中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：當(dāng)前國內(nèi)存在對氫能及燃料電池技術(shù)過度炒作的情形，高補(bǔ)貼引發(fā)不少企業(yè)蜂擁而至。
30輛搭載著國家電投氫能公司自主研發(fā)的“氫騰”燃料電池和系統(tǒng)的燃料電池大巴車，緩緩駛出鄭州宇通實(shí)驗(yàn)中心園區(qū)，一路北上，奔赴北京冬奧會(huì)延慶賽區(qū)，完成了長達(dá)800公里的處女航。
在中國燃料電池史上，這是第一次從核心材料到零部件、電堆封裝、系統(tǒng)集成全部由一個(gè)公司完成量產(chǎn)的。這意味著，國內(nèi)燃料電池技術(shù)取得了一次重大的突破。
燃料電池是一種把燃料所具有的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)裝置，又稱電化學(xué)發(fā)電器。它是繼水力發(fā)電、熱能發(fā)電和原子能發(fā)電之后的第四種發(fā)電技術(shù)。目前，國內(nèi)的燃料電池主要就是指氫燃料電池，是一種將氫氣和氧氣結(jié)合產(chǎn)生電、熱和水的電化學(xué)裝置，能效轉(zhuǎn)換率在50%-70%，屬于是一種零排放電源。
截至目前，我國共有30余省市布局了包括燃料電池汽車在內(nèi)的氫能產(chǎn)業(yè)，并強(qiáng)調(diào)加強(qiáng)前沿技術(shù)攻關(guān)。但現(xiàn)實(shí)情況是，與美國和日本等世界級燃料電池列強(qiáng)相比，國內(nèi)燃料電池技術(shù)水平還存在不小的差距。
“我國燃料電池雖起了個(gè)大早，但在關(guān)鍵核心材料、技術(shù)工藝和推廣應(yīng)用方面，還有很大差距或進(jìn)步空間。”國家電投氫能公司首席技術(shù)官柴茂榮說。
“三年未變”的問題
2019年，時(shí)任廣東泰羅斯汽車動(dòng)力系統(tǒng)有限公司總經(jīng)理張銳明在接受第一財(cái)經(jīng)記者采訪時(shí)這樣總結(jié)國內(nèi)的燃料電池汽車：性能差、效率低、壽命短。
這帶來的結(jié)果就是車輛故障頻發(fā)。一家燃料電池汽車設(shè)備供應(yīng)商的經(jīng)理就曾向記者直言，由該公司提供設(shè)備的氫燃料電池汽車，平均每個(gè)月有七成的車輛因?yàn)樵诼飞铣霈F(xiàn)各種故障需要回廠返修?！肮收蠋茁侍撸菄鴥?nèi)氫燃料電池汽車的通病?！边@位經(jīng)理表示，目前國內(nèi)燃電池汽車整車廠缺乏核心技術(shù)，所生產(chǎn)的燃料電池汽車很多都是臨時(shí)性找供應(yīng)商提供設(shè)備進(jìn)行組裝的。
“這個(gè)問題至今還是沒有改變?！比旰?，現(xiàn)任廣東省武理工氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院執(zhí)行院長、佛山仙湖實(shí)驗(yàn)室燃料電池測試中心主任張銳明教授在日前再次接受第一財(cái)經(jīng)記者采訪時(shí)說，“國內(nèi)燃料電池汽車企業(yè)通過購買國外核心技術(shù)的材料與零部件裝上去后，絕大多數(shù)車輛的電堆平均使用壽命也只有3000個(gè)小時(shí)左右，遠(yuǎn)低于美國能源部對燃料電池車使用壽命的起步門檻?！?
相比之下，豐田Mirai的壽命則長得多。張銳明在美國買了兩輛豐田Mirai，運(yùn)行幾年來至今尚未出現(xiàn)過故障。Mirai是日本豐田公司自主研發(fā)的氫燃料電池汽車。2014年，豐田生產(chǎn)的Mirai燃料電池汽車正式實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，這也是燃料電池從軍工走向商業(yè)化的里程碑。
據(jù)張銳明介紹，在美國銷售的豐田Mirai的正常保修期為三年，里程為36000英里，相當(dāng)于57600公里；而如果花費(fèi)2000美元購買額外保修，可再保80000英里，相當(dāng)于128000公里?！氨M管豐田沒有對外提供具體數(shù)據(jù)，但是通過這樣的商業(yè)行為，可以看到其可靠性和耐久性?！彼f。
張銳明的另一身份是美籍知名氫能與燃料電池專家，他自1993年起在海外不間斷從事燃料電池產(chǎn)業(yè)，本世紀(jì)初即在美國家參與開發(fā)全球首輛燃料電池車。2016年回國后，他主導(dǎo)了開發(fā)首批國內(nèi)燃料電池車。
而在2020年首次出版的《中國氫能產(chǎn)業(yè)政策研究》一書中，中國國際經(jīng)濟(jì)交流中心常務(wù)副理事長張曉強(qiáng)這樣寫道：“我國氫燃料電池產(chǎn)業(yè)自主創(chuàng)新能力仍不強(qiáng)，國產(chǎn)化率不高，關(guān)鍵核心技術(shù)和材料仍較多依賴進(jìn)口?！?
一個(gè)現(xiàn)實(shí)的例子印證了這種說法。針對東風(fēng)、福田、宇通等8家車企此前共生產(chǎn)的1272輛燃料電池商用車，清華大學(xué)氫燃料電池實(shí)驗(yàn)室主任王誠曾向媒體指出：“這1272輛車的催化劑大部分都是進(jìn)口的，膜電極（膜材料）幾乎是全部進(jìn)口?！?
“過去這幾年來，我們在技術(shù)上解決了從無到有，但是還沒有從根本上解決從有到好?！睆堜J明說，“我們在獲得國外的材料和設(shè)備，以及對工藝有了一定的探索之后，可以說在組件的層級取得了一定的突破，但是在原材料方面的突破暫時(shí)還是沒有看到。”
柴茂榮在自己的朋友圈里透露了一個(gè)細(xì)節(jié)，“這次回日本，和當(dāng)年的老同事們碰頭，了解到豐田對我國的燃料電池技術(shù)水平，可謂一清二楚?！币簿褪钦f，為了解中國燃料電池汽車的技術(shù)水平，日本車企將中國的燃料電池汽車相關(guān)部件與系統(tǒng)帶回日本進(jìn)行了測試?！埃ㄖ袊袠I(yè)內(nèi)做得）比較猛的幾家的催化劑、質(zhì)子膜、雙極板等，他們?nèi)胧趾蠖甲隽嗽u價(jià)，按FCCJ（日本燃料電池商業(yè)化促進(jìn)委員會(huì)）標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)，沒有一項(xiàng)能過合格線?！?
多名受訪者向第一財(cái)經(jīng)記者表示，燃料電池汽車最根本的問題，還是技術(shù)問題。目前，整個(gè)產(chǎn)業(yè)的制高點(diǎn)都掌握在美國、加拿大和日本等少數(shù)國家的手中。以為電堆中的膜電極為例，相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料顯示，截至2021年2月，累計(jì)裝車使用的電堆中超過70%的膜電極來自進(jìn)口。
“知其然不知其所以然”
電堆是驅(qū)動(dòng)燃料電池汽車運(yùn)行的燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的核心零部件，是發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的場所。整個(gè)電堆的主要由雙極板、膜電極、催化劑、質(zhì)子交換膜、氣體擴(kuò)散層等部件構(gòu)成。
據(jù)《中國科技報(bào)》最近報(bào)道，某國外公司的不少電堆已經(jīng)進(jìn)入中國市場，很多做成系統(tǒng)并已在幾大檢測機(jī)構(gòu)中測試。相比之下，同樣標(biāo)稱130kw的電堆，體積不到國產(chǎn)電堆的一半，而按同樣單電池0.65V計(jì)的額定功率，國產(chǎn)電堆功率比進(jìn)口電堆至少低20%以上?！皩?shí)際上，我們國產(chǎn)的很多電堆和世界最先進(jìn)的電堆技術(shù)相比，至少還差一代以上。”柴茂榮說。
如今身為國際知名燃料電池專家的柴茂榮，曾在上世紀(jì)八十年代到日本留學(xué)，并在日本相關(guān)企業(yè)從事貴金屬催化劑與燃料電池開發(fā)工作長達(dá)三十多年之久，后于2017年回國。他在自己的朋友圈上說：“國產(chǎn)電堆的壽命差距較大，在振動(dòng)條件下的工況耐久，不到豐田Mirai2的四分之一?！?
國內(nèi)燃料電池技術(shù)的突破，在很大程度上還停留在實(shí)驗(yàn)室里?！耙噪姸阎械拇呋瘎槔?，國內(nèi)有很多研究單位在實(shí)驗(yàn)里做出來的成果，數(shù)據(jù)都不錯(cuò)，但是用到燃料電池上做成膜電極，就不好了?！睆堜J明說，“我們做幾毫克可以，但是做幾十克幾百克，就不行了。這就是沒有解決做好材料的問題，結(jié)果就是知其然不知其所以然。”
張銳明解釋說，這涉及到材料工程化制備和規(guī)模化生產(chǎn)過程中所需要控制的參數(shù)等多種因素，而這些都需要長期的摸索才能摸索出來。他補(bǔ)充說：“我們可能在某項(xiàng)技術(shù)看上去很有前景，可以走出實(shí)驗(yàn)室，但是要想實(shí)現(xiàn)工程化、產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化，以及商業(yè)化之后要在世界上具有有競爭力，還需要一段漫長的路程要走?！?
張銳明所在的廣東省武理工氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院就正在對從實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)到膜電極性能所缺乏的中間過程的測試分析評估技術(shù)進(jìn)行深入研究著手，期望盡快取得突破。
燃料電池涉及的技術(shù)與學(xué)科之多，令人眼花繚亂。其中，電堆、電堆中的催化劑、擴(kuò)散層、質(zhì)子交換膜、膜電極、雙極板、以及上車之后的系統(tǒng)中的空氣壓縮機(jī)、氫循環(huán)泵被國家列為“八大關(guān)鍵零部件”，這在業(yè)內(nèi)被稱為“八項(xiàng)卡脖子技術(shù)”。
業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，這“八項(xiàng)卡脖子技術(shù)”既限制了整個(gè)氫能行業(yè)的發(fā)展，同時(shí)也對上游電解水制氫的技術(shù)路線的整個(gè)裝備也構(gòu)成了制約。
核心零部件技術(shù)與材料沒有獲得突破，最后導(dǎo)致的結(jié)果便是進(jìn)口設(shè)備極其昂貴?！熬瓦@么一片，就可以賣到一二百塊錢，一個(gè)電堆需要用到幾百片?！痹诜鹕较珊?shí)驗(yàn)室采訪時(shí)，張銳明指著一塊A4紙大小、薄如紙片的柔性石墨雙極板對第一財(cái)經(jīng)記者說，“而材料本身在它加工成品之前，價(jià)格只有幾塊錢?！?
再以膜材料未來為例，根據(jù)市場現(xiàn)狀，1平方厘米的杜邦公司Nafion膜(全氟磺酸質(zhì)子交換膜)價(jià)格幾元甚至近十元，每一輛車需要平方米級別的膜材料。這意味著，僅膜材料這一個(gè)部件，一輛車就得攤上幾萬元甚至十幾萬元的成本。
作為燃料電池的“心臟”，燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)在整車的成本中，占比大約50％或更高。這直接推高了整輛氫燃料電池汽車的造價(jià)，在國內(nèi)，同樣一款公交車，使用氫燃料電池的價(jià)格是燃油車的三至五倍。
在柴茂榮看來，只有當(dāng)系統(tǒng)價(jià)格低于2000元/kW以下，或者電堆價(jià)格低于1000元/kW以下時(shí)，才有商業(yè)化推廣的基礎(chǔ)。而目前，國內(nèi)電堆價(jià)格還在5000元/kW左右。
回到基礎(chǔ)
在多位內(nèi)業(yè)人士看來，當(dāng)前國內(nèi)存在對氫能及燃料電池技術(shù)過度炒作的情形，高補(bǔ)貼引發(fā)不少企業(yè)蜂擁而至，而一些企業(yè)干的只是簡單的“采購”與“整裝”的工作，這無疑應(yīng)該糾偏。
“我回來之后，就從燃料電池的材料做起?！被貒?，柴茂榮便全身心投入到燃料電池的研究與開發(fā)工作當(dāng)中，他向第一財(cái)經(jīng)記者解釋，“為什么從材料做起呢，因?yàn)橹灰獓庖豢?，你就買不到材料。”
據(jù)他介紹，國家電投正立足于國內(nèi)實(shí)現(xiàn)材料級自主化的開發(fā)。催化劑、質(zhì)子膜、碳紙、膜電極、雙極板、電堆仿真設(shè)計(jì)、系統(tǒng)等全部核心材料和技術(shù)目前已全部實(shí)現(xiàn)了自主化，并建有自己的生產(chǎn)線。他認(rèn)為，只有這樣，才能站在產(chǎn)業(yè)鏈的頂端，把握整個(gè)產(chǎn)業(yè)的先進(jìn)性，掌握產(chǎn)品的定價(jià)權(quán)。
經(jīng)過這幾年的摸索，國家電投在“八項(xiàng)卡脖子技術(shù)”技術(shù)有了新的突破。比如，催化劑方面，該公司掌握相關(guān)核心技術(shù)，取得專利并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，產(chǎn)品性能質(zhì)量全部高于世界領(lǐng)先水平。
同樣，在2016年從美國回到中國以后，張銳明也是從材料做起?！安贿@樣做，那就沒有意義了。沒有成熟的產(chǎn)業(yè)鏈和核心的技術(shù)，我們拿什么去跟外國人拼？”
“我們現(xiàn)在做的工作，就是在現(xiàn)有的條件下，做到比較理想的結(jié)果，而且要用真實(shí)的而不是虛擬的數(shù)據(jù)?！睆堜J明說，“我一直相信，只要扎扎實(shí)實(shí)去做，做好燃料電池八大零部件中涉及到電堆所需的材料、以及材料之間的匹配優(yōu)化，假以時(shí)日，中國氫燃料電池汽車行業(yè)就一定會(huì)起來的?！?
張銳明所在佛山仙湖實(shí)驗(yàn)室與廣東省武理工氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，均成立于2019年，致力于以氫能、燃料電池等新能源、新材料國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求為導(dǎo)向，集聚、整合國內(nèi)外高端創(chuàng)新資源，打造新能源與新材料等領(lǐng)域國內(nèi)一流、國際領(lǐng)先的戰(zhàn)略科技創(chuàng)新平臺(tái)。在實(shí)驗(yàn)室的業(yè)務(wù)范圍中，“加強(qiáng)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究”位于第一條。
“（燃料電池）歸根結(jié)底就是先進(jìn)性制造技術(shù)。要沉得下心來扎扎實(shí)實(shí)搞科研，搞產(chǎn)品的開發(fā)?！痹谧罱囊淮窝葜v中，柴茂榮對氫能及燃料電池技術(shù)發(fā)展提出了這樣的建議：對標(biāo)國際最先進(jìn)的日本燃料電池技術(shù)，而不是將國外技術(shù)引進(jìn)來簡單搞幾輛增程式大巴車、各地一哄而上尋求國家補(bǔ)貼。
