面對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)燃料電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展所面臨的壽命、價(jià)格、基礎(chǔ)設(shè)施和產(chǎn)業(yè)政策與標(biāo)準(zhǔn)缺失瓶頸，通過(guò)細(xì)分的技術(shù)和政策手段獲得實(shí)質(zhì)改善，并提出“超級(jí)工廠”概念助推國(guó)內(nèi)燃料電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。
什么是氫能與燃料電池?
簡(jiǎn)單的講，燃料電池就是能源轉(zhuǎn)換裝置，和內(nèi)燃機(jī)相似，把一種能源轉(zhuǎn)化成另外一種能量。燃料電池是電化學(xué)的轉(zhuǎn)換裝置，可將化學(xué)能量轉(zhuǎn)化為電能。
這個(gè)裝置有很多的特別之處，它高效清潔、功率較高(可達(dá)到每升3.1kW的功率密度)、沒(méi)有噪音、充氣迅速(三分鐘充氣可以讓汽車(chē)行駛500-700km)，是十分理想的能量轉(zhuǎn)化裝置。
以電池技術(shù)為參照，燃料電池的技術(shù)更為復(fù)雜，涉及到包括電堆在內(nèi)的一整套系統(tǒng)。比如需要把氫氣通到燃料電池里，把空氣通過(guò)空氣壓縮機(jī)通到燃料電池里實(shí)現(xiàn)發(fā)電，再通過(guò)DCDC裝置將所得電力的電壓轉(zhuǎn)換到所需電壓等，這些也是燃料電池技術(shù)的難度所在。
作為能源轉(zhuǎn)化裝置的燃料電池具備和內(nèi)燃機(jī)同樣的功能，也就決定了其用途的廣泛性，幾乎所有內(nèi)燃機(jī)能發(fā)揮作用的領(lǐng)域，燃料電池都可以參與代替。比如能源交通、發(fā)電、家庭、移動(dòng)電源、通訊基站和空間技術(shù)、軍事、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域等。
而在眾多的應(yīng)用領(lǐng)域中，交通運(yùn)輸層面的應(yīng)用格外重要。早在2000年，福特公司CEO小福特就斷言燃料電池將終結(jié)內(nèi)燃機(jī)的百年統(tǒng)治，實(shí)際上不止福特，全球大型汽車(chē)企業(yè)幾乎都認(rèn)同了這樣的觀點(diǎn)。
美國(guó)的咨詢(xún)公司KPMG曾對(duì)全球汽車(chē)企業(yè)總裁進(jìn)行過(guò)一項(xiàng)調(diào)查，結(jié)果顯示，2018年全球汽車(chē)企業(yè)總裁一致認(rèn)為燃料電池汽車(chē)是當(dāng)今發(fā)展的主流，而電動(dòng)車(chē)則在2018年下降到第五位。
通過(guò)對(duì)電動(dòng)車(chē)和燃料電池車(chē)的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比，我們可以發(fā)現(xiàn)的明顯特征是電動(dòng)車(chē)在短距、小型車(chē)領(lǐng)域占有優(yōu)勢(shì)，但在長(zhǎng)距離、大型汽車(chē)領(lǐng)域，燃料電池則會(huì)更具優(yōu)勢(shì)。基本上續(xù)航里程超過(guò)100km，燃料電池汽車(chē)就會(huì)處于優(yōu)勢(shì)地位。
國(guó)內(nèi)外燃料電池汽車(chē)發(fā)展進(jìn)程對(duì)比
現(xiàn)階段，全球都在加快燃料電池車(chē)型的開(kāi)發(fā)、推廣步伐，但在產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)程上，國(guó)內(nèi)外存在一定的差異。
整體來(lái)看，國(guó)外燃料電池汽車(chē)的發(fā)展基本已完成“技術(shù)驗(yàn)證/用戶(hù)認(rèn)可—成本降低—性能提升—市場(chǎng)引入—大規(guī)模制造”五個(gè)階段。具有代表性的是2015年日本豐田推出的Mirai，標(biāo)志著燃料電池汽車(chē)成功進(jìn)入商業(yè)化階段，所以2015年也被視為燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化元年。
反觀國(guó)內(nèi)，燃料電池汽車(chē)技術(shù)相對(duì)落后于國(guó)外，車(chē)型也大多處于研究階段，對(duì)照上述五大發(fā)展階段，基本上處于技術(shù)驗(yàn)證階段，與國(guó)外存在著較大差距。
但值得注意的是，過(guò)去幾年國(guó)內(nèi)燃料電池行業(yè)飛速發(fā)展，不同的行業(yè)、公司運(yùn)用了不同的方法持續(xù)進(jìn)行技術(shù)突破，盡管行業(yè)整體被歸于技術(shù)驗(yàn)證階段，但實(shí)際上的用戶(hù)認(rèn)可、降低成本、市場(chǎng)引入等環(huán)節(jié)在同步推進(jìn)，有希望在較短時(shí)間內(nèi)趕上國(guó)外先進(jìn)技術(shù)。
氫能和燃料電池產(chǎn)業(yè)化四大瓶頸及應(yīng)對(duì)策略
總體來(lái)看，當(dāng)前燃料電池技術(shù)包括峰值效率、系統(tǒng)能量密度、低溫啟動(dòng)等性能已基本達(dá)到商業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)。但燃料電池的壽命和價(jià)格目前距離當(dāng)前預(yù)期仍有一定差距，加上基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、產(chǎn)業(yè)政策與標(biāo)準(zhǔn)的缺失，四大因素綜合限制了氫能和燃料電池的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。
首當(dāng)其沖的就是價(jià)格。從趨勢(shì)上來(lái)看，過(guò)去數(shù)年燃料電池通過(guò)技術(shù)革新促使產(chǎn)品價(jià)格不斷下降，2016年到現(xiàn)在，燃料電池價(jià)格基本在過(guò)去10年的基礎(chǔ)上下降了60%。
假設(shè)2019年燃料電池汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量超1000輛，燃料電池價(jià)格大概將在230美元/kW左右，如果說(shuō)每年產(chǎn)能達(dá)到10萬(wàn)輛車(chē)，燃料電池的價(jià)格可以降低50美元/kW。顯然隨著技術(shù)的進(jìn)步，價(jià)格將非常接近我們的最終目標(biāo)。
根據(jù)美國(guó)能源部此前的規(guī)劃，按照每年50萬(wàn)輛燃料電池汽車(chē)計(jì)算，2017年燃料電池系統(tǒng)的價(jià)格是45美元/kW，預(yù)計(jì)2025年燃料電池系統(tǒng)售價(jià)將達(dá)40美元/kW，而最終的市場(chǎng)化推廣目標(biāo)是30美元/kW。
這就要求我們從整個(gè)燃料電池系統(tǒng)各個(gè)關(guān)鍵的部件進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)來(lái)降低價(jià)格。比如，當(dāng)空壓機(jī)價(jià)格降低時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的價(jià)格可以下降3美元左右;采用非鉑催化劑可以將燃料電池價(jià)格再降低5美元;雙機(jī)板價(jià)格降低，也將促使整個(gè)系統(tǒng)價(jià)格降低3美元。
至于壽命問(wèn)題，我們希望燃料電池保持至少5000小時(shí)的運(yùn)營(yíng)壽命。2015年到2017年間的數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)階段燃料電池車(chē)的運(yùn)行壽命基本可以達(dá)到超4000小時(shí)，實(shí)驗(yàn)室已可達(dá)10000小時(shí)，遠(yuǎn)超壽命需求。
要解決壽命問(wèn)題必須要了解影響燃料電池壽命的原因有哪些，在過(guò)去幾十年的研究里面，我們成功地揭示了燃料電池壽命衰減的基本機(jī)理。
※質(zhì)子交換膜在燃料電池運(yùn)行的過(guò)程里會(huì)變薄，出現(xiàn)針孔、撕裂現(xiàn)象等機(jī)械問(wèn)題，化學(xué)、電化學(xué)以及熱穩(wěn)定等因素導(dǎo)致的質(zhì)子交換膜衰減都是影響燃料電池壽命的重要因素。
※催化劑活性降低也會(huì)影響燃料電池壽命。在燃料電池運(yùn)行過(guò)程中，催化劑可能出現(xiàn)團(tuán)聚、再沉積，導(dǎo)致催化劑流失，空氣污染在影響催化劑活性的同時(shí)也會(huì)影響到燃料電池壽命。
※氣體擴(kuò)散同樣會(huì)對(duì)燃料電池的壽命造成影響，氣體擴(kuò)散層的速水材料會(huì)慢慢流失，造成表面變化，進(jìn)而影響燃料電池的壽命。
※雙極板環(huán)節(jié)在在燃料電池運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的腐蝕情況，也會(huì)影響燃料電池壽命。
針對(duì)這些機(jī)理，可以制定針對(duì)性的應(yīng)對(duì)策略，有效促進(jìn)燃料電池壽命提升并達(dá)到車(chē)用壽命要求。
質(zhì)子交換膜方面，可以用增強(qiáng)膜增強(qiáng)其機(jī)械性能，延長(zhǎng)其使用壽命;為質(zhì)子交換膜加進(jìn)去自由基，就可以保證膜不會(huì)降解，加強(qiáng)熱分解也能降低自由基數(shù)量，保證質(zhì)子交換膜擁有足夠的壽命。(燃料電池操作過(guò)程中總會(huì)產(chǎn)生大量自由基，這些自由基進(jìn)攻膜材料，令膜材料逐步流失、變薄，影響膜壽命。)
催化劑層面，可以用高比表面體的載體，抗反擊的催化劑，以及氧化的載體，使用化學(xué)過(guò)濾器，確保氫氣和空氣潔凈不受污染，保證催化劑在整個(gè)壽命周期中活性不降低。
雙極板則需要采用防腐涂層，增加壽命。
另外一個(gè)影響主要因素是氫燃料以及氫設(shè)施問(wèn)題。氫燃料和氫設(shè)施方面的問(wèn)題主要包括制氫、氫的儲(chǔ)運(yùn)和加氫，這在國(guó)內(nèi)是一個(gè)非常大的問(wèn)題，需要我們花更多的精力去解決。
燃料電池用氫，那么氫從哪兒來(lái)?現(xiàn)階段制氫的方法很多，目前市場(chǎng)上大量的氫氣來(lái)源于天然氣制氫，它的價(jià)格基本上可以低于2美元/kg，滿(mǎn)足氫作為燃料的基本價(jià)格要求。
但未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中，氫的主要來(lái)源需將逐步過(guò)度到從太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源制氫的方式，可以令氫氣的價(jià)格更加便宜。整體來(lái)看，當(dāng)前的氫氣價(jià)格仍舊較高，需要改進(jìn)方法，繼續(xù)強(qiáng)調(diào)降低制氫成本。
“超級(jí)工廠”解決方案
考慮當(dāng)前燃料電池技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化方面存在的瓶頸，我們已經(jīng)采取了相應(yīng)對(duì)策。即通過(guò)基礎(chǔ)研究提高燃料電池的裝置效率，同時(shí)開(kāi)發(fā)關(guān)鍵材料、技術(shù)，盡快實(shí)現(xiàn)材料和技術(shù)國(guó)產(chǎn)化，降低燃料電池的價(jià)格，設(shè)計(jì)材料、電堆、系統(tǒng)的一體化解決方案。
