也可能导致成品率降低,增加双极板成本。

这种情况不只出现在双极板,也出现在燃料电池电堆及系统各个部件之中。由于没有市场规模,大家缺乏国产化的动力。而对于技术课题和工程示范项目,往往对成本不太敏感。即使性能提上去了,价格也降不下来。因此,在没有市场规模的前提下,不论是研发成本、材料成本、制造成本、还是后期的维护服务成本都很难下降。

没有规模化成本就不能降低,成本不降低更没有规模化市场。这一死循环的破解方法是不遗余力地挖掘需求,这仰赖于企业家的能力和精神:发现未来的机会,现在敢于投入。但中国汽车主管部门的思路是,他们引导,企业家跟随。无论有没有万钢的文章,中国坚定推动氢燃料电池产业化,已经是非常明确的了。相较之下,氢燃料电池市场驱动力反而不足。能否政府引导先冷启动,市场驱动力随后跟上并接过大棒?我们乐观其成。

B缺战略性的资金

《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》提出了燃料电池的目标:“2020年实现质子交换膜燃料电池(以下称PEMFC)电源系统实现额定输出功率50~100kW、系统比功率≥300Wh/kg、电堆比功率3000W/L以上、使用寿命5000小时。”一个50kW的电堆,完成5000小时的寿命测试,仅氢气费用就要达到上百万甚至数百万之多,因此,发展燃料电池产业,需要大量的资金投入。

这次燃料电池势头和2006年那会儿不同,有许多资本进入,所以可能更有希望。但我有一丝担心,因为资本和资金虽然都是钱,但可能不完全一样。一种资本是风险投资,他要求你快速烧钱,尽快看到成效,然后以一个合理的回报退出。另一种虽然是行业投资,但在他们眼里,燃料电池是一个新的风口,他们在几乎没有太多思考的前提下,便跻身其中,一有风吹草动,可能像惊弓之鸟一样撤出。无论哪种资本,只能“锦上添花”,很难“雪中送炭”。

燃料电池是一条长线投资,换言之,燃料电池的获利属于未来。因此,燃料电池缺乏的是高瞻远瞩的战略投资。更加需要警惕的是,如果资本急功近利可能会产生“拔苗助长”的负面效果,比如把不合格的电堆推向市场,可能引发故障或者事故,除了安全隐患外,甚至会误导社会对燃料电池的认知,反而不利于燃料电池行业的发展。

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