鉅大LARGE | 點擊量：687次 | 2019年01月02日
中國氫燃料電池產(chǎn)業(yè)化還缺什么
全國政協(xié)副主席、科技部前部長萬鋼，近日在《人民日報》撰文稱，新能源汽車應(yīng)及時把產(chǎn)業(yè)化重點向燃料電池汽車拓展。
一文掀起千層浪，特別是氫燃料電池是否具備了產(chǎn)業(yè)化條件，業(yè)界爭議很大。
由此，我們不妨來看看，在氫燃料電池領(lǐng)域，中國家底兒有多厚？產(chǎn)業(yè)化還需要補足什么？
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說到燃料電池，最核心的材料是質(zhì)子交換膜、催化劑、氣體擴散層、以及雙極板。質(zhì)子交換膜、催化劑和擴散層經(jīng)過一定的工藝加工程膜電極（MEA），而膜電極是燃料電池的心臟。
A質(zhì)子交換膜
質(zhì)子交換膜是膜電極中最核心的部件之一。對于質(zhì)子交換膜，有三個主要的技術(shù)要求：
（1）必須具有較高的質(zhì)子導(dǎo)電性
（2）必須有足夠低的氣體滲透率
（3）在運行環(huán)境下具有足夠的化學(xué)和機械穩(wěn)定性
在國內(nèi)，上海有機所、大連化學(xué)物理所、武漢理工大學(xué)、山東東岳集團、新源動力等是質(zhì)子交換膜主要開發(fā)和生產(chǎn)單位。以東岳的DF260隔膜為例，膜厚度為15微米，在開路電位情況下耐久性大于600小時，膜在保證性能的前提下運行壽命超過6000小時，干濕循環(huán)次數(shù)超過20000次，得到AFCC（Automotive Fuel Cell Cooperation，戴姆勒-奔馳與福特的合資公司）的認可，并給東岳、上海交通大學(xué)張永明教授頒發(fā)了技術(shù)達標獎。目前，該膜已經(jīng)定型量產(chǎn)，二代規(guī)劃產(chǎn)能20萬平方米，至少可滿足每年20000輛全功率型FCV的需求。
B催化劑
催化劑以Pt（鉑）催化劑為主。中國氫能專家衣寶廉院士在一次采訪中曾提到，低Pt催化劑是燃料電池的主要技術(shù)方向。當(dāng)一輛FCV的鉑用量低于傳統(tǒng)汽車三元催化中鉑的用量的時候，就達到了目標。而制備殼型結(jié)構(gòu)的催化劑是降低催化劑用量的一個有效的方法。
在“十三五”重點研發(fā)計劃項目的支持下，大連化物所、上海交通大學(xué)、華南理工大學(xué)、北京大學(xué)、蘇州大學(xué)等著名研究機構(gòu)取得了多方面的進展。
除此之外，清華大學(xué)、重慶大學(xué)、廈門大學(xué)等研究機構(gòu)也對非Pt催化劑開發(fā)展開了研究，并取得了階段性成績。雖然中國新型催化劑，其中一部分在性能和穩(wěn)定性上已經(jīng)超過商業(yè)催化劑，但尚未實現(xiàn)量產(chǎn)制備。
C膜電極
膜電極方面，如武漢理工新能源有限公司早已實現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)，產(chǎn)能已經(jīng)達到5000平米，國內(nèi)開發(fā)的第二代膜電極水平和國外商業(yè)化膜電極水平差距較小。目前，以開發(fā)有序化膜電極、新一代CCM技術(shù)為主要研發(fā)方向。
D雙極板
雙極板也是燃料電池的核心部件之一。如果按照功能去命名，可能叫做“雙極集電分離板”更加貼切?；陔p極板的作用，其特性必須兼具較好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，極低的氣體滲透率，要有足夠的尺寸和足夠的強度，還要耐腐蝕。雙極板承擔(dān)著電堆大部分的重量和成本，因此，低成本、輕量化、易生產(chǎn)，是對雙極板的具體要求。
從材料上看，雙極板主要分為石墨雙極板、金屬雙極板和復(fù)合材料雙極板。目前，國內(nèi)以開發(fā)金屬雙極板電堆為主要技術(shù)路線。尤其豐田Mirai推出鈦基雙極板燃料電池電堆之后，更堅定了行業(yè)開發(fā)金屬雙極板技術(shù)方向的信心。雙極板技術(shù)的難點在于成型、焊接、涂層三個關(guān)鍵步驟。
上海治臻新能源裝備有限公司依托于上海交通大學(xué)的技術(shù)力量，已經(jīng)攻克了雙極板成型、焊接、涂層三道技術(shù)難關(guān)，可以實現(xiàn)雙極板國產(chǎn)化、批量化生產(chǎn)，設(shè)計年產(chǎn)量可達50萬副，至少可供1500輛以上FCV使用。
由以上可以看出，雖然中國燃料電池技術(shù)與國際領(lǐng)先水平仍有差距，但已經(jīng)初步具備了產(chǎn)業(yè)化的條件。
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我們?nèi)笔裁矗?/strong>
A缺市場驅(qū)動力
市場需求是產(chǎn)業(yè)化的前提，而產(chǎn)業(yè)化又是降低成本的基礎(chǔ)。燃料電池是關(guān)系國家未來能源結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)。如果只能滿足小眾的需求，那便是資源的浪費。但是迄今為止，燃料電池并沒有找到一個很好的應(yīng)用場景。縱觀全球，燃料電池的盈利空間也極其有限。而在小規(guī)模試制階段會有成本失真的現(xiàn)象。
舉個例子，一臺百千瓦級的全功率燃料電池電堆，雙極板不銹鋼用量只有幾十公斤，沒有市場規(guī)模，幾乎沒有大型鋼廠會接這樣的訂單。只能去市場上抓性能差不多的材料，或委托小鋼廠加工。材料性能和一致性很難保證。即使并非高價材料，也可能導(dǎo)致成品率降低，增加雙極板成本。
這種情況不只出現(xiàn)在雙極板，也出現(xiàn)在燃料電池電堆及系統(tǒng)各個部件之中。由于沒有市場規(guī)模，大家缺乏國產(chǎn)化的動力。而對于技術(shù)課題和工程示范項目，往往對成本不太敏感。即使性能提上去了，價格也降不下來。因此，在沒有市場規(guī)模的前提下，不論是研發(fā)成本、材料成本、制造成本、還是后期的維護服務(wù)成本都很難下降。
沒有規(guī)?；杀揪筒荒芙档?，成本不降低更沒有規(guī)模化市場。這一死循環(huán)的破解方法是不遺余力地挖掘需求，這仰賴于企業(yè)家的能力和精神：發(fā)現(xiàn)未來的機會，現(xiàn)在敢于投入。但中國汽車主管部門的思路是，他們引導(dǎo)，企業(yè)家跟隨。無論有沒有萬鋼的文章，中國堅定推動氫燃料電池產(chǎn)業(yè)化，已經(jīng)是非常明確的了。相較之下，氫燃料電池市場驅(qū)動力反而不足。能否政府引導(dǎo)先冷啟動，市場驅(qū)動力隨后跟上并接過大棒？我們樂觀其成。
B缺戰(zhàn)略性的資金
《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃（2016-2030年）》提出了燃料電池的目標：“2020年實現(xiàn)質(zhì)子交換膜燃料電池（以下稱PEMFC）電源系統(tǒng)實現(xiàn)額定輸出功率50~100kW、系統(tǒng)比功率≥300Wh/kg、電堆比功率3000W/L以上、使用壽命5000小時?！币粋€50kW的電堆，完成5000小時的壽命測試，僅氫氣費用就要達到上百萬甚至數(shù)百萬之多，因此，發(fā)展燃料電池產(chǎn)業(yè)，需要大量的資金投入。
這次燃料電池勢頭和2006年那會兒不同，有許多資本進入，所以可能更有希望。但我有一絲擔(dān)心，因為資本和資金雖然都是錢，但可能不完全一樣。一種資本是風(fēng)險投資，他要求你快速燒錢，盡快看到成效，然后以一個合理的回報退出。另一種雖然是行業(yè)投資，但在他們眼里，燃料電池是一個新的風(fēng)口，他們在幾乎沒有太多思考的前提下，便躋身其中，一有風(fēng)吹草動，可能像驚弓之鳥一樣撤出。無論哪種資本，只能“錦上添花”，很難“雪中送炭”。
燃料電池是一條長線投資，換言之，燃料電池的獲利屬于未來。因此，燃料電池缺乏的是高瞻遠矚的戰(zhàn)略投資。更加需要警惕的是，如果資本急功近利可能會產(chǎn)生“拔苗助長”的負面效果，比如把不合格的電堆推向市場，可能引發(fā)故障或者事故，除了安全隱患外，甚至?xí)`導(dǎo)社會對燃料電池的認知，反而不利于燃料電池行業(yè)的發(fā)展。
C缺產(chǎn)業(yè)鏈
現(xiàn)在社會分工更加明細，如果燃料電池只是幾個企業(yè)，而非一個產(chǎn)業(yè)，那勢必是低效的。說到產(chǎn)業(yè)鏈，我們很容易想到制氫和儲氫。依照Mirai的數(shù)據(jù)，百公里氫氣消耗量約為0.6~0.7公斤。那么氫氣的價格就直接關(guān)系到用戶的使用成本。氫氣價格的組成，受到制氫、純化、儲運、加氫站建設(shè)與運營、利潤等諸多因素影響，甚至包括加氫計量的偏差。
未形成產(chǎn)業(yè)鏈，是除了市場規(guī)模外，另一個影響燃料電池成本的重要原因?；蛘咄ㄋ椎恼f：這些材料和元器件都不是專為燃料電池設(shè)計的，因此可能存在著需求與性能和成本上的各種不匹配。如FCV一般使用碳纖維材料作為生產(chǎn)IV型瓶（非金屬內(nèi)膽全纏繞氣瓶）的主要材料，這種材料的成本短期內(nèi)成本可能很難降低。
D缺技術(shù)方向
船是誰造的？船是大海造的。因為不符合“大海的設(shè)計規(guī)范”的船，都已經(jīng)沉沒了。燃料電池該往哪走，市場是最好的指揮棒。
豐田公司開發(fā)的Mirai，為燃料電池行業(yè)提振了士氣。但諸如鈦基雙極板，3D流道技術(shù)等，不應(yīng)順理成章地就成為燃料電池產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)方向。比如雙極板，鈦基雙極板耐腐蝕，輕量化，但是機械加工難度大，成本高。不銹鋼不但材料成本低，也更易于加工，除冷壓成型外，還可以采用熱成型等其他工藝，因此也不失為一個好的選擇。
缺乏技術(shù)方向還導(dǎo)致了另一個現(xiàn)象：觀望。由于存在著技術(shù)不確定性的風(fēng)險，很多企業(yè)不敢“盲目”的投入。一方面行業(yè)熱火朝天，另一方面產(chǎn)業(yè)化推進速度很慢。
在市場需求不明確時，要根據(jù)企業(yè)的定位，目標客戶，探索性的定制方向，而非千人一面。正如投資界說的：不能把雞蛋放在同一個籃子里。在技術(shù)方向不確定時，百花齊放可能是更好的局面。
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怎么做
A找應(yīng)用場景
如果燃料電池不能找到合理的應(yīng)用場景，可能會成本失真，缺乏方向。前文提到那些國內(nèi)頂尖的燃料電池研發(fā)機構(gòu)，未必是產(chǎn)業(yè)化的最合適場所。他們有能力提升材料和電堆的各項指標，完善著各種理論，甚至開發(fā)原型機和工程樣機……但這都不是達成產(chǎn)業(yè)化的充分條件。
福田氫燃料電池公交
燃料電池的場景，比如重載貨車利用“液氫+燃料電池”的組合，或者特種燃料電池車輛（如叉車）。這些是企業(yè)家基于商業(yè)嗅覺所開發(fā)的應(yīng)用，而非科學(xué)家的判斷。燃料電池產(chǎn)業(yè)化的前提是，找到不得不使用燃料電池的應(yīng)用場景。光闡述燃料電池的優(yōu)勢并沒有什么幫助。
舉個例子，在“有電有網(wǎng)”的場景，儲能電池固然有調(diào)峰的功能，但并非是必須的。再加上峰谷電價差額較小，在成本上看加儲能電池略顯“雞肋”。但如果“無電無網(wǎng)”的新能源發(fā)電場景下，儲能電池就是必不可少的模塊。同樣，燃料電池的優(yōu)勢是“多網(wǎng)融合”，和其他電池不同，它不依賴外部電網(wǎng)，而是一種全新的發(fā)電模式。相比低功率密度的太陽能發(fā)電，燃料電池系統(tǒng)可能是一種更加適合的分布式電源（比如變成充電站）。它既不需要變壓器增容，也不需要動輒幾百平米的鋪設(shè)空間，而且調(diào)度很快。
這就是我臆斷的一個應(yīng)用場景。應(yīng)用場景合適，才有可能創(chuàng)造市場。有了市場，才會營造規(guī)模，而在規(guī)模之下，原來固有的問題，可能不再是問題。比如大家都擔(dān)心燃料電池對貴金屬催化劑的依賴，但當(dāng)它初具規(guī)模，形成Pt回收的產(chǎn)業(yè)鏈條，這個擔(dān)心將不復(fù)存在。
B相信自己的專家
如果有在豐田、本田、現(xiàn)代這樣的FCV先進企業(yè)工作過的人，愿意在國內(nèi)工作，恰好他們在國外還接觸過燃料電池，國內(nèi)企業(yè)很多企業(yè)都會趨之若鶩。且不說這些“洋專家”是否貨真價實，即使他們真的了解核心技術(shù)，也未必能將中國的燃料電池技術(shù)推向新的高峰。
技術(shù)應(yīng)用，也要因地制宜。需要技術(shù)專家，更需要技術(shù)團隊，研發(fā)機制，資金支持，績效管理等一系列影響因素。一個企業(yè)，很難因為某個專家而改變基因。也許這些洋專家自己也很清楚，他的價值，多來自于不對稱的信息。為保證自己的收益，也很少有人愿意把自己掌握的東西全盤托出。
我們有自己的專家，在燃料電池研發(fā)的道路上，走了十余年或者幾十年，更重要是，他們更了解國情，提出的建議更具有可行性。
某次會議上，一位德國專家在回答中國企業(yè)的征詢是說了一句：FürIhre China-Problem, sollten Sie Ihre eigenen chinesischen Experten informieren（中國的問題，要請教中國自己的專家）。這句話我非常贊同。
C靈活的戰(zhàn)略
日本在氫能方面可說是世界的典范，“建立氫能社會”更是日本的國家戰(zhàn)略之一。日本為什么這么做？日本資源匱乏，核電+氫能的技術(shù)路線，可能幫助日本擺脫進口能源的依賴。大家經(jīng)常說“地緣經(jīng)濟”“地緣政治”，我想“地緣能源”也同時成立。
首先，戰(zhàn)略制定要因地制宜。中國每年大量的可再生能源無法上網(wǎng)，出現(xiàn)了大量的棄風(fēng)棄光現(xiàn)象。是否一定可以用這些電能電解水制氫？姑且認為商業(yè)模型成立，但根據(jù)質(zhì)量守恒，每生產(chǎn)1公斤氫氣，所需要的水為9公斤（實際更多）。因此不見得有棄風(fēng)棄光的地方都適合電解水制氫，還需要考慮當(dāng)?shù)厥遣皇怯谐渥惴奖愕乃础?/p>
其次，要發(fā)展的看問題。發(fā)展清潔能源戰(zhàn)略必會有一個趨勢：未來可再生能源的上網(wǎng)率將大量提升，這就意味著棄風(fēng)棄光現(xiàn)象將減少。可再生能源發(fā)電制氫作為一個長期投資項目，必須考慮這個因素在未來對經(jīng)濟模型的影響。
第三，戰(zhàn)略要可執(zhí)行，不能為氫能而氫能。即使是日本，今年也提出了“氫電并重”的戰(zhàn)略方向。
日本計劃2020年氫燃料電池車市場份額達1%，2030年達到3%，遠遠少于電動汽車和插電式混合動力。
D建立產(chǎn)業(yè)鏈
制造行業(yè)不比互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)，由于其重資產(chǎn)的特點，很難短期內(nèi)出現(xiàn)可能掌控全產(chǎn)業(yè)鏈的寡頭。建立產(chǎn)業(yè)鏈，既需要決心，更需要實力。德國有一家企業(yè)叫ElringKlinger，他是車企的供應(yīng)商。最近很快推出了自己的電堆，我覺得這得益于他在金屬成型方面的積累。拉行業(yè)外有實力的企業(yè)入伙，是快速加快產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)的有效途徑。
比如燃料電池系統(tǒng)中的核心部件空壓機，我第一個想到的就是那個掌握空氣壓縮機核心技術(shù)的格力?？茖W(xué)不等于技術(shù)，技術(shù)也不等于產(chǎn)品，每一步都有一道鴻溝。如果格力進入，要比幾個工程師拿筆錢創(chuàng)業(yè)靠譜一些。多挖掘這樣的企業(yè)進入，可能大大加速燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈的進程。
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總結(jié)
什么是產(chǎn)業(yè)化？我的理解是有規(guī)模化的市場，標準化的產(chǎn)品，專業(yè)化的分工，以及合理的商業(yè)模式四個條件。如果用這四個標準來衡量，燃料電池目前所處的產(chǎn)業(yè)狀態(tài)比較初級，但是具備了初步產(chǎn)業(yè)化的條件。
有好的土壤，才能孕育出好的技術(shù)。不過，目前中國汽車主管部門的思路，如萬鋼文章指出的，將遠程公交、雙班出租、城市物流、長途運輸?shù)燃冸妱悠嚥荒芨采w的市場需求，確定為氫燃料電池的應(yīng)用場景。這一官方指引，和民間企業(yè)的判斷，大體一致。另外，根據(jù)中國的節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖，2020年將有5000輛氫燃料電池市場，2025年將有5萬輛的市場。這些因素，有望帶動氫燃料電池產(chǎn)業(yè)化的開始。
最后，我想以一個正能量的消息作為結(jié)尾：
美國媒體VerticalNews報道，2025年，全球燃料電池市場預(yù)計達到248.1億美元的市場規(guī)模，CAGR（CompoundAnnual Growth Rate，復(fù)合年均增長率）預(yù)期可以達到20.9%。
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