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“截至目前，超過(guò)三分之一的央企制定了制氫、儲(chǔ)氫、加氫、用氫等全產(chǎn)業(yè)鏈布局，并實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)技術(shù)研發(fā)和示范應(yīng)用。”在2021年上半年央企經(jīng)濟(jì)運(yùn)行新聞發(fā)布會(huì)上，國(guó)務(wù)院國(guó)資委秘書(shū)長(zhǎng)、新聞發(fā)言人彭華崗分享的數(shù)據(jù)引起了人們的關(guān)注。
顯然，受能源需求增加、化石燃料大量消耗、二氧化碳排放總量快速增加等因素影響，氫能已成為未來(lái)能源轉(zhuǎn)型的重要組成部分。
統(tǒng)計(jì)顯示，當(dāng)前全球氫能發(fā)展勢(shì)頭十分強(qiáng)勁。在占全球GDP約52%的27個(gè)國(guó)家中，有16個(gè)國(guó)家制定了氫能戰(zhàn)略，其他國(guó)家也在制定中。
作為國(guó)家科技應(yīng)用的先行者和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的晴雨表，汽車(chē)工業(yè)自然成為氫能和燃料電池最廣泛的試驗(yàn)場(chǎng)。
尤其是隨著中國(guó)“力爭(zhēng)2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和”的目標(biāo)，使氫能成為汽車(chē)行業(yè)最熱門(mén)的話(huà)題之一，也讓人們對(duì)氫能和碳中和產(chǎn)生了思考，燃料電池的發(fā)展充滿(mǎn)期待。
然而，正如多年前萌芽的電動(dòng)汽車(chē)一樣，尚處于起步階段的氫能源和燃料電池產(chǎn)業(yè)在技術(shù)、法規(guī)和公眾意識(shí)等方面仍面臨諸多挑戰(zhàn)和困難。
不過(guò)，未知能源藍(lán)海的存在，也充滿(mǎn)了機(jī)遇。在國(guó)內(nèi)，不少行業(yè)組織、企業(yè)學(xué)校、創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)紛紛將目光投向氫能源和燃料電池領(lǐng)域，力爭(zhēng)為這個(gè)新興產(chǎn)業(yè)“添柴”。
氫也有《冰與火之歌》
長(zhǎng)期以來(lái)，中國(guó)在新能源汽車(chē)領(lǐng)域大力推進(jìn)電動(dòng)化進(jìn)程，實(shí)力領(lǐng)先世界。
數(shù)據(jù)顯示，2020年中國(guó)汽車(chē)市場(chǎng)純電動(dòng)汽車(chē)保有量將超過(guò)400萬(wàn)輛，占新能源汽車(chē)保有量的81.32%。
然而，在純電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量快速增長(zhǎng)的同時(shí)，其自身的隱憂(yōu)也逐漸顯現(xiàn)。“在現(xiàn)有技術(shù)下，由于車(chē)企過(guò)度追求高密度、長(zhǎng)壽命的動(dòng)力電池，引發(fā)了一些安全事故。在售后市場(chǎng)，動(dòng)力電池也面臨著嚴(yán)峻的回收形勢(shì)，回收體系已經(jīng)尚未建立。”汽車(chē)行業(yè)分析師劉志超說(shuō)。
這種情況也為氫能和燃料電池的發(fā)展創(chuàng)造了機(jī)遇，國(guó)際氫能委員會(huì)發(fā)布的《氫能源未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)調(diào)研報(bào)告》顯示，到2050年，對(duì)氫能的需求將是目前的10倍。預(yù)計(jì)到2030年，全球燃料電池乘用車(chē)年銷(xiāo)量將達(dá)到1000萬(wàn)輛至1500萬(wàn)輛。
據(jù)同濟(jì)大學(xué)汽車(chē)學(xué)院教授余卓平介紹，碳中和的目標(biāo)已經(jīng)形成全球共識(shí)，很多國(guó)家都設(shè)定了明確的時(shí)間點(diǎn)，氫能在交通領(lǐng)域的發(fā)展正在穩(wěn)步推進(jìn)，特別是在重卡等領(lǐng)域，燃料電池汽車(chē)將成為重要的技術(shù)路線。
“同時(shí)，各地出臺(tái)的‘十四五’規(guī)劃將氫能的發(fā)展擺在重要位置，雖然我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展比歐美日韓晚，發(fā)展很快，特別是在產(chǎn)業(yè)鏈布局上，逐漸趕上西方國(guó)家。”余卓平直言。
盡管氫能和燃料電池發(fā)展前景廣闊，但我國(guó)燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)仍面臨核心技術(shù)和關(guān)鍵零部件缺乏、企業(yè)創(chuàng)新能力不足、加氫設(shè)施建設(shè)難等突出問(wèn)題。
“例如碳紙、空壓機(jī)、氫氣循環(huán)泵、儲(chǔ)氫系統(tǒng)瓶口閥門(mén)等關(guān)鍵制氫材料和零部件，中國(guó)目前仍依賴(lài)進(jìn)口。”同濟(jì)大學(xué)新能源汽車(chē)工程中心副主任、燃料電池復(fù)合電源研究所所長(zhǎng)張存滿(mǎn)直言。
此外，由于儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中極易發(fā)生泄漏，安全性和經(jīng)濟(jì)性是氫氣儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中不可忽視的問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)企業(yè)采用的儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)為高壓儲(chǔ)氫技術(shù)，存在壓力風(fēng)險(xiǎn)和充填風(fēng)險(xiǎn)。
“因此，要加快研發(fā)重量輕、耐壓、儲(chǔ)氫密度高、安全性高的新型儲(chǔ)罐，完善化學(xué)儲(chǔ)氫技術(shù)中的相關(guān)儲(chǔ)氫機(jī)理，提高各種儲(chǔ)氫效率、儲(chǔ)氫技術(shù)。”張存滿(mǎn)建議說(shuō)。
“通常，人們傾向于片面地將‘新能源汽車(chē)’等同于‘電動(dòng)汽車(chē)’。”劉志超說(shuō)，“其實(shí)，我國(guó)的新能源汽車(chē)技術(shù)路線應(yīng)該是多元化的，比如高效內(nèi)燃機(jī)和混合動(dòng)力、清潔替代燃料、純電驅(qū)動(dòng)、氫燃料電池等，發(fā)展的關(guān)鍵是開(kāi)發(fā)一條符合國(guó)情、真正高效、低碳、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的技術(shù)路線。”
中科院院士丁仲禮曾表示，推進(jìn)“碳中和”進(jìn)程，要在能源結(jié)構(gòu)、能源消耗、人為固碳三端“發(fā)力”。他建議，國(guó)家有關(guān)部門(mén)在確定路線圖時(shí)，要留出“百家爭(zhēng)鳴”的時(shí)期，不要急于“收口”或大力推進(jìn)。
其中，以甲醇為主要成分的制氫和燃料電池生產(chǎn)路線被眾多行業(yè)專(zhuān)家學(xué)者認(rèn)為是我國(guó)氫能和燃料電池發(fā)展的又一突破。
“甲醇來(lái)源廣泛，生產(chǎn)的主要原料是煤、焦?fàn)t煤氣和天然氣，甚至可以收集二氧化碳再生甲醇，實(shí)現(xiàn)資源循環(huán)利用。我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是'油荒、氣荒、煤富'，巨大的煤炭?jī)?chǔ)量完全可以保證甲醇的收購(gòu)，高硫煤占我國(guó)開(kāi)采煤炭的40%以上，”劉志超說(shuō)。
因此，利用可再生能源制氫，結(jié)合二氧化碳生產(chǎn)車(chē)用綠色甲醇，是汽車(chē)行業(yè)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)最有效的途徑之一。
“尋找一種不依賴(lài)加氫站的燃料電池技術(shù)”
氫能是一種來(lái)源廣泛、綠色清潔、靈活高效、應(yīng)用場(chǎng)景豐富的二次能源，它被稱(chēng)為未來(lái)能源架構(gòu)的核心。
燃料電池是一種高效的氫電轉(zhuǎn)化反應(yīng)裝置，轉(zhuǎn)化效率高，真正做到綠色環(huán)保，但與此同時(shí)，加氫的安全性和氫氣的使用一直是業(yè)界關(guān)注的話(huà)題，加氫站的任何爆炸都將不可避免地引發(fā)行業(yè)對(duì)氫安全的擔(dān)憂(yōu)。
近年來(lái)，瑞典和美國(guó)的加氫站爆炸事故接連發(fā)生，讓人們意識(shí)到氫氣的威力和動(dòng)能，正因?yàn)槿绱耍瑲浠A(chǔ)設(shè)施的安全技術(shù)門(mén)檻和建設(shè)要求不斷推高，即使國(guó)產(chǎn)化設(shè)備快速發(fā)展，一座45MPa加氫站的投資成本仍將超過(guò)1500-2000萬(wàn)（不包括土地成本）。
面對(duì)如此高昂的投資成本和漫長(zhǎng)的投資回報(bào)期，雖然部分地方政府提供了相應(yīng)的財(cái)政建設(shè)補(bǔ)貼，但部分對(duì)氫能感興趣的投資者仍望而卻步，這無(wú)疑制約了氫能和燃料電池的普及推廣。
有沒(méi)有不依賴(lài)加氫站的燃料電池技術(shù)？對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，常州創(chuàng)氫能源科技有限公司創(chuàng)始人李磊博士和聯(lián)合創(chuàng)始人兼總經(jīng)理劉邐從創(chuàng)業(yè)之初就一直在思考。
“最終，我們決定不使用高純度氫氣作為燃料，而是選擇更方便、易得的液態(tài)碳?xì)漕?lèi)液態(tài)溶液，而甲醇是首選。”李磊說(shuō)，“甲醇來(lái)源豐富多樣，可以來(lái)自傳統(tǒng)化工，也可以來(lái)自可再生能源，同時(shí)，甲醇是一種非常理想的儲(chǔ)氫載體，1L甲醇可以與水反應(yīng)得到143g氫氣，現(xiàn)有的儲(chǔ)氫技術(shù)要么壓縮，要么冷凝，即使冷凝成液態(tài)氫（72g/L），也遠(yuǎn)低于甲醇制氫。”
同時(shí)，甲醇的高穩(wěn)定性和安全性也是我們的核心關(guān)注點(diǎn)。“甲醇和乙醇的性能非常相似，現(xiàn)在很多火鍋店都使用‘酒精塊’，以乙醇為原料，這堪比使用55%的甲醇水溶液作為燃料的安全性。” 劉
此外，甲醇重整制氫的反應(yīng)溫度約為200-300攝氏度，與其他燃料重整制氫路線相比，反應(yīng)速度更快，反應(yīng)更溫和。通過(guò)高溫質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)的有效結(jié)合，創(chuàng)氫能源成功實(shí)現(xiàn)了氫能“即制即用”，無(wú)需分離純化，粗氫直接進(jìn)入高溫電堆，化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。
更重要的是，甲醇在常溫常壓下為液體，有利于儲(chǔ)存和運(yùn)輸。在未來(lái)的市場(chǎng)推廣過(guò)程中，無(wú)需建設(shè)加氫站，只需對(duì)現(xiàn)有加油站進(jìn)行簡(jiǎn)單改造升級(jí)，即可將其變成汽、柴油、甲醇水溶液的聯(lián)合加注站。
2012年，工信部先后在山西、陜西、上海、甘肅、貴州等5省10市組織開(kāi)展甲醇汽車(chē)試點(diǎn)推廣工作，2019年，工信部提出《八部門(mén)關(guān)于在部分地區(qū)開(kāi)展甲醇汽車(chē)應(yīng)用的指導(dǎo)意見(jiàn)》，明確提及甲醇增程式電動(dòng)汽車(chē)和甲醇燃料電池汽車(chē)產(chǎn)品，同時(shí)，各國(guó)和地區(qū)推動(dòng)甲醇生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、加注等產(chǎn)業(yè)鏈的不斷健全和完善。
“據(jù)了解，新建一個(gè)甲醇加注站的成本約為100萬(wàn)元至300萬(wàn)元（不含土地成本），而將一個(gè)加氣站改造成甲醇加注站的成本較低，約為50萬(wàn)元至80萬(wàn)元/座。” 劉邐表示，“與安全技術(shù)門(mén)檻高、投入成本高的加氫站相比，甲醇加注站更具可行性和普及性。”
“目前，低溫質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用，燃料必須是高純度氫氣，CO等雜質(zhì)含量要求極低，甚至低于5-10ppm。”李磊表示，“我們創(chuàng)氫公司是不二之選，專(zhuān)注于高溫質(zhì)子交換膜燃料電池關(guān)鍵技術(shù)的持續(xù)研發(fā)和國(guó)產(chǎn)化，最大的優(yōu)勢(shì)是抗毒化能力強(qiáng)，耐CO可達(dá)10000- 20000 ppm，因此可以實(shí)現(xiàn)在線制氫技術(shù)的耦合匹配。”
“近年來(lái)，國(guó)內(nèi)很多企業(yè)都在探索高溫質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)，但由于關(guān)鍵技術(shù)——高溫質(zhì)子交換膜燃料電池電堆和系統(tǒng)集成控制，他們更多地關(guān)注聯(lián)合國(guó)外企如“Serenergy等公司，公司及其技術(shù)產(chǎn)品都面向應(yīng)用端推廣，這也是高溫甲醇重整燃料電池有一定市場(chǎng)知名度但市場(chǎng)份額不足的根本原因。” 劉
這種合作讓國(guó)內(nèi)企業(yè)無(wú)法接觸到真正的核心技術(shù)，直到李磊團(tuán)隊(duì)等“研發(fā)力量”的出現(xiàn)，“技術(shù)一邊倒”的局面才逐漸被打破。
據(jù)李磊回憶，早在2003年留學(xué)歐洲時(shí)，他就關(guān)注高溫質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)，對(duì)其高溫質(zhì)子等核心關(guān)鍵材料進(jìn)行深入研究和執(zhí)著探索，并帶著相關(guān)科研成果回國(guó)繼續(xù)學(xué)習(xí)。
“回國(guó)后，我們?cè)陉P(guān)鍵技術(shù)研發(fā)過(guò)程中遇到了很多階段性問(wèn)題，比如關(guān)鍵材料、堆疊組裝、系統(tǒng)集成測(cè)試等。但是，我們很幸運(yùn)有一批研發(fā)團(tuán)隊(duì)合作伙伴一個(gè)共同的愿景和英國(guó)拉夫堡大學(xué)的全力技術(shù)支持下，這些困難正在逐漸被一一克服。”李磊得意地說(shuō)道。
談到這些看似輕描淡寫(xiě)的挑戰(zhàn)和困難，李磊笑著說(shuō)：“我們很幸運(yùn)。”事實(shí)上，正是有了恒心和毅力，創(chuàng)氫核心團(tuán)隊(duì)才能打破技術(shù)壟斷，掌握核心技術(shù)。
據(jù)劉邐介紹，常州創(chuàng)氫能源科技有限公司掌握了包括高溫質(zhì)子交換膜電池組、高溫甲醇重整燃料電池系統(tǒng)集成等多項(xiàng)核心關(guān)鍵技術(shù)，成為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的氫能技術(shù)企業(yè)之一。
“我司自主研發(fā)制造的5kW高溫甲醇重整燃料電池發(fā)電模塊，6月正式上市進(jìn)行市場(chǎng)推廣，多家感興趣的客戶(hù)已經(jīng)對(duì)接。同時(shí)，創(chuàng)氫能有幸中標(biāo)常州第十五批龍城英才企業(yè)確認(rèn)。在此，非常感謝當(dāng)?shù)卣畬?duì)我們團(tuán)隊(duì)和項(xiàng)目的充分認(rèn)可。” 劉
根據(jù)創(chuàng)氫能源的市場(chǎng)細(xì)分方案，以甲醇為載體的氫燃料電池技術(shù)不僅有望在汽車(chē)領(lǐng)域得到應(yīng)用和推廣，在造船、工程機(jī)械和農(nóng)業(yè)設(shè)備等領(lǐng)域也有很大的發(fā)展空間。
“氫能和燃料電池的未來(lái)發(fā)展前景不容置疑，國(guó)家和地方政府的利好政策也讓我們充滿(mǎn)了熱情。” 劉邐說(shuō)：“現(xiàn)在國(guó)內(nèi)發(fā)展氛圍很好，集群和規(guī)模正在逐步形成，兩者都將幫助整個(gè)氫能和燃料電池行業(yè)進(jìn)入‘快車(chē)道’。”
“氫的產(chǎn)業(yè)鏈很長(zhǎng)，和鋰電池行業(yè)一樣，有著不同的應(yīng)用場(chǎng)景和差異化的優(yōu)秀技術(shù)路線，主流包括質(zhì)子交換膜燃料電池（也分為高溫和低溫路線）、固體氧化物燃料電池和其他做法，我們正在繼續(xù)努力。” 劉邐說(shuō)，無(wú)論是“從0到1”還是“從1到10”，都需要在長(zhǎng)期的科研工作中循序漸進(jìn)。
李磊和劉邐都認(rèn)為，隨著氫能和燃料電池技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)氫能將逐步推動(dòng)我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)從傳統(tǒng)化石燃料向低碳燃料轉(zhuǎn)變，展望未來(lái)10年甚至20年，中國(guó)有望進(jìn)入氫能社會(huì)，這將對(duì)能源系統(tǒng)、國(guó)民經(jīng)濟(jì)、個(gè)人和社會(huì)生活產(chǎn)生巨大影響。
