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中国的氢燃料电池被什么卡了脖子?

2020-09-19 03:32

  “我从未想过可以再见到它。”时年91岁的Floyd Wyczalek在2016年又一次坐进了Electrovan的驾驶室里。

  握着他50年前参与制造的全球第一辆燃料电池概念车的方向盘,这位前通用汽车工程师眼里发着光。

  转眼又是4年。2020年9月8日,通用汽车宣布20亿美元入股电动汽车公司Nikola,其中燃料电池技术的应用是双方战略合作重头戏之一。“价值数十亿美元”,这是Nikola创始人Trevor Milton对通用燃料电池项目的评价。

  逐利的资本不太会撒谎。氢云链数据显示,2020年前7个月,中国的氢能产业名义总投资超过1300亿元,同比增长逾30%,投资达到百亿级别的项目就有5个,而2019年同期只有2个。

  如今,出台支持氢能发展政策的地方政府也超过40个,据不完全统计,目前全国规划的氢燃料电池电堆产能逾3000兆瓦,燃料电池汽车预期产量超10万辆。

  9月13日,上汽集团正式发布全球首款燃料电池MPV 上汽大通MAXUS EUNIQ 7,同时公布其“氢战略”。

  资本、政府、车企纷纷出手,在这个逐渐转凉的九月,中国氢燃料电池市场格外火热。

  提到燃料电池,现在很多人习惯性在前面加一个字——氢,也就是氢燃料电池,暗示着这是一场能源动力的变革。

  氢气是一种高能、高效的能量载体。古代木材作为燃料的能量密度只有每公斤0.13兆焦,现在标准煤、石油、天然气直到氢气,能量密度最高达到了140兆焦。

  而且氢能是一种可再生能源,获取方式多种多样,无论是工业副产品、石化能源还是水,人类都可以通过各种方法从中获取氢气。

  21世纪,人类正在从化石燃料时代向绿色能源时代迈进。中国工程院院士干勇认为,转变分为两个:一个是化石能源消耗向绿色能源再生转变,另一个是从高碳燃料向低碳燃料转变。回归本质的话,还是燃料的“加氢减碳”。

  “零碳”能源最终指向了氢能,这是一种零排放的清洁能源,氢气和氧气充分反应的最终产物只有水。

  日本等多国已经将氢能社会定为国家战略。新冠疫情爆发以来,德国等国将氢能视为振兴经济的重要手段。2020年6月份,德国宣布将再投入90亿欧元以支持氢能的发展。

  中国在这方面也已开始布局。2016年5月,中共中央、国务院印发《国家创新驱动发展战略纲要》,表示要“开发氢能、燃料电池等新一代能源技术。”

  之后的2019年,氢燃料电池首次被纳入《政府工作报告》,2020年,氢能被纳入《能源法》征求意见稿。近期,有媒体报道称,由多个部委参与的中国氢能发展整体规划正在制定之中,中国氢能的顶层设计呼之欲出。

  燃料电池是一种将外部供应的燃料与氧化剂中的化学能通过电化学反应直接转变为电能、热能、和其他反应产物的发电设备。

  目前行业研究较多的燃料电池是外部供应燃料为氢气、氧化剂为氧气的质子交换膜氢燃料电池。燃料电池汽车就是以车载燃料电池系统产生的电能为动力或主动力的汽车。

  1966年10月28日,在美国密歇根州,通用汽车展示了一款名为Electrovan的概念车,被视为是全世界第一辆燃料电池车,由于成本过高,当时没有得到推广。

  如今,无论是国内还是国外,汽车电动化的趋势不可阻挡。只是,前途光明,道路曲折,从过去到现在,电池安全仍然是很多消费者犹豫是否购买纯电动汽车的重要因素。最近宁德时代“811”电池也陷入安全性的争议当中。

  氢燃料电池也是电动化浪潮中的一员,而且“燃料电池的安全性比锂离子电池高。”中国工程院院士衣宝廉认为,氢燃料电池本质是一个通过电化学反应实现的能量转化装置,原理上和锂电池是一致的,但从工作方式来看,它和内燃机更像。

  内燃机的汽油(柴油)是存储在油箱里面的,燃料电池的氢气是存在储氢瓶里面,前者有发动机进行能量转化,后者的能量转换场所是在燃料电池电堆中,电堆和储氢瓶是分开的。

  “我搞了一辈子燃料电池,从来没有发生过燃烧和爆炸的事故。”衣宝廉表示,燃料电池电堆里面的能量很少,如果出了事情,只要把氢气的供应切断,就能保障安全。

  然而,这样一种高能、高效、安全的可再生清洁能源,现在刚刚步入商业化的窗口期。

  通用的Electrovan在1966年没有掀起太大波澜,直到1973年,第四次中东战争爆发,带来了第一波燃料电池民用化的热潮。

  当时国际石油输出国组织(OPEC)对以色列等国实施石油禁运,仅仅3个月时间,从1973年10月1日至1974年1月1日,国际油价从每桶3.11美元上升到11.65美元,引发了全球性石油危机。

  石油危机使得民用燃料电池汽车的研发和投入火热了一段时间,但这波浪潮并不持久,随着危机的暂时解决,燃料电池的热潮就慢慢冷下去了。

  第二次浪潮兴起于2000年前后,由加拿大的巴拉德等燃料电池生产企业推动。但是因为当时的技术没有成熟到商业化应用的阶段,车企并不支持他们,消费者也没有需求,零部件供应商一方撑不起燃料电池汽车市场,最终氢动力汽车也没有发展起来。

  此后一段时间内,由于氢燃料汽车在全球范围内迟迟无法实现量产,不少政策逐渐向搭载锂电池的纯电动汽车倾斜,氢燃料汽车全产业链频现倒闭潮。

  到了2014年,丰田终于推出全球首款量产氢燃料电池汽车Mirai,沉寂多年的氢能汽车行业才得以复苏。

  以此为起点,第三波氢能浪潮在汽车领域的暗流开始涌动。事不过三,或许这波氢燃料电池的商业化真能起来。

  在各国政策扶持下,丰田汽车推出了Mirai,本田的Clarity、现代的NEXO等乘用车型亦纷纷量产。上汽也推出了搭载氢燃料电池系统的荣威950参数图片)。

  中国汽车工程学会常务副理事长兼秘书长张进华在2018年就曾表示,国外车企量产车型的主要性能,包括寿命、功率密度、价格等方面,与传统汽车相比都已具备一定的竞争力。

  在商用车领域,丰田正在加码,通用则选择和电动卡车公司Nikola合作推进燃料电池系统在卡车领域的落地。国内的长城、福田、上汽也都在发力。

  “应当正视我国氢能与燃料电池产业和国外先进水平仍存在一定差距。”中国工程院院士、中国矿业大学(北京)教授彭苏萍表示,“卡脖子”技术分布在氢能产业的多个环节,急需打破技术封锁,包括氢气储运技术存在的短板、相关核心设备主要依靠进口等。

  燃料电池技术原本应用于航空航天以及军事等领域,从技术本身来看,相对成熟,不存在太大的难点。

  但正因为被用在不计成本的航天和军用领域,燃料电池技术门槛其实很高,拓展到民用领域,如何削减成本成为关键。

  无论是国内还是国外,制约氢燃料电池汽车发展的核心要素之一就是氢气这一能源本身。

  在用户和政府端,对于燃料电池汽车的认知非常不充分,对于其安全性的质疑很多。同时法规标准也不完善,丰田在日本也遇到困难:在氢燃料电池汽车进入密闭空间如地下停车场时,没有权威第三方可以证明这是没有安全隐患的。

  此前张进华就曾表示,很多官员中仍将氢与不安全划等号,因此进行科学普及至关重要。

  值得庆幸的是,政策正在放开。上汽集团副总裁蓝青松透露,从今年开始上海不再将氢气定义为危化品,而是转为燃料,“将其视作燃料来管理,这便是政策上的巨大变化。”

  不过问题不止这些。作为交通领域的能源,氢能的供给规模和价格不足以支撑大规模商业化推广,氢燃料的加注困难,费用偏贵。

  以最终端的加氢站为例,里面的设备就包括压缩机、加氢机、顺序控制柜、卸气柜等等。上海氢枫能源技术有限公司董事长方沛军表示,“加氢站里面建站很多设备是来自国外的品牌,目前来看(比例)还很难降下来。”

  采购国外设备的成本将被传导到终端的加氢价格,目前来看,氢气的价格对于消费者而言还是太贵。

  一位上汽的氢燃料电池资深工程师告诉HD汽车商业周刊,“或许氢气出厂只要几块钱,但经过脱硫、纯化、加压运输、气站储存,到了加氢站可能还要升压,此外加气站成本可能占到40-50%,综合成本算下来就很贵。”

  近期在安亭的加氢站,HD汽车商业周刊观摩了一次加氢演示,机器屏幕显示,加注0.35千克的氢气共需支付25元人民币,也就是每公斤的氢气加注价格超过70元。

  不过相关人士透露,他们和加氢站签订的协议远没有这么贵,每公斤不到40元。

  但是业界普遍认为,氢气价格达到20-25元才能够让用户有好的体验,现在加氢价格动辄每公斤六七十元,补贴后也在40元上下,相比加油或者充电,汽车加氢的单位价格更贵,因此,短期很难通过纯市场化的行为进行推广。

  再回到氢燃料电池汽车的生产制造环节,从全球视角来讲,氢燃料电池汽车的产业链也难言成熟。

  “丰田、本田和现代,大多都是依靠背后财团,打造一个全封闭系统自己干。”广东泰罗斯汽车动力系统有限公司总经理张锐明对HD汽车商业周刊透露,现在很多催化剂、质子膜等核心材料和零部件掌握在少数企业手中,成本居高不下。

  上海捷氢科技有限公司总经理卢兵兵指出,催化剂、质子交换膜、碳纸等是氢燃料电池电堆领域“卡脖子”的关键技术和零部件。

  以质子交换膜为例,全氟结构的质子交换膜要实现大规模量产的条件严苛。一方面,氟化工材料很特殊,有强腐蚀性、爆炸性,所以要求工业化的稳定的生产平台,而这个需要时间的积累。另一方面,厂商还要和车企一起开展试验评价,“没有试验评价,就没有人敢用你的膜”。

  更令人担忧的是,研发全氟质子交换膜现在还是烧钱阶段。据山东东岳集团首席科学家张永明介绍,“这个膜现在一直在赔钱,年年几千万,一般的公司都不愿意做,愿意负责任的公司才做。”

  国家也发现这些问题。在2020年9月5日的泰达论坛上,财政部经济建设司一级巡视员宋秋玲解释了燃料电池汽车的财政补贴变动,“转型后的示范政策核心目标就是支持企业加快突破关键核心技术,打造自主可控的产业链”。

  现如今,氢能各环节尚未真正打通,燃料电池关键核心技术不在自己手中,这是两个卡住中国企业脖子的关键问题。

  甚至两者之间还存在矛盾,既有燃料电池系统和氢气的价格矛盾——“做氢的觉得电堆贵,做电堆的觉得氢贵”,也有氢燃料电池车和加氢站之间的数量矛盾——“车觉得没(加氢)站,站觉得没车”。

  一百万辆的生死线月,我国已累计推广燃料电池汽车超过7200辆,累计运行里程接近1亿公里,共建成加氢站72座,但这还远远不够。

  不过章桐表示,这方面上汽是个例外。作为中国最早开展燃料电池技术研发的汽车企业,上汽于2001年就启动了凤凰一号燃料电池汽车项目。2006年正式成立燃料电池事业部,从整车集成、系统集成,到如今发力突破电堆技术,公司一直在投入研发,并相继推出燃料电池乘用车荣威750、950和商用车上汽大通FCV80、EUNIQ 7等车型。