中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：對(duì)于新興產(chǎn)業(yè)很少有現(xiàn)成的模式可以效仿，但萬(wàn)事萬(wàn)物從科技到產(chǎn)業(yè)都有跡可循，所以，我們常常希望通過(guò)追根溯源來(lái)找到一些事物的邏輯和規(guī)律，以便更清晰地看到它的生長(zhǎng)方向。
對(duì)于氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，人們把更多的注意力放在燃料電池上，并在適合什么車型上做選擇，但日韓選擇乘用車路線，中國(guó)選擇商用車路線，有專家說(shuō)豐田的銷量下降是因?yàn)檫x錯(cuò)了乘用車方向，也有人說(shuō)韓國(guó)銷量第一是因?yàn)檫x對(duì)了乘用車，而中國(guó)的商用車路線既沒有下降也沒有突破性增長(zhǎng)，目前尚無(wú)法以對(duì)還是錯(cuò)來(lái)下結(jié)論。
不過(guò)，無(wú)論是日本國(guó)家還是相關(guān)企業(yè)對(duì)于氫能和燃料電池汽車的態(tài)度始終都是市場(chǎng)關(guān)注的焦點(diǎn)，比如此前豐田在燃料電池和純電動(dòng)上將更多的資源投給了燃料電池，但近期又開始了在中國(guó)的純電動(dòng)車型的投產(chǎn)；又比如本田2021年7月宣布日本狹山基地的Clarity FUEL CELL停產(chǎn)，而最近本田汽車又宣布，將于2024年推出一款基于全新CR-V跨界車打造的氫燃料電池汽車和插電式混合動(dòng)力電動(dòng)車，并在其位于美國(guó)俄亥俄州的高性能制造中心生產(chǎn)。
我個(gè)人對(duì)于氫能的關(guān)注正是基于疫情發(fā)生前對(duì)日本氫能產(chǎn)業(yè)的調(diào)研，但作為一個(gè)旁觀者，我始終都無(wú)法在走馬觀花的調(diào)研中透徹事物的根本，而產(chǎn)業(yè)研究的職業(yè)所然又讓筆者無(wú)法不孜孜以求，但此后所有赴日調(diào)研計(jì)劃都因?yàn)橐咔槎鵁o(wú)法成行。
柴茂榮博士1988年到日本留學(xué)，師出名門，直到2017年回國(guó)，其間近30年的時(shí)間在日本核心學(xué)術(shù)圈和氫能核心企業(yè)研究氫能和燃料電池，并參與日本政府氫能發(fā)展規(guī)劃，是國(guó)際知名的氫能和燃料電池專家，2021年獲得能源礦山冶金學(xué)部“大國(guó)工匠”，現(xiàn)為國(guó)電投氫能首席技術(shù)官。盡管平時(shí)也不少請(qǐng)教柴博士，但我還是希望就日本氫能發(fā)展歷史的話題對(duì)柴博士做一次深度訪談。
——鄭賢玲
伴隨著人類工業(yè)的發(fā)展，能源成為主導(dǎo)日本這個(gè)海島國(guó)家的核心戰(zhàn)略，也因?yàn)槟茉丛炀土怂麄兊墓鈽s與罪惡。
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日本島國(guó)的能源計(jì)劃：從侵占能源到制造能源
哲學(xué)家說(shuō)戰(zhàn)爭(zhēng)是為了統(tǒng)一意志，生物學(xué)家說(shuō)戰(zhàn)爭(zhēng)是物競(jìng)天擇，經(jīng)濟(jì)學(xué)家說(shuō)戰(zhàn)爭(zhēng)是利益爭(zhēng)奪。但不管怎樣解釋，筆者都很難理解日本這樣一個(gè)小小的國(guó)家如何有侵略中國(guó)乃至東南亞國(guó)家的企圖心。經(jīng)由與柴博的訪談，再一次證明了能源資源這個(gè)罪惡的根源。
早在19世紀(jì)中葉，美、英、俄、荷、法陸續(xù)侵入亞洲各國(guó)，日本也面臨淪為半殖民地的危機(jī)，為了擺脫遭受外國(guó)侵略，日本通過(guò)明治維新，改良社會(huì)制度，輸入科學(xué)技術(shù)，發(fā)展軍事與工商業(yè)，并于19世紀(jì)末期進(jìn)入日本的工業(yè)革命時(shí)期。1905年日俄戰(zhàn)爭(zhēng)取得勝利，日本承接了俄國(guó)在中國(guó)東北部以及俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)，朝鮮半島的侵占權(quán)，加速了日本對(duì)能源資源攫取的步伐。
紡織工業(yè)、機(jī)械制造、冶金以及隨之而來(lái)的建筑、汽車、武器等都需要大量的能源，而日本是一個(gè)資源極其匱乏的島國(guó)，于是為了工業(yè)發(fā)展的能源需求便有了侵略中國(guó)的企圖，其根本原因是中國(guó)的東北有煤炭和鐵礦石。當(dāng)時(shí)日本占領(lǐng)東北“滿洲國(guó)”的GDP是日本本土的三倍左右，相當(dāng)于整個(gè)中國(guó)大陸GDP的兩倍，“滿洲國(guó)”是當(dāng)時(shí)亞洲最富的國(guó)家。日本以此為基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)了侵華戰(zhàn)爭(zhēng)。
煤炭只能滿足一般工業(yè)的固定式能源需求，無(wú)法開動(dòng)用于侵略行動(dòng)的飛機(jī)、坦克和航空母艦，就像連鎖反應(yīng)，罪惡后面往往跟著更大的罪惡，日本發(fā)動(dòng)侵華戰(zhàn)爭(zhēng)以后必須找石油。但當(dāng)時(shí)日本并沒有發(fā)現(xiàn)大慶油田，他們當(dāng)時(shí)的石油理論還局限于海相生油，沒有預(yù)料到寒冷的中國(guó)東北地區(qū)的陸相生油。
所以他們便往東南亞擴(kuò)張，因?yàn)橛《饶嵛鱽?、馬來(lái)西亞都有油。為了進(jìn)入這些東南亞國(guó)家，他們就必須打通到東南亞的南北交通線，于是就進(jìn)入中國(guó)內(nèi)地形成更大范圍的侵略。
當(dāng)時(shí)東南亞是英國(guó)的殖民地，而彼時(shí)英國(guó)正在應(yīng)對(duì)來(lái)自德國(guó)的強(qiáng)勢(shì)侵入，騰不出手來(lái)打日本，盡管英美之間有些關(guān)聯(lián)，日本的侵略行為原本遭到了美、英、中、荷四國(guó)石油禁運(yùn)和經(jīng)濟(jì)制裁。但因?yàn)檫@些殖民地不涉及美國(guó)的切身利益，所以美國(guó)對(duì)日戰(zhàn)爭(zhēng)動(dòng)員不起來(lái)。
只是，當(dāng)時(shí)日本人中也有不少美國(guó)特務(wù)，也有人認(rèn)為，日本無(wú)法消滅和占領(lǐng)美國(guó)，他們需要通過(guò)局部戰(zhàn)爭(zhēng)的勝利，讓美國(guó)對(duì)其經(jīng)濟(jì)制裁做出讓步，并以在太平洋上奪取制空制海權(quán)便可以讓打開南下道路為由，鼓動(dòng)連普通小學(xué)沒有畢業(yè)的軍二代東條英機(jī)挑起了日本偷襲珍珠港。這樣就徹底惹怒了美國(guó)。
接下來(lái)，美國(guó)用一年多的時(shí)間就占領(lǐng)了太平洋，日本失去了制海權(quán)。而彼時(shí)，石油短缺的日本已經(jīng)無(wú)力支撐侵略戰(zhàn)爭(zhēng)，東三省的能源也過(guò)不去了，這樣日本島國(guó)就沒有能源了，他們的海戰(zhàn)因此一敗涂地。
日本二戰(zhàn)戰(zhàn)爭(zhēng)失敗后，再次提出工業(yè)立國(guó)，但發(fā)展工業(yè)仍然需要能源，當(dāng)時(shí)的能源只有煤、石油和核電，而煤最大的問(wèn)題就是污染，上世紀(jì)60年代日本用煤發(fā)電的污染對(duì)日本民眾生活造成了巨大的傷害。
那么不用煤用什么能源呢？只能改煤為石油、天然氣，但日本沒有石油和天然氣資源，主要依靠貿(mào)易。1973年第四次中東戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)，石油輸出國(guó)組織(OPEC)為了打擊對(duì)手以色列及支持以色列的國(guó)家，宣布石油禁運(yùn)，暫停出口，造成油價(jià)上漲。當(dāng)時(shí)原油價(jià)格從1973年的每桶不到3美元漲到超過(guò)13美元，對(duì)主要靠進(jìn)口能源的日本影響巨大。
為了確保自身能源的穩(wěn)定供給，日本政府于1974年7月公布了"陽(yáng)光計(jì)劃"（Japan，Sunshine Project of），也就是用科技制造能源來(lái)替代部分依賴進(jìn)口的地下資源，他們考慮能不能用太陽(yáng)能和核電替代部分能源，這樣，日本開始開發(fā)核電和太陽(yáng)能，但當(dāng)時(shí)光伏技術(shù)還很不成熟，效率比較低，核電就成了日本最重要的能源戰(zhàn)略。
此后日本又分別于1978年和1989年提出了“節(jié)能技術(shù)開發(fā)計(jì)劃”和“環(huán)境保護(hù)技術(shù)開發(fā)計(jì)劃”，1993年，日本政府將此前三個(gè)計(jì)劃合并成了規(guī)模龐大的“新陽(yáng)光計(jì)劃”，他們考慮能不能用日本周圍的海水作為能源補(bǔ)充計(jì)劃，廣泛利用海洋資源來(lái)建立能源體系。
為了發(fā)展可再生能源，1980年日本成立了新能源·產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO），來(lái)主導(dǎo)日本新能源產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，要用科技立國(guó)來(lái)解決日本能源短缺的問(wèn)題，所以新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展機(jī)構(gòu)是兩部分，一部分是產(chǎn)業(yè)綜合協(xié)調(diào)，解決包括電子工業(yè)和其他工業(yè)的發(fā)展；一部分是新能源，主要是以核為基礎(chǔ)的核裂變和核聚變。
日本的核聚變從那個(gè)時(shí)候就開始，到2006年九州大學(xué)發(fā)了6個(gè)多小時(shí)的核聚變實(shí)驗(yàn)，最長(zhǎng)記錄做了12個(gè)小時(shí)（2022年年初，我國(guó)全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)了1056秒的長(zhǎng)脈沖高參數(shù)等離子體運(yùn)行）。另一個(gè)是核裂變，東京大學(xué)原子能研究所培養(yǎng)了一批人（包括仁科芳雄、湯川秀樹，向坊隆，本多健一等都當(dāng)過(guò)所長(zhǎng)），核能民用化發(fā)展很快，包括后來(lái)的東芝（三井財(cái)團(tuán)所屬）、日立、三菱重工都有龐大的原子能開發(fā)機(jī)構(gòu)。
陽(yáng)光計(jì)劃的第三個(gè)方向就是海藻，用二氧化碳養(yǎng)海藻，然后用海藻進(jìn)行生物質(zhì)發(fā)電，或者用生物質(zhì)制乙醇來(lái)吸收氧化碳。除了NEDO以外，還成立了地球環(huán)境研究機(jī)構(gòu)（RITE）專門搞二氧化碳回收，利用。包括通過(guò)海水養(yǎng)殖海藻來(lái)吸收二氧化碳，讓海藻可以作為能源使用；以及二氧化碳催化合成乙醇等有用化學(xué)品（也就是最近才稱的CCUS）。
日本陽(yáng)光計(jì)劃
從1980年開始，日本這個(gè)計(jì)劃每年投入預(yù)算約1700億日元左右。這便是日本工業(yè)發(fā)展以來(lái)能源戰(zhàn)略從侵占資源到科技開發(fā)、制造能源的基本過(guò)程。
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日本氫能發(fā)展初衷：從減排和發(fā)電開始
2011年福島核電站爆炸以后，日本”陽(yáng)光計(jì)劃“中最重的核電遇到了瓶頸，最初的目標(biāo)是未來(lái)能源50%要用核電，但到30%左右就不得不停下來(lái)，要解決發(fā)電的問(wèn)題，又不能回到煤，這就帶來(lái)一個(gè)很大的問(wèn)題。
日本核電停掉以后天然氣充其量能夠增加15%，但他們核電是30%，剩下還有15%的缺口，所以從2012年開始到現(xiàn)在日本都缺電，夏天空調(diào)不能開得太冷，冬天取暖也不能開得太熱，因?yàn)槿粘Ｐ匀彪?0%左右，他們的電價(jià)特別貴，電是等值油價(jià)的一倍以上，所以，這樣的國(guó)家也不可能推廣電動(dòng)車，他們就考慮從國(guó)外進(jìn)口氫來(lái)發(fā)電。
日本電力結(jié)構(gòu)
2013年，日本政府推出《日本再?gòu)?fù)興戰(zhàn)略》，首次把發(fā)展氫能源提升為國(guó)策，并啟動(dòng)了加氫站建設(shè)的前期工作。
日本在氫能技術(shù)上有準(zhǔn)備，但氫能計(jì)劃并不算特別早，80年代初期提出的替代能源沒有考慮氫能，一開始只是在軍工領(lǐng)域用一點(diǎn)氫能，真正氫能在日本開始引入是上世紀(jì)90年代。
日本氫能的應(yīng)用與氣候變化公約有關(guān)，發(fā)達(dá)國(guó)家工業(yè)發(fā)展使得地球氣候變化引起了科學(xué)家的注意，并于1979年在瑞士日內(nèi)瓦召開首屆世界氣候大會(huì)，1988年成立聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）。在IPCC推動(dòng)下，1992年6月在里約地球首腦會(huì)議，通過(guò)了《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》，1994年3月正式生效。
1997年，《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》第三次締約方會(huì)議在日本東京舉行，149個(gè)國(guó)家和地區(qū)的代表在大會(huì)上通過(guò)了《京都議定書》：從2008到2012年期間（第一承諾期），主要工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的溫室氣體排放量要在1990年的基礎(chǔ)上平均減少5.2%，其中歐盟將6種溫室氣體的排放削減8%，美國(guó)削減7%，日本削減6%。在這個(gè)背景下，日本氫能產(chǎn)業(yè)化走出了第一步。
在此之前的氫能研究主要是大學(xué)的理論研究，包括九州大學(xué)、京都大學(xué)、東京大學(xué)等研究所都在偷偷做氫能的研究，因?yàn)闅淠苁遣皇强孔V他們當(dāng)時(shí)并沒有把握，所以對(duì)氫能的宣傳非常低調(diào)。
不過(guò)，當(dāng)時(shí)三所大學(xué)有明確的分工，其中京都大學(xué)PEM為主，九州大學(xué)SOFC為主，東京大學(xué)兩個(gè)方向都研究。這三所大學(xué)的學(xué)生又分配到全國(guó)各地，包括橫濱國(guó)立大學(xué)、三菱重工，東芝，東陶，三井金屬，豐田汽車，日產(chǎn)汽車等開始做燃料電池，柴茂榮博士的導(dǎo)師，東京大學(xué)向坊隆的弟子荒井弘通教授兼著東京大學(xué)，九州大學(xué)和京都大學(xué)教授，他的研究團(tuán)隊(duì)分為兩個(gè)小組，柴博士所在的PEM團(tuán)隊(duì)，有渡邊，大矢，町田等專家。另一個(gè)團(tuán)隊(duì)江口浩一，佐佐木一成等做SOFC，江口浩一，佐佐木都是全世界SOFC領(lǐng)域最厲害的專家之一。
上世紀(jì)90年代初期，豐田、本田開始研究燃料電池都是買巴拉德的堆。但巴拉德的原型來(lái)自UTC，UTC是日本東芝和美國(guó)NASA合資成立的一家公司，其中“U”指的是美國(guó)，而“T”就是指東芝。80年代末期從美國(guó)UTC出來(lái)一批人進(jìn)入巴拉德，并開始了PEM燃料電池的推廣，所以，在燃料電池的歷史上，東芝有非常重要的貢獻(xiàn)。
東芝原來(lái)的燃料電池發(fā)電裝置，80年代初期用磷酸的時(shí)候125kW/套的燃料電池發(fā)電裝置就賣了200多套，后來(lái)三菱做的250kW/套的SOFC就是日本現(xiàn)在的主流發(fā)電產(chǎn)品。也就是說(shuō)，日本做燃料電池的源頭就是東芝做的PEM，而SOFC的源頭則是三菱重工。三菱重工在長(zhǎng)崎，九州大學(xué)一直支持他們做SOFC，這兩個(gè)企業(yè)便是日本氫能產(chǎn)業(yè)的源頭，所以，日本的氫能是從發(fā)電開始的。
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車用氫能：解決長(zhǎng)壽命與高穩(wěn)定性難題
一開始日本認(rèn)為在車載這個(gè)領(lǐng)域用燃料電池太浪費(fèi)，當(dāng)時(shí)提取氫主要是化石能源，與燃油車相比，從化石能源提取氫再到車載上應(yīng)用意義不大。日本在交通運(yùn)輸領(lǐng)域變革的指引是以排放作為指標(biāo)，日本豐田1998年就做出了混合動(dòng)力，百公里耗油僅3升，相當(dāng)于同級(jí)別燃油車油耗的一半，在這樣的比較下，利用化石能源制氫的燃料電池碳排放不可能比混合動(dòng)力更低，所以他們認(rèn)為開發(fā)車用燃料電池意義不大。
不過(guò)，對(duì)燃料電池性能的研究還是在進(jìn)行。90年代末到2001年這段時(shí)間主要是解決巴拉德燃料電池的一些車用技術(shù)難點(diǎn)。
第一個(gè)難點(diǎn)是石墨電堆太重，而通過(guò)做薄雙極板來(lái)減重則會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度下降，因?yàn)檐囕v運(yùn)行的過(guò)程中有顛簸。解決這個(gè)問(wèn)題就將雙極板改為金屬板，日本對(duì)金屬板的研究做過(guò)很多的工作，先是用不銹鋼，很快就發(fā)現(xiàn)不行，后來(lái)在不銹鋼上面鍍金，還是不行，日產(chǎn)走的就是鍍金的路線，豐田也用過(guò)這條路線，發(fā)現(xiàn)用一段時(shí)間后，上面的鍍金層會(huì)一層一層剝落，也就是針蝕現(xiàn)象，質(zhì)子穿透鍍層到背面，向四周擴(kuò)大腐蝕面積而使金鍍層整片脫落下來(lái)。到2007年才開始用鈦，而鈦的抗腐蝕性高了很多。
日本人用鈦這個(gè)材料來(lái)源于洗澡的靈感。日本溫泉很多，溫泉里面含硫，溫泉的熱水用塑料管不行，用金屬管包括不銹鋼管又極容易被腐蝕，后來(lái)日本人就用鈦管做溫泉導(dǎo)水管，鈦金屬管就不會(huì)被腐蝕。從這個(gè)靈感得到啟示就用在燃料電池的雙極板上。
但用鈦又發(fā)現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題，氧化鈦不導(dǎo)電，要解決導(dǎo)電問(wèn)題日本又研究比較了鍍層法和合金法，合金法是在鈦里面摻鈀，就像“打釘”一樣，導(dǎo)電的時(shí)候氧化鈦中的鈀釘是導(dǎo)電的，它像導(dǎo)引樹一樣通過(guò)它將電接出來(lái)，因?yàn)殡姷膫鲗?dǎo)是一維的，而且鈀導(dǎo)電性好不易被腐蝕。但鈀的成本太貴了，用不起。
鈀合金技術(shù)路線剛剛發(fā)現(xiàn)就因成本問(wèn)題被否決了。這時(shí)候發(fā)現(xiàn)了碳化鈦技術(shù)路線，碳和鈦反應(yīng)，無(wú)論用PVD、CVD，還是通過(guò)電還原沉積都容易形成碳化鈦，而碳化鈦既導(dǎo)電，耐腐蝕性能又好，成本還便宜，這就解決了大問(wèn)題，這樣又經(jīng)過(guò)了兩年就做出了碳化鈦鍍層，現(xiàn)在基本上就用的這個(gè)方法來(lái)做的雙極板涂層。
這樣一來(lái)燃料電池的路線基本上就走通了，因?yàn)檐囕d顛簸用金屬就不用擔(dān)心了，而且鈦比石墨板輕得多。
很多專家都質(zhì)疑鈦太貴，那么這條路線是否可行呢？柴博士從資源和材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。
從鈦的儲(chǔ)量來(lái)看，全球鈦儲(chǔ)量25億噸左右，是地球上儲(chǔ)量排名第10的元素。我國(guó)儲(chǔ)量占全球的40%，約10億噸的儲(chǔ)量，可供500億個(gè)百千瓦電堆也夠用。目前鈦金屬雙極板組件總成本只有不銹鋼的一半左右。
因?yàn)椴讳P鋼技術(shù)路線的靶材很貴，一塊普通不銹鋼雙極板100多塊錢，靶材涂層成本占據(jù)70%以上，而鈦材的原材料鈦箔成本雖然比不銹鋼高10元錢左右，但由于涂層成本便宜得多，一塊鈦雙極板的總成本只有不銹鋼的一半以下。當(dāng)然加工精度和難度鈦材要難得多，目前全球只有為豐田加工雙極板的日本神戶制鋼和國(guó)電投氫能具備該項(xiàng)加工技術(shù)。
金屬板的問(wèn)題解決了燃料電池長(zhǎng)壽命的問(wèn)題，還有一個(gè)問(wèn)題就是高穩(wěn)定性。
燃料電池怠速的時(shí)候電壓很高，一般來(lái)說(shuō)單片的燃料電池標(biāo)準(zhǔn)電壓是1.23V，在怠速（0.1A/cm2）的時(shí)候單片電壓在0.8-0.9V左右，在這個(gè)高電位下催化劑里面的碳容易腐蝕，時(shí)間長(zhǎng)了會(huì)發(fā)現(xiàn)催化劑層碳越來(lái)越薄，所以提高催化劑的高電壓耐腐蝕很重要。
而在加載的時(shí)候就是大電流（一般指2A/cm2以上，我國(guó)以前很少有技術(shù)達(dá)到這個(gè)電流密度，以后會(huì)越來(lái)越多）的時(shí)候長(zhǎng)時(shí)間工作對(duì)質(zhì)子膜的損失很大，因?yàn)殡娏髟酱?，質(zhì)子的穿梭速度越快，質(zhì)子膜的損傷就很大，這樣就需要找出一種中間狀態(tài)，這就需要將燃料電池的工作狀態(tài)電流既不要太高也不要太低，所以，柴博士曾參與的研究就是要找出燃料電池工作最佳的電位，這個(gè)電位在0.75-0.8V左右。
所以，柴博士說(shuō)，不是小牛拉大車也不是大牛拉小車，燃料電池剛好是反的，很多人不了解，讓燃料電池經(jīng)常處于開停的變化狀態(tài)，這樣對(duì)燃料電池很不利，燃料電池不能頻繁啟停，否則就需要把氫氣吹干，要不然容易反極形成高電位，催化劑載體就很容易被腐蝕掉。解決這個(gè)問(wèn)題的方法就是強(qiáng)混技術(shù)，像油電混動(dòng)原理那樣，搞氫電混動(dòng)。燃料電池用于發(fā)電就沒有這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)榘l(fā)電是連續(xù)工作不需要啟停，所以發(fā)電能做到8到10萬(wàn)小時(shí)，因此，日本的熱電聯(lián)供應(yīng)用推廣就很順利，累計(jì)銷售超過(guò)40萬(wàn)臺(tái)。
柴博士說(shuō)，找到可以穩(wěn)定運(yùn)行的電位后就是如何找到解決這個(gè)問(wèn)題的控制策略，所以，在系統(tǒng)里通過(guò)鋰電與燃料電池的混合作用來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，就使得車輛的運(yùn)行變得可靠了。在低電位、也就是怠速的時(shí)候適當(dāng)提高電壓讓它給鋰電池充電就行了，不要把它一下子降到10%，而是在30%左右，這樣整個(gè)工作的電位就在30%-60%，再高的時(shí)候，鋰電會(huì)給燃料電池補(bǔ)電。
這兩個(gè)問(wèn)題解決后，燃料電池的長(zhǎng)壽命和高穩(wěn)定性就出來(lái)了，再加上氫氣來(lái)源也有多種途徑，氫能車的應(yīng)用也就變得可行了。
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商業(yè)模式：車型不是問(wèn)題，規(guī)模才能盈利
這幾年國(guó)內(nèi)燃料電池進(jìn)步很快，主要體現(xiàn)在單堆功率的大小上，從80kW到100kW、120kW、150kW、180kW、200kW、250kW、300kW，這些進(jìn)步使得燃料電池功率越來(lái)越大，這顯然順應(yīng)了我國(guó)“燃料電池汽車適用于商用”車的主流聲音。
但實(shí)際上根本沒有必要搞大功率電堆，因?yàn)殡姷拇⒙?lián)非常容易，汽車的最多功率范圍是在1.8L到3.0L排量，也就是四缸到八缸，90%以上的車都能使用4-6缸發(fā)動(dòng)機(jī)解決，換算成燃料電池功率，也就是100-150kW范圍。車輛發(fā)動(dòng)機(jī)重點(diǎn)是批量化降本和穩(wěn)定性，安全性。
研究氫能以來(lái)，筆者面臨最大的困惑還是關(guān)于燃料電池車用的批量化問(wèn)題。以筆者自己從事工業(yè)企業(yè)的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)研究的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，總量相當(dāng)于乘用車20%的商用車市場(chǎng)還分為：客車和貨車，客車又分為大巴、中巴、小巴，貨車又分為重卡、中卡、輕卡、皮卡……用戶需求更是千差萬(wàn)別，所以，以各地示范推動(dòng)的商用車應(yīng)用無(wú)法構(gòu)建一個(gè)批量化的市場(chǎng)。
日本韓國(guó)的燃料電池的推出往往是同一型號(hào)產(chǎn)品銷售幾千臺(tái)、幾萬(wàn)臺(tái)，我們的產(chǎn)品推出可能就只有幾十臺(tái)、幾百臺(tái)，這種情況下，技術(shù)進(jìn)步與經(jīng)濟(jì)效益就成了一個(gè)悖論。所以，筆者跟柴博士探討了這個(gè)問(wèn)題。
柴博士說(shuō)，以他在國(guó)內(nèi)外近30年對(duì)燃料電池的研究，燃料電池適合商用車還是乘用車根本就不是問(wèn)題，燃料電池的推廣關(guān)鍵是業(yè)務(wù)場(chǎng)景，是在什么地方推廣更容易。
他說(shuō)，任何一個(gè)商業(yè)模式都需要盈利，第一個(gè)制造成本要低，第二個(gè)盈利是運(yùn)營(yíng)成本要低，乘用車這兩個(gè)目標(biāo)都比較容易達(dá)成，第一個(gè)制造成本有規(guī)模很快就可以降下來(lái)，第二個(gè)運(yùn)營(yíng)成本是跟汽油比較而不是跟電動(dòng)車比，如果跟汽油比，目前，在有補(bǔ)貼的情況下，氫價(jià)60元/kg就可以替代，60元/kg的氫氣同樣也會(huì)因?yàn)橐?guī)模化而降低，加氫站的運(yùn)行效率也會(huì)提升，商用車數(shù)量少，這兩個(gè)成本都降不下來(lái)，不斷做大功率相當(dāng)于飲鳩止渴，功率做大成本也降不下來(lái)，做得大不等于有規(guī)模。
說(shuō)到日本燃料電池汽車銷售不及預(yù)期的問(wèn)題，柴博士說(shuō)大家都沒有看清楚日本在做什么，他們其實(shí)是在做標(biāo)準(zhǔn)化接口平臺(tái)，明年差不多做完了，等條件成熟就開始大批量往外推，不管是寶馬、奔馳還是本田、通用全是一個(gè)平臺(tái)，所以，這幾家電堆系統(tǒng)都是用豐田的，豐田在燃料電池汽車上面的定位不只是一家汽車制造商，而且是燃料電池制造商，包括豐田在中國(guó)的華豐也是這么做的。
國(guó)電投氫能剛剛完成B輪融資，估值達(dá)到130億元，是目前國(guó)內(nèi)估值最高的氫能公司，他們的做法要搭建好幾個(gè)動(dòng)力平臺(tái)，為市場(chǎng)提供標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。但柴博士說(shuō)，他們只按照市場(chǎng)批量最大的車型開發(fā)120kW、150kW和200kW的產(chǎn)品，和燃油車一樣，只有4缸、六缸，不會(huì)做4.5缸，不會(huì)按照終端廠家的個(gè)性化需求來(lái)做燃料電池訂制產(chǎn)品，否則客戶要10臺(tái)車也要去開發(fā)一臺(tái)燃料電池就無(wú)法實(shí)現(xiàn)批量化。
一開始不追求賺錢，先把平臺(tái)做起來(lái)然后去做批量化產(chǎn)品，通過(guò)批量化降成本，通過(guò)平臺(tái)化拓寬產(chǎn)品，船、車都是一樣，后面通過(guò)鋰電池來(lái)調(diào)。目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有十幾家整車廠與國(guó)電投氫能在做整車配套的聯(lián)合開發(fā)。
柴博士回憶說(shuō)，2015年前鋰電也是一樣混亂，騙補(bǔ)（如蘇州JMC）等等，我國(guó)一味追求高能量密度，當(dāng)時(shí)松下給特斯拉提供的18650系列NCA電池已經(jīng)到270wh/kg，我們就要做300wh/kg，這個(gè)大功率電池重大專項(xiàng)成果結(jié)題過(guò)去5年多了，到現(xiàn)在也沒有實(shí)際應(yīng)用，因?yàn)樗陌踩蕴盍耍瑹瞬簧佘嚒?
現(xiàn)在車載用的大部分是磷酸鐵鋰系和復(fù)合系的電池，能量密度追求的聲音早就聽不到了，代之為續(xù)航里程。然后是寧德時(shí)代做了平臺(tái)化電池才解決批量化生產(chǎn)的問(wèn)題，而寧德時(shí)代的技術(shù)源自日本TDK的模塊化思路，將TDK的手機(jī)自動(dòng)化產(chǎn)線應(yīng)用于鋰電生產(chǎn)，柴博士說(shuō)現(xiàn)在我們追求高功率化，但燃料電池未來(lái)會(huì)像鋰電一樣集中于模塊化標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)。
5
產(chǎn)業(yè)生態(tài)建設(shè)：因地制宜，避免極端
（1)氫氣來(lái)源多元化，能源結(jié)構(gòu)理性化
柴博士曾多次提醒筆者，因地制宜的多元化能源體系才是能源安全最理性的選擇，氫氣的來(lái)源也絕不止綠電制綠氫一條路，否則我們又會(huì)走向另一個(gè)極端。歐美、日韓的氫氣都不僅僅是綠氫，工業(yè)副產(chǎn)氫和天然氣制氫也是重要的氫氣來(lái)源。
在日本燃油車100多年了，而且現(xiàn)在混合動(dòng)力效率可以達(dá)到50%以上，在這樣的情況下只是從替代燃油的角度去考慮，在日本根本就不現(xiàn)實(shí)，所以，日本當(dāng)時(shí)很多都不是為了做車來(lái)的，車只是一個(gè)替代部分，日本是從能源的角度想用海外的氫運(yùn)到日本來(lái)，主要是解決發(fā)電的問(wèn)題。
柴博士認(rèn)為日本氫車不會(huì)全部替代燃油，他們不會(huì)在成本懸殊的情況下把石油停下來(lái)，所以，日本從來(lái)沒有說(shuō)過(guò)要停燃油車，他們是有油就用油，沒有油就用氫。
從能源的角度來(lái)看，日本韓國(guó)氫能都是局部替代，都沒有對(duì)絕對(duì)停滯燃油的說(shuō)法，日本認(rèn)為完全替代要到2050年以后，即使到2050年還有一部分油也會(huì)用，因?yàn)槿加图夹g(shù)也不會(huì)靜止不前。
中國(guó)也是一樣，能源安全需要綜合考慮。中國(guó)有的是煤，我們可以減一部分，通過(guò)二氧化碳回收用一部分，一方面我們國(guó)家有風(fēng)光資源，各有各的最好的地方，不一定要完全替代，可以用碳交易來(lái)做交換。
把清潔能源用來(lái)做交換，碳排放高的地區(qū)承擔(dān)一部分減排的責(zé)任，在新疆這些地方建光伏電站，拿光伏電來(lái)制氫，通過(guò)煤炭賺的錢來(lái)補(bǔ)貼氫氣，把氫用起來(lái)，在當(dāng)?shù)厝缧陆?、?nèi)蒙、青海等地就不用燃油車和其他的車，就直接用氫車。
而在東部就用電車，因?yàn)槌鞘欣镫姵胤奖阋恍谵r(nóng)村人口稀疏的地方就不適合用電車，否則充電樁的投資成本就過(guò)高了，而且續(xù)航里程也不夠。
所以柴博士認(rèn)為不是商用車或乘用車的問(wèn)題，而是根據(jù)具體條件來(lái)選擇，因地制宜，利用我們國(guó)家豐富的氫資源先把這個(gè)產(chǎn)業(yè)做起來(lái)。
技術(shù)上的東西爭(zhēng)論比較多，但真理只有一個(gè)，就像我們看歷史一樣，中國(guó)要徹底擺脫石油依賴，做正確的事情。中國(guó)完全可以擺脫，實(shí)際上中國(guó)對(duì)石油的依賴只有一半，現(xiàn)階段72%的依賴度是因?yàn)闇p少了國(guó)內(nèi)的開采，實(shí)際中國(guó)的原油比日本要好得多，而且中國(guó)煤資源豐富，將來(lái)因減排原因煤不能大量使用但煤層氣可以用，這部分資源我國(guó)極其豐富。
煤層氣直接燃燒因?yàn)楹諝獗壤叨嘈Ч缓们椅ｋU(xiǎn)，如果將煤層氣拿來(lái)制氫，一個(gè)天然氣加兩個(gè)分子的水變成四個(gè)分子的氫，加一個(gè)二氧化碳，它的碳排放只有普通煤的1/4，如果把這個(gè)資源用好，不一定要把電解水作為主力，用天然氣或煤層氣制氫相當(dāng)于減排70%，如果這個(gè)方案制氫作為現(xiàn)階段的主力，中國(guó)氫能的成本優(yōu)勢(shì)會(huì)更明顯。
氫能絕對(duì)不是電解水制氫一條路，電解水制氫解決不了所有的問(wèn)題，首先電解水制氫銥不夠，堿性電解槽制氫規(guī)模又做不上去，這些都是問(wèn)題，但作為補(bǔ)充是可以的，主要還不是電解水制氫，主要還是煤層氣，天然氣等制氫。因?yàn)槿缜八鏊芍苯訙p少碳排70%。
現(xiàn)在中國(guó)進(jìn)口石油大約5億噸/年，天然氣就是5000萬(wàn)噸，這個(gè)就完全可以解決我們的問(wèn)題了，這5000萬(wàn)噸用氣解決，或者2/3用氣解決，1/3用光伏解決，整個(gè)規(guī)劃就好做了，否則如果整個(gè)規(guī)劃都用光伏就又走到了另一個(gè)極端，太陽(yáng)能、氫能相互支撐起來(lái)我們的能源體系就活了。
柴博士非?？春妹簩託?，煤層氣通過(guò)管道運(yùn)出來(lái)直接制氫，實(shí)在不行用它來(lái)制氨也可以，哪條路都走得通，再次制成甲醇運(yùn)出來(lái)也可以。從全球煤層氣資源儲(chǔ)量來(lái)看，已探明的世界煤層氣地質(zhì)資源量為260萬(wàn)億立方米。其中，我國(guó)煤層氣總儲(chǔ)量為36.8萬(wàn)億立方米，占世界總儲(chǔ)量的14.2％，居世界第三。
氫不會(huì)局限在某一種方式，也許未來(lái)我們的核技術(shù)更加發(fā)達(dá)后用熱解制氫也是可以的，熱解制氫并不是做不了，只是現(xiàn)在成本太高，將來(lái)核電站的核不是發(fā)電而是直接制氫，用核能制氫或核聚變能量電解水制氫還是可能的。
光伏制氫目前還只能作為補(bǔ)充，因?yàn)楣夥茪涞倪\(yùn)輸距離太遠(yuǎn)，但氣可以用管道，把這幾個(gè)方案拼起來(lái)氫能的規(guī)劃就好做了，目前，我國(guó)氫能發(fā)展還缺乏從科學(xué)角度的頂層設(shè)計(jì)。所以，在產(chǎn)業(yè)布局上就像撒胡椒面，不考慮資源和條件，看起來(lái)我國(guó)在全球建的加氫站最多但沒有效率，有車的地方?jīng)]有氫，有氫的地方又沒有車。
（2）長(zhǎng)途輸運(yùn)，液氨效率遠(yuǎn)超液氫
日本氫氣來(lái)源也是多種多樣，包括工業(yè)副產(chǎn)氫、天然氣制氫、生物質(zhì)制氫等，但這些都難以滿足規(guī)模巨大的發(fā)電需求，所以日本規(guī)劃從制氫成本較低的國(guó)家進(jìn)口氫氣，這就需要長(zhǎng)途運(yùn)輸。
日本探索在澳洲和文萊等地褐煤制氫，然后通過(guò)液態(tài)儲(chǔ)氫的方式船運(yùn)回日本。從2013年開始到2018年用5年的時(shí)間研究和試點(diǎn)液氫和有機(jī)化合物儲(chǔ)氫，其中川崎做出了液氫船，從澳洲將液氫運(yùn)回日本，結(jié)果發(fā)現(xiàn)一艘萬(wàn)噸的液氫船只能運(yùn)125噸的氫氣，只有1/100的運(yùn)輸量，這個(gè)效率太低了；千代田則是三井的方案，從文萊通過(guò)甲基環(huán)己烷運(yùn)到日本，日本也需要甲苯，但這個(gè)方案也不能滿足大規(guī)模應(yīng)用的需求。
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所以，日本2018年開始考慮氨，從氨開始改路線，氨運(yùn)到日本來(lái)制氫，這條路線估計(jì)還需要2-3年的時(shí)間。氨到了日本兩條路線：一條是將氨裂解變成氫，另一條路是用氨直接發(fā)電，目前這兩條路都在試用。
不過(guò)液氫最大的好處是可以提純工業(yè)副產(chǎn)氫，一旦液化副產(chǎn)氫里面的雜質(zhì)就變成固體了，液氫最大的問(wèn)題還是成本太貴。
液氨可以用油輪來(lái)運(yùn)，液化只需要8.5個(gè)大氣壓，壓力不高，這樣用油輪運(yùn)輸可以運(yùn)幾十萬(wàn)噸，氨的儲(chǔ)氫量是17.5%。如果在國(guó)內(nèi)，從西北往東北和華南地區(qū)可以用鐵路槽車運(yùn)輸，2500噸的氨可以運(yùn)輸500噸的氫氣。中國(guó)有的是氨工廠，合成氨是非常簡(jiǎn)單的技術(shù)，一公斤就幾塊錢。
柴博士認(rèn)為，在長(zhǎng)途運(yùn)輸中除氨以外，目前市場(chǎng)討論比較多的甲醇也是一種不錯(cuò)的方案，不過(guò)甲醇最大的壞處是它不是地球上原有的東西，同樣是合成，乙醇比甲醇的方案可能會(huì)更優(yōu)，因?yàn)橐掖歼€有很多其它用途，而且乙醇直接可以用來(lái)做燃料，甲醇的分子式是CH?OH，相當(dāng)于CH2+H2O，可燃燒物是14/32=43.75%的可燃燒物；乙醇的分子式是C2H6O分子量是46，相當(dāng)于C2H4+H2O，可燃燒物是28/46=58.33%的可燃燒物。乙醇的熱值超過(guò)煤，它可以直接作為車用或者航空燃料，而甲醇熱值太低，需要輔助手段才能做車載燃料。所以，同樣要通過(guò)催化合成，以合成乙醇為目的要遠(yuǎn)優(yōu)于合成甲醇。
但液態(tài)陽(yáng)光的甲醇與煤制甲醇是兩條路線，液態(tài)陽(yáng)光的路線用二氧化碳在太陽(yáng)能作用下與氫合成甲醇成本比較高，而煤制甲醇排放又比較高，煤炭單位熱值的排放量最高，制一公斤氫排放十幾公斤二氧化碳。
對(duì)日本來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)距離運(yùn)輸氨可能是最好的方案，但對(duì)中國(guó)來(lái)說(shuō)不同的地區(qū)可以采用不同的方案，關(guān)鍵是解決方案要與資源匹配。
（3）氫能應(yīng)用：氫能是能源，燃料電池是其中的手段
氫能作為應(yīng)對(duì)氣候變化的二次能源，已經(jīng)成為世界主要國(guó)家重要的減碳戰(zhàn)略。但柴博士說(shuō)，發(fā)展氫能最大的意義在于國(guó)家能源安全，實(shí)際上，無(wú)論日本、韓國(guó)、還是歐洲，能源都大量依賴進(jìn)口，能源發(fā)展的趨勢(shì)是要從地下能源到地表能源，擺脫對(duì)地下能源資源的依賴。
發(fā)展氫能有利于釋放無(wú)碳一次能源，促進(jìn)能源體系清潔低碳化；替代油氣，降低油氣進(jìn)口依存度；優(yōu)化能源終端體系，確保能源供應(yīng)自主高效。
我國(guó)可再生能源的資源稟賦相當(dāng)于我國(guó)峰值能源需求總量的2.7倍，但是需要儲(chǔ)能來(lái)解決穩(wěn)定供應(yīng)問(wèn)題。氫能既可以解決大規(guī)模電力的儲(chǔ)存問(wèn)題，也可以解決將來(lái)單一電網(wǎng)不能解決的冶金、化工行業(yè)的原料問(wèn)題。
交通領(lǐng)域的用能在能源體系約占10%左右，將來(lái)會(huì)成為氫能源應(yīng)用的主要場(chǎng)景之一，這個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用最大的好處是規(guī)模效應(yīng)明顯。而對(duì)于未來(lái)的大規(guī)?？稍偕茉大w量，發(fā)展大規(guī)模制氫儲(chǔ)氫及氫電技術(shù)非常必要。
構(gòu)建由一次清潔能源發(fā)電、制氫，形成二次綠色能源“電能、氫能”為終端形態(tài)的能源體系，將是推進(jìn)能源革命和建立現(xiàn)代能源體系的主要路徑之一。
柴博士說(shuō)，氫能要堅(jiān)定不移地往前走，但氫能和燃料電池不能等同，氫能是能源，而燃料電池是將氫能變成電的一種手段，不是唯一的手段。
柴博士非?？春弥袊?guó)的氫能前景，他在日本通產(chǎn)省，幾次參與日本氫能發(fā)展規(guī)劃的編寫，之所以回到中國(guó)一方面是因?yàn)榍閼眩硪环矫嬉彩强吹街袊?guó)在新能源領(lǐng)域的執(zhí)行力，中國(guó)的能源產(chǎn)業(yè)是由央企國(guó)企主導(dǎo)的，只要國(guó)家政策方向明確，就比較容易推動(dòng)。
而國(guó)電投正是一家主導(dǎo)氫能領(lǐng)域的央企，目前，國(guó)電投氫能公司已經(jīng)在北京、寧波、武漢、長(zhǎng)春、濟(jì)南、佛山、日本東京等國(guó)內(nèi)外多個(gè)城市實(shí)施氫能全產(chǎn)業(yè)鏈布局。在2022年冬奧會(huì)及冬殘奧會(huì)期間，國(guó)家電投將投入近 200 輛搭載全自主研發(fā)“氫騰”燃料電池系統(tǒng)的氫能大巴，累計(jì)出車7205次，接駁人數(shù)160697人次，總行駛里程888599公里，累計(jì)減排二氧化碳700余噸，做到了“零失誤、零故障”，也很好地驗(yàn)證了柴博士30多年氫能領(lǐng)域積累的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)。
