衣宝廉院士:中国氢燃料电池车行业亟待破题
发布时间:2020-07-28 14:16   来源:   作者:  

早在2006 年,我国就将氢能与燃料电池写入了《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020 年)》,此后的《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》、《能源技术革命创新行动计划(2016-2030 年)》等国家级规划都明确了氢能与燃料电池产业的战略性地位。


近几年来,中国氢能源及燃料电池产业持续快速发展,先有中央七部委密集开展氢能产业调研和规划,工信部启动面向2035 年的新能源汽车规划,随后10 省市将发展氢能写入政府工作报告,千亿资本竞相涌入。


作为“21 世纪理想的发电技术”,燃料电池在能源、交通等领域早已凸显出广阔的应用前景。2019 年我国政府工作报告指出要“推动充电、加氢等设施建设”,政策的支持提振了行业发展信心,各地对氢燃料电池的规划布局全面提速, 这一方面使得全球相关人才、资本和技术不断涌入中国,有利于推动氢能和燃料电池产业的发展。


但是,另一方面,城市间的同质化竞争日趋加剧,或将导致该产业出现低端重复性建设问题。对此,中国工程院院士、燃料电池技术专家衣宝廉就国内氢能与氢燃料电池车产业发展接受记者采访时,提出了一系列有针对性的看法和建议。


氢燃料汽车起大早赶晚集?
尚处大规模商业化导入期


资料显示,中国燃料电池研究始于上个世纪五十年代,一些大专院校、科研院所先后分散地进行了燃料电池的探索及基础研究工作,积累了一些与燃料电池相关的基础知识及制造技术。之后为了配合国家航天技术发展计划,研制航天用碱性氢氧燃料电池,中国在上个世纪七十年代掀起了燃料电池的产品研制高潮,并取得了一系列成果。


20 世纪70 年代末,燃料电池研发工作因国家总体计划的变更而中止,一些由地方政府投资与应用部门合作的碱性燃料电池项目产品因种种原因未能投入实际应用,只有少数单位坚持“坐冷板凳”,把研究持续了下来——这其中就包括中国科学院大连化学物理研究所(简称大连化物所)。


上个世纪六十年代末,大连化物所接到为我国“曙光一号”主宇宙飞船研究主能源氢氧燃料电池的任务,毕业后就留在大连化物所工作的衣宝廉承担了航天飞船主电源燃料电池的研究工作,是当时最年轻的课题组负责人。


在朱葆琳先生、袁权院士的引领下,衣宝廉课题组经过艰难攻关,“从无到有”制造出我国第一台自主设计的碱性燃料电池,获得了国防科工委颁发的科技进步奖。

事实上,我国研究氢燃料电池的起步时间并不晚,但由于此后进度较慢,现已与国际领先水平拉开了一定差距。


“所以,有人说我们搞氢燃料电池汽车是起个大早、赶了晚集”,衣宝廉说,“但是我们具备搞航天氢氧燃料电池的基础,燃料电池车早在‘九五’时期就已进入准备阶段,在2001 年科技部制定的‘三纵三横’新能源汽车研发布局中被列为重点,近年来以氢燃料电池车在我国的发展有目共睹”。


他认为,我国现已掌握车用氢燃料电池的核心技术,基本建立了具有自主知识产权的燃料电池动力系统平台。在寿命、可靠性、可使用性方面, 氢燃料电池均基本达到车辆使用要求,具备大规模示范的基础并趋于成熟。


但我国目前投入示范的氢燃料电池车主要是大巴车,离作为乘用车走进寻常百姓家还有较长的一段路要走。“相较国际先进水平,我国氢燃料汽车尚处于大规模商业化的导入阶段,实现盈利还需要5 年左右的时间”,衣宝廉如是说。


成立氢能专项势在必行
补贴是“饵”不是“粮”


从“推动充电、加氢等设施建设”等内容写入《政府工作报告》可以看出,国家对氢能产业的重视已上升到一个新高度。



对于新兴产业而言,国家政策的支持无疑起着至关重要的作用。不过,相比日韩等国,我国目前暂未形成发展氢能的国家战略。


衣宝廉认为,整个氢能系统的发展需要提升到国家战略规划的层面,不仅应针对燃料电池汽车,还应对冶金、燃气轮机发电和取暖等领域, 制定符合氢能应用全场景的合理能源规划。


“我建议国家应当成立氢能重大专项,而不是像现在这样,将氢能包含在电动汽车重大专项中”,衣宝廉说,“我们可以开展各种实验,如尝试用氢气去炼铁、炼钢,大幅提高氢能的使用范围和使用量,让大家对氢能有更深入的认识。国家可以成立一个氢能专项,把氢能的各种用途、氢能的制备运输、氢能的实际应用等都放进去, 要让全国研究能源的人都能意识到氢能的重要性,以此推动我国氢能产业的发展”。


在谈到国家相关补贴扶持政策时,衣宝廉则强调“要提高门槛,不能搞大水漫灌”。对于大部分燃料电池厂商而言,产业扶持政策是一把双刃剑,既可以成为提振信心的强心剂,也有可能使厂商陷入过度依赖。


而对过于倚重政策、行业里存在着“蹭热点、圈资源”等现象,折射出氢燃料电池乃至整个中国能源行业在创新进程中的一个特质——政策“拔苗助长”,而市场则易出现投机。


与推广锂电池的初期一样,国家对氢能和燃料电池行业发展也制定了相应的补贴扶持政策。衣宝廉指出,补贴是用来引导技术革新的“杠杆”, 是“饵”而不是“粮”。“不能装一台车就给一份补贴,要提高补贴门槛,补贴不但要与性能、续航里程、氢消耗量等指标相关,还应与燃料电池车的发动机水平挂钩。”他强调,“一定要避免重蹈锂电池车补贴的覆辙,接受国家补贴的企业必须分阶段、按计划在技术上不断革新”。


此外,针对国内机构在关键材料方面“自己检测自己”的现状,衣宝廉还建议应成立独立、中立的第三方检测机构。


补短板者得天下用

“三弃”有望补齐短板


众所周知,燃料电池汽车的优点是储能量高, 续航里程长,氢燃料电池动力系统更适合长途大型高速重载车辆(重型卡车、物流车、公交车等), 与柴油车性能类似;锂离子电池动力系统更适合在小型汽车在市内短途驾驶,主要替代汽油机。二者在市场领域存在一定程度上的竞争,在能源领域可实现优势互补。


“锂离子纯电动汽车的致命问题在于其安全性,按照目前高达万分之一到十万分之一的起火爆炸几率,它的发展前景不容乐观。在不能保证安全性的情况下,追求续航里程意味着装的电池越多,其危险性也就越大。”衣宝廉进一步指出, “锂电池车只有解决其安全性短板,才能在短程运输领域与燃料电池汽车竞争。不解决安全性, 未来即便不输给燃料电池车,也会输给其他技术路线”。


与此同时,由于技术门槛高、贵金属铂的用量导致燃料电池成本居高不下等原因,燃料电池车的短板还表现为价格太高。



衣宝廉院士


目前,从整车造价来看,一辆燃料电池车的价格是锂离子电池车的1.5 倍到2 倍,是燃油车的3~4 倍。“相较锂电池车的安全性问题,氢能是非常安全的。但用氢能制备燃料电池的成本非常高。如果燃料电池车成本降不下来,将来也很难有市场”,衣宝廉总结道,“这两个技术路线都有短板,谁能率先解决短板,谁就有可能通吃市场”。


发展氢燃料电池汽车,首先要解决氢的来源。当谈到如何降低燃料电池车的制造成本时,衣宝廉认为,可以追溯到整个产业链的起始环节——“制氢”,而谈制氢则要先谈氢气成本。


“目前国内制氢成本和运输加注成本几乎是1:1,煤制氢成本约2 元/ 立方米,到了加氢站就变成了4 元,按照11 立方米约合一公斤计算, 氢气成本约44 元/ 公斤,这样算下来,燃料电池车的燃料成本跟燃油车差不多”, 他介绍道,“目前锂电池车100 公里平均用电约15 度,按0.5 元/ 度的电价计算,百公里只需要7.5 元。照这个成本算,燃料电池车的运营成本会很高,跟燃油车、锂电池汽车相比都没有竞争优势”。


基于上述现状,衣宝廉建议,制氢应该首选弃风、弃光和弃水电量,“‘三弃’电价仅为0.1~0.2 元/ 度,不仅能降低成本,也更符合环保要求。”


他还进一步指出,我国氯碱厂、重化工企业的副产氢产量非常大,但尚未得到充分利用,建议地方政府发展氢能源汽车产业时首先考虑氢源问题,是否符合低成本制氢、运氢的条件。


据统计,2018 年我国氢产量约2200 万吨, 是世界第一产氢大国,我国具有发展氢燃料汽车的先天优势。作为全球用氢大户,包括煤制氢、电解水制氢在内,我国每年仅副产氢量就高达1000 多万吨,加上弃光、弃水电量年可制氢约300 万吨。衣宝廉认为:“这1300 万吨氢足可供燃料电车汽车使用,这也是欧美、日本等国不具备的优势。”


氢燃料电池发展任重道远
全产业链需共同协作配合


衣宝廉还指出,想实现氢燃料汽车的大规模发展,作为核心部件的燃料电池还需跨过三关:一是寿命关,要让燃料电池运行得更久、更稳定, 而这需要加速新材料研发,用抵抗车用苛刻工况得新材料技术减小材料本身的机械性损伤,从而延长电池寿命;二是成本关,车辆在扣除政府补贴后,应与燃油车、锂电池车的成本持平。要实现这一点,必须想办法寻找燃料电池核心部件催化剂——铂的替代品,或者通过技术手段降低其用量;三是技术关,既要在技术研发层面突破核心部件和关键材料的国产化,也要建立关键零部件如电堆、催化剂、膜电极、双极板、密封材料等的批量生产线。我国目前还未形成规模化、批量生产的完整产业链,技术上不去导致成本下不来。


此外,衣宝廉建议效仿锂离子汽车的“十城千辆”示范计划进行燃料电池车的示范推广,他还特别强调:“既没有廉价氢源、又缺乏燃料电池制造产业基础的城市不适用选做示范城。建议国家择优选择一些具有先天优势的城市进行试点,进而带动整个产业的发展。”


事实上,多位业内专家指出,由于冬天车内供暖耗能较高,纯电动车续航里程会显著缩短。而燃料电池本身的余热就能保证供暖,因此,氢燃料电池汽车在北方地区更有优势。而想实现氢燃料电池汽车的低成本、高安全运行,则需要整个产业链共同协作配合。