鉅大LARGE | 點擊量：833次 | 2019年02月27日
燃料電池產(chǎn)業(yè)化道路探析
發(fā)達國家已經(jīng)加速了氫燃料電池產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的道路，世界知名汽車公司著手合作進行燃料汽車研發(fā);歐盟各國也紛紛啟動了燃料電池巴士項目;能源供應(yīng)商也加快了加氫站的建設(shè)。然而燃料電池能否真正替代鋰電池，成為新動力的領(lǐng)跑者?燃料電池實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的道路到底有多遠?國家如何促進燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?本文對這些題進行了探索和思考。
一、為什么要關(guān)注燃料電池
續(xù)航里程有限和價格高昂是制約電動汽車商業(yè)化發(fā)展的最大瓶頸，這二者都與電動汽車的核心部件電池緊密相關(guān)。作為一種新的技術(shù)產(chǎn)品，燃料電池以其節(jié)能、高效、無污染等優(yōu)點，成為應(yīng)對全球能源短缺和環(huán)境污染的重要選擇之一。
1.諸多優(yōu)勢集于一身
燃料電池是繼水力、火力、核能之后的第4代發(fā)電裝置，具有安全、高效、無污染、適用廣、無噪聲等特點，已成為當(dāng)今世界能源領(lǐng)域的開發(fā)熱點。氫燃料電池，作為發(fā)展最好的燃料電池，具備諸多優(yōu)勢：
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
轉(zhuǎn)換效率高，性能優(yōu)于內(nèi)燃機。氫燃料電池汽車的發(fā)動機綜合效率是內(nèi)燃機汽車的5～6倍。由于其能量轉(zhuǎn)換效率高，也能更適應(yīng)汽車加速和爬坡時的動力需求。另外，據(jù)資料顯示，氫燃料電池車充電時間小于8min，單次行駛里程可以達到500～600km，是鋰電池車的3～5倍。
環(huán)境親和性，基本實現(xiàn)零排放。氫燃料電池的反應(yīng)過程都是無污染的水反應(yīng)，反應(yīng)過程不產(chǎn)生污染物，同時以易于獲得的氫氣為燃料，廢氣中也不存在污染物，是真正意義上的“清潔能源”。
結(jié)構(gòu)簡單化，供電可靠度高。燃料電池發(fā)動機大多數(shù)為板狀和管件，結(jié)構(gòu)件構(gòu)造簡單。同時，電池主要由多個單體燃料電池串聯(lián)組成，結(jié)構(gòu)靈活多變，模塊化的設(shè)置使得供電系統(tǒng)具有極高的穩(wěn)定性。
2.技術(shù)突破超出原有預(yù)期
近年來，燃料電池技術(shù)實現(xiàn)了較大突破。制約燃料電池汽車技術(shù)實用化的3大難題：耐久性、低溫工作和低成本化，目前已解決前2個。從技術(shù)角度看，燃料電池已經(jīng)具備產(chǎn)業(yè)化的能力。具體來看：
耐久性問題已經(jīng)解決。質(zhì)子交換膜燃料電池最高壽命可達60000h，小汽車應(yīng)用壽命達到5000h，大巴車已經(jīng)完成12000h驗證，滿足10年使用壽命的設(shè)計。
低溫工作已經(jīng)解決。針對各種環(huán)境的測試驗證得出，目前豐田的燃料電池可以實現(xiàn)零下30℃的測試。
配套材料逐步升級。目前已進一步減少燃料電池中成本影響最大的催化劑用量;將雙極板板材升級到超薄超輕不銹鋼板;解決了加氫、儲氫裝置安全性問題;并掌握了燃料電池所需高純度氫氣提純技術(shù)。
3.外部環(huán)境變化帶來機遇
燃料電池汽車市場規(guī)模有望爆發(fā)。2012年，全球燃料電池系統(tǒng)出貨量約為3萬臺，同比增長約34%。隨著汽車廠商合作加速推廣燃料電池汽車，使其有望在2015-2017年后出現(xiàn)爆發(fā)，日韓將成為燃料電池商業(yè)化的先驅(qū)地區(qū)。預(yù)計到2025年，全球燃料電池汽車銷量將達到180萬輛，市場規(guī)模將達到3329億元。
二、燃料電池實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的影響因素
制約燃料電池商業(yè)化發(fā)展的最大瓶頸是什么?燃料電池能否真正替代鋰電池，成為新動力的領(lǐng)跑者?燃料電池實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的道路到底有多遠?這些問題值得深思。
1.成本障礙
高成本是制約燃料電池產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵因素。燃料電池成本中占比最高的是燃料電池組，其次是氫燃料罐和電池配件。如果未來要實現(xiàn)燃料電池商業(yè)化，并與內(nèi)燃機汽車進行競爭，那么燃料電池組的成本必須下降，其中主要涉及3個關(guān)鍵部件的成本，包括：鉑催化劑、電解質(zhì)膜、雙極板、氫燃料罐和電池配件。
鉑催化劑。現(xiàn)在的燃料電池組都使用金屬鉑作為催化劑，在未來10年內(nèi)很可能依舊如此。電極載鉑量過高一直是阻礙燃料電池發(fā)展的重要因素。鉑金具有稀缺性，而鉑金行業(yè)利潤較低、產(chǎn)量不穩(wěn)定。在這些不利因素的影響下，鉑金的價格未來不會降低。為了降低成本，需進一步降低鉑催化劑的使用量，并尋求廉價的替代催化劑。
電解質(zhì)膜?，F(xiàn)在汽車應(yīng)用中最常見的質(zhì)子交換膜是全氟磺酸膜(PFSAs)，這種交換膜具有較強的氧化和還原穩(wěn)定性。全氟磺酸聚合物通常被稱作納菲薄膜。目前燃料電池所用的納菲薄膜主要依靠進口，其價格在600美元/m2左右。因此，為盡早實現(xiàn)燃料電池產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，降低質(zhì)子交換膜的價格迫在眉睫。
雙極板。目前質(zhì)子交換膜燃料電池最常使用的雙極板是不透性石墨材料。主要是由于在燃料電池環(huán)境下，石墨的耐腐蝕性能最好，但是其制作成本較高：制造石墨雙極板需經(jīng)過2500℃以上的石墨化，并需經(jīng)過多次浸漬、炭化處理以達到不透性。而且由塊狀石墨加工成雙極板，需采用精密的機械加工，加工成本也過高、加工時間長、不易批量生產(chǎn)。因此，需進一步改善替代金屬雙極板的性能，實現(xiàn)制備精度高、成本低、壽命長等需求。
氫燃料罐和電池配件。氫燃料罐的成本較高，從成本和小型輕量化的角度來看，需開發(fā)組合使用輕量低成本氫儲藏材料和高壓氫燃料罐。而電池配件方面，也可與純電動汽車和混合動力汽車共同使用其他零部件，從而削減高昂成本。
2.燃料來源
燃料電池的類型有很多，其中氫能燃料電池研發(fā)的首要問題，就是解決氫氣來源，也就是如何廉價制氫。傳統(tǒng)工業(yè)制氫的方法以化石材料制氫、電解水制氫為主。而隨著對大規(guī)模制氫需求的提高，生物制氫、熱化學(xué)制氫和太陽光催化光解制氫等方法也獲得廣泛應(yīng)用。
從成本角度來看，在燃料電池推廣初期，應(yīng)以分散式制氫為主，可進一步控制成本，且使用便利。但隨著未來燃料電池規(guī)?；l(fā)展之后，集中制氫的成本和環(huán)保優(yōu)勢將會進一步突出。
3.配套設(shè)施
燃料電池汽車的推廣，其中最主要的制約因素是配套設(shè)施的缺失，即加氫站的覆蓋率過小，而其高昂的建設(shè)成本也使得加氫站的建設(shè)只能作為試驗性經(jīng)營。據(jù)統(tǒng)計，2012年全球范圍內(nèi)新增27個加氫站，加氫站總數(shù)達到208個，其中歐洲80個、亞洲49個、北美76個、南美3個，但這些還遠遠不足以滿足燃料電池產(chǎn)業(yè)化推廣的要求。
4.儲藏與安全
通常氫氣以3種形態(tài)存儲和運輸：高壓氣態(tài)、液態(tài)和氫化物狀態(tài)。短期內(nèi)，高壓罐儲氫仍是主要氫氣儲存運輸手段。但從長期來看，更需要具備高儲氫容量、高安全性、吸/放氫速率快、長壽命和低成本的儲氫材料。因此，輕質(zhì)儲氫材料、有機液態(tài)儲氫材料等低壓或常壓儲氫材料將成為未來發(fā)展的重點。
三、燃料電池加快產(chǎn)業(yè)化的對策建議
筆者認為，要加快燃料電池產(chǎn)業(yè)化道路，可提高政府對燃料電池技術(shù)的研發(fā)投入、逐步擴大配套設(shè)施建設(shè)、加大對氫燃料電池利用的補貼、增強對產(chǎn)業(yè)高端人才的引進力度、制定嚴格的氫能安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。
1.提高政府對燃料電池技術(shù)的研發(fā)投入
解決燃料電池產(chǎn)業(yè)化的問題，首先要解決氫燃料電池的技術(shù)瓶頸，以技術(shù)進步來降低產(chǎn)業(yè)化成本。作為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，燃料電池的發(fā)展需要相當(dāng)比例的資金作為科技投入。從其他國家燃料電池發(fā)展程度來看，其技術(shù)創(chuàng)新的進程與政府政策的投入支持密不可分。因此，政府應(yīng)進一步加大科技投入，支持燃料電池關(guān)鍵技術(shù)和共性技術(shù)突破。支持相關(guān)企業(yè)的產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合攻關(guān)，加快拉近國產(chǎn)技術(shù)與國際先進技術(shù)差距，尤其是在質(zhì)子交換膜技術(shù)、催化劑、碳板、膜電極組件等關(guān)鍵技術(shù)的國產(chǎn)化，安排專項資金支持電池系統(tǒng)開發(fā)及關(guān)鍵部件技術(shù)突破產(chǎn)業(yè)化;鼓勵和支持汽車企業(yè)積極申報國家級研發(fā)項目，并提供專項支持;鼓勵和支持汽車企業(yè)將具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)創(chuàng)新成果進行產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用;同時建立基于“技術(shù)鏈”的燃料電池汽車研發(fā)和示范推廣產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟。
2.逐步擴大配套基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)
基礎(chǔ)配套設(shè)施建設(shè)不足也是制約燃料電池汽車發(fā)展的一大因素。建設(shè)加氫站，所需空間較大，并需提前做好環(huán)評、安評等工作，可操作性較低，因此，更需要國家和各級政府的大力支持。國家應(yīng)結(jié)合我國能源分布、產(chǎn)業(yè)集聚和現(xiàn)有工作重點，加強燃料電池汽車加氫站等配套設(shè)施的規(guī)劃和建設(shè)，將有關(guān)配套設(shè)施建設(shè)納入專業(yè)系統(tǒng)規(guī)劃，籌劃燃料電池汽車氫氣供給網(wǎng)絡(luò);鼓勵和支持企業(yè)參與到加氫站、維修、配件供給等建設(shè)中，從點到線、到小區(qū)域示范和使用，再逐步擴大、延伸和推廣。
3.提高對氫燃料電池利用的補貼
燃料電池高昂的成本，決定了燃料電池汽車的大規(guī)模普及必然需要政府的大力補貼。而國外推行新能源汽車政策的過程中，政府補貼政策占據(jù)了較大比例。因此，國家應(yīng)從投資和消費2個角度，出臺補貼激勵政策，以推動燃料電池的廣泛應(yīng)用。調(diào)整燃料電池汽車財政補貼標(biāo)準(zhǔn)，扶持燃料電池汽車行業(yè)的發(fā)展;開展燃料電池投資稅減免政策，鼓勵大型國有企業(yè)和公司參與，并根據(jù)各地實際情況延長投資稅減免時間并增加力度;以燃料電池領(lǐng)域的投資進行企業(yè)和個人稅收抵消。同時，推出刺激燃料電池消費的法規(guī)和政策，如購買燃料電池汽車，可獲得能源補貼;對加氫站等提供激勵回扣，以促進氫燃料電池汽車的使用和生產(chǎn)。
4.加大對產(chǎn)業(yè)高端人才的引進力度
燃料電池技術(shù)的發(fā)展需要技術(shù)人才的支撐。目前我國相關(guān)產(chǎn)業(yè)的研發(fā)人員總數(shù)較多，但高端人才缺乏。因此，應(yīng)加大對加氫站使用、燃料電池汽車維修及管理等方面專業(yè)技術(shù)人員的培訓(xùn);支持有條件的高等院校設(shè)立有關(guān)氫燃料電池等相關(guān)專業(yè);建立企業(yè)院士工作站、博士后工作站等平臺，通過招聘、合作等多種方式，確保企業(yè)培養(yǎng)和引進各類高端人才;建立國內(nèi)外優(yōu)秀人才和資源的合作機制，對高層次人才科技項目提供配套獎勵。
5.制定嚴格的氫能安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)
雖然氫能是綠色能源，基本可以實現(xiàn)零排放，但是在氫能的生產(chǎn)、儲存、運輸及使用過程中，都不可避免地會出現(xiàn)氫氣泄漏等安全問題。因此，應(yīng)該制定嚴格的安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。制定氫燃料汽車發(fā)展路線圖;加強氫氣運輸設(shè)備的制造和使用、加氫站的設(shè)計等安全建設(shè)工作;盡快健全完善氫能標(biāo)準(zhǔn)化工作;加強與氫安全相關(guān)的氫檢測傳感器技術(shù)、潛在事故情景處理等技術(shù)的研究。
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