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那么,中国当下的燃料电池技术又如何?
从“十五”以来,国家科技计划和产业技术创新工程等项目持续地支持氢燃料电池汽车的研究开发工作,初步形成了从燃料电池电堆、系统和整车的研发体系及制造能力,并开展了示范运行。
然而,与另外两种新能源车相比,燃料电池汽车至今仍处于示范运营阶段。为什么? 汽车商业评论综合对业内专家的采访,基本可以得出这个结论:我国汽车燃料电池的核心技术和国外相比,存在代际的差距,落后国外大概5-10年,最悲观的说法是,落后20年。
同济大学汽车学院教授林瑞表示,中国与国际领先国家最大的差距所在,是电堆的核心材料和零部件还需要进口。此外,建模工程工艺方面与国外相差巨大,比如金属双极板的流道设计,中国还是二维平面,日本已经是三维。
清华大学核能与新能源技术研究院教授王诚告诉汽车商业评论:“我们国内有的做电堆的企业号称很大,但所有的原材料都依赖进口。国内公司主要是在做组装,买来膜和催化剂,再组装。关键技术和原材料都被国外垄断。”
“国际上燃料电池车用电堆体积比功率达到3.0-3.2kW/L,国内企业有报道最高的为2.0kW/L,仅达到国际先进水平的三分之二。”中国工程院院士衣宝廉说,由于功率密度低,导致国内电堆成本高、体积大,也不适于组装乘用车。
膜电极(含质子膜、催化剂、碳纸)和双极板是燃料电池技术壁垒最高的两大部件,特别是膜电极技术是壁垒中的壁垒。
中能源工程集团氢能科技有限公司(简称中氢科技)总经理穆怀萍告诉汽车商业评论:“双极板与国外的技术差距,是及格和优秀的差异,膜电极与国外的差距,是不及格和及格的差异。”(她特意强调:这种说法旨在表明膜电极是氢燃料电池的灵魂,决定着其关键性能和使用寿命。)
当然,此言也并不尽然。留美博士章俊良教授领导的上海交通大学燃料电池研究所,研制出的量产膜电极已经达到日韩同等水平,属于第二代铂合金膜电极技术。
再从燃料电池汽车的设计上说。氢燃料汽车整个系统比传统内燃机还要复杂,相对纯电动车,氢燃料电池汽车束缚了车的造型设计,未来布置智能座舱很可能会受限制,特别是乘用车,对汽车造型的变化无疑是一个不利因素。
欧阳明高曾表示:“氢燃料电池动力系统的总体积(储氢瓶+燃料电池发动机+辅助电池)是会大于纯电动的,对轿车来讲,体积想做到比纯电动还小,目前70兆帕的储氢瓶还不大可能。”
上海捷氢科技有限公司系统开发部总监蔡俊在最近一次演讲中提到,他们对比了纯电动车型和氢燃料电池汽车型在未来的竞争优势,从成本上来说,乘用车续航里程400公里以下,燃料电池相对纯电动是没有优势的,即便400公里以上也没有明显的成本优势。
当然,到了更大级别的客车和货车车型,100公里以上的续航里程,氢燃料电池已经比锂动力电池有优势了,到了30吨甚至更高吨位的卡车车型,氢燃料电池汽车只要续航超过75公里,就具有压倒性的优势。
我们不否认氢燃料电池在某些车型上的优势,只是这种优势也有待在产业化成熟之后才能得到验证。因为氢燃料电池汽车不是孤立发展的,它涉及的上下游产业链比纯电动车更漫长。
正如王诚所说,“氢燃料电池是氢能大产业链中处在中间阶段的小产业链,这个大的产业链是很多短链构成的长链,统筹起来比较难。”
他告诉汽车商业评论,“在氢燃料电池领域,现在,丰田应用的指标是最好的,美国研究的指标是最好的,它们都是氢燃料电池产业的领跑者,中国是商业化最热的一个国家。”
或许是因为日本和美国在氢能和燃料电池领域这几年有了长足的发展,比如固体高分子型燃料电池(PEFC)技术中铂(Pt)催化剂用量的削减,比如太阳能直接制氢的效率与发电的效率相比,从实验室的数据来看已经非常接近,这才导致中国有这新一轮的商业化冲动。
一位不愿具名的燃料电池研究人员表示,燃料电池汽车产业链的上下游都需要重视,需要让社会各界更加了解和关注这项技术,让技术发展和成熟得更快。产业链的每一环都需要做好,尤其需要明白大批量产业化所面临的卡脖子的地方在哪里,只有把最核心的问题解决好,中国燃料电池大批量产业化才有可能成功。
他认为,第二代膜电极中铂含量减少的幅度,放大到全球范围看,远不足以支撑燃料电池产业化的需要。“只有第三代膜电极技术成熟起来,才能支持燃料电池汽车的全面产业化。”
显然,仅仅有商业化冲动,而没有脚踏实地的基础研究,那么最终难免我们的市场会成为别人的嫁衣。
今年春天刚刚在日本参加完2019世界智慧能源周活动(World Smart Energy Week 2019)的一位中国专家告诉汽车商业评论:“日本的氢燃料电池汽车发展没我们想象得那么快,……世界范围内氢燃料电池汽车的发展也没我们想象得那么快。”
他说,日本目前全国有2900辆氢燃料电池乘用车,其中大部分为丰田的MIRAI;有20辆公交车,主要为2020年奥运会使用做预演,届时总共会有100辆氢燃料公交车;有113座加氢站,其中40座为日本能源头号企业岩谷(Iwatani)投资建设,而全世界仅有9000余辆氢燃料电池汽车。
显然,在中国市场被炒得火爆的氢燃料电池汽车,即便在技术已经比较成熟的日本,也基本是一个刚刚走出实验室的角色。
要知道,日本是全世界第一个制定氢能国家战略的国家,2014 年,在安倍晋三首先发起下,日本经济产业省发布了《氢能与燃料电池战略路线图》。但是请注意,这个“三步走”的发展计划,它的目标也不只是近期的,而是一下跨到了2050年,届时的愿景是制氢成本要从2030年设定的每公斤3美元目标进一步降低到2050年的2美元目标,氢能作为可再生能源之后的另外一个选项。
不可否认,氢燃料电池汽车具有加氢快等诸多优点,但燃料电池的输出受限于众多内在因素,输出特性很软,无法应对剧烈的功率需求变化,而且,频繁的功率变化也会让燃料电池的寿命加速衰减。
事实上,燃料电池很难像电池或者发动机那样作为车辆的单一能量源,在实际设计中,一般会与蓄电池或者超级电容组成增程式的电-电混合动力系统,依靠输出更稳定,响应更快的蓄电池来满足高频的动力需求,而让燃料电池尽量平稳输出。
氢燃料电池发动机本身结构复杂,除了电堆,还要燃料电池的氢气/空气供应系统、热管理系统、水管理系统等。而增程式的设计又导致结构进一步复杂。
这也就难怪特斯拉的联合创始人兼首席执行官埃隆·马斯克(Elon Musk)认为氢燃料电池“令人难以置信的愚蠢”,是“傻瓜电池”(Fool Cell,与Fuel Cell 谐音)、“垃圾堆积”,并在多年前的年会上告诉特斯拉股东“成功根本不可能”。
无独有偶,今年4月初,美国燃料电池业界领军人物、生产用于为建筑供电的固定式燃料电池(SOFC)的布鲁姆能源 (Bloom Energy) 公司联合创始人、CEO斯里达尔(K.R. Sridhar),在旧金山明确表示:“我不相信氢燃料电池汽车,把燃料电池用于氢能汽车是不合适的。”
他表示:“在汽车中安装一个燃料电池,无论你走到哪里,你都等于随身携带一座‘化工厂’,而且还要携带所有必需的、特殊的氢燃料。汽车已经过于沉重和效率低下,现在就等于在油箱中再增加一个庞大且复杂的‘化工厂’。”
斯里达尔说:“从各种最新迹象表明,纯电动汽车热潮远远超过了氢能汽车,燃料电池更有意义的事情,是为电动汽车充电站提供动力,而不是为汽车本身直接提供动力。”
上海车展期间多位造车新势力创始人接受汽车商业评论采访时皆不看好氢燃料电池汽车的发展。一位自己也做了氢燃料电池汽车的创始人甚至表示,他们此举不过是为了向投资人证明自己并不落伍,以顺应当下这股狂热的氢燃料电池风潮。
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