辯氫（三）電堆貴？燃料電池怕中毒？何時(shí)打破技術(shù)壟斷？

崔志廣　莫君媛　顧成奎

編者按：

如今，日本、美國(guó)、歐盟、韓國(guó)等國(guó)相繼公布了氫能及燃料電池汽車發(fā)展戰(zhàn)略，并將氫能作為清潔能源轉(zhuǎn)型和培育經(jīng)濟(jì)新增長(zhǎng)點(diǎn)的重要方向之一。我國(guó)也把發(fā)展氫能作為國(guó)家戰(zhàn)略，但業(yè)界對(duì)氫能開發(fā)和應(yīng)用，特別是如何應(yīng)用在汽車產(chǎn)業(yè)上，還存在不同的觀點(diǎn)。為此，本報(bào)特邀賽迪智庫(kù)專家撰文，以饗讀者。因原文較長(zhǎng)，本報(bào)分三期刊登，現(xiàn)為第三期。

燃料電池（ Fuel Cell）是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。燃料和空氣分別送進(jìn)燃料電池，電就被奇妙地生產(chǎn)出來。它從外表上看有正負(fù)極和電解質(zhì)等，像一個(gè)蓄電池，但實(shí)質(zhì)上它不能“儲(chǔ)電”，而是一個(gè)“發(fā)電廠”。

正方觀點(diǎn)

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)：新型催化劑攻克氫燃料電池容易中毒難題

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授路軍嶺、韋世強(qiáng)、楊金龍等課題組密切合作，研制出一種新型催化劑，攻克了新能源汽車——?dú)淙剂想姵仄囃茝V應(yīng)用的關(guān)鍵難題：解除氫燃料電池一氧化碳“中毒休克”危機(jī)，延長(zhǎng)電池壽命，拓寬電池使用溫度環(huán)境，在寒冬也能正常啟動(dòng)。該研究成果在線發(fā)表在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》上。

新型催化劑——廉價(jià)且具有高活性、高選擇性的一氧化碳優(yōu)先氧化催化劑，既可以提供機(jī)裁燃料電池的全時(shí)保護(hù)，也可以為工廠高純氫氣制備提供有效手段，這可能會(huì)大大加速氫燃料電池汽車時(shí)代的到來。

科技日?qǐng)?bào)：氫燃料電池催化劑實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)

2018年5月，記者從清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院獲悉，燃料電池關(guān)鍵材料催化劑產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)難題，已被清華大學(xué)氫燃料電池實(shí)驗(yàn)室與武漢一家科技公司的聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊(duì)攻克。

目前，該催化劑獲得17項(xiàng)專利，產(chǎn)能達(dá)到每天1200克，可滿足40臺(tái)36kW燃料電池電堆使用，并具備大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)條件。該系列成果徹底打破少數(shù)國(guó)家對(duì)該技術(shù)的長(zhǎng)期壟斷，且價(jià)格僅為同類進(jìn)口產(chǎn)品一半。

王朝云：批量化生產(chǎn)后可以降低成本

燃料電池電堆由多個(gè)單電池、集流板、絕緣板、端板等組成，其中催化劑和雙極板的成本占比較高。

目前我國(guó)電堆生產(chǎn)主要采用手工制作，裸電堆價(jià)格約5000元/kw，電堆系統(tǒng)1.5萬元/kw，批量化生產(chǎn)后裸堆價(jià)格將在800-1000元/kw。

明天氫能董事長(zhǎng)王朝云表示：“目前，實(shí)驗(yàn)室用的上百臺(tái)金屬雙極板屬于試生產(chǎn)產(chǎn)品，生產(chǎn)不連續(xù)、成品率不高、成本很貴。但是從實(shí)驗(yàn)室走向工廠，規(guī)?；a(chǎn)后會(huì)大幅降低成本。購(gòu)買一臺(tái)空氣壓縮機(jī)是18-23萬元，現(xiàn)在做的前10臺(tái)，就控制在3萬元之內(nèi)?！?/p>

反方觀點(diǎn)

楊裕生：催化劑容易中毒

目前燃料電池仍采用“鉑”催化劑，不僅價(jià)格高，而且對(duì)氫以及助燃的空氣要求很高。中國(guó)工程院院士楊裕生舉例說，我國(guó)曾進(jìn)口了兩臺(tái)德國(guó)的氫燃料電池電動(dòng)公交車，原計(jì)劃在北京郊區(qū)行駛兩年，結(jié)果才行駛一年就用壞了6臺(tái)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)。本來計(jì)劃好的實(shí)驗(yàn)才過了一半時(shí)間就草草收?qǐng)觥?/p>

德國(guó)方面將其歸咎于北京的空氣污染太嚴(yán)重，輸入的助燃劑空氣里含有過多的硫化物、一氧化碳、氮化物，造成鉑催化劑中毒，降低了燃料電池的發(fā)電性能。不僅如此，霧霾中含有的固體顆粒和空氣中的灰塵也容易堵塞燃料電池。因此，楊裕生指出，氫燃料電池的研究必須考慮空氣污染的問題。但空氣純化裝置勢(shì)必會(huì)抬高價(jià)格，使原本就復(fù)雜的動(dòng)力系統(tǒng)更加復(fù)雜。

關(guān)鍵材料和技術(shù)與國(guó)際差距明顯

近年來，我國(guó)加大力度鼓勵(lì)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，在電堆技術(shù)和零部件等方面已取得積極進(jìn)展。

但與先進(jìn)水平相比，我國(guó)在核心技術(shù)、關(guān)鍵材料和裝備制造等方面相對(duì)落后。其結(jié)果是，氫能產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)成本較高，商業(yè)化推廣仍十分困難。

電堆中的催化劑、質(zhì)子交換膜、炭紙，以及加氫設(shè)備中的壓縮機(jī)、加氫槍、高壓閥件、碳纖維等關(guān)鍵材料和零部件大多依賴進(jìn)口。

此外，國(guó)產(chǎn)膜電極、雙極板、空壓機(jī)、循環(huán)泵等性能與國(guó)外差距較大，產(chǎn)業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)認(rèn)證體系仍不能滿足發(fā)展需要，大量核心專利掌握在美、日等國(guó)的企業(yè)手中。

氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)化大批量生產(chǎn)需要漫長(zhǎng)的時(shí)間

從國(guó)際上來看，根據(jù)業(yè)內(nèi)的劃分，氫燃料電池動(dòng)力汽車到現(xiàn)在可以分為三個(gè)發(fā)展階段：

第一階段是1990年到2005年，從1990年美國(guó)能源署開始制訂氫能和燃料電池研發(fā)和示范項(xiàng)目開始。

第二階段是2005年到2012年，用了7年時(shí)間解決了燃料電池的工況適應(yīng)性問題，在實(shí)驗(yàn)室層面滿足了車用要求。

第三階段是2012年到現(xiàn)在，以豐田等公司為代表，推出燃料電池商業(yè)化車。

可以看到，從1990年到2019年，氫燃料動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)僅從立項(xiàng)到少量的示范性商業(yè)化汽車落地，就已經(jīng)用了近30年的時(shí)間。

電堆是發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所，也是燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)核心部分，由多個(gè)單體電池以串聯(lián)方式層疊組合構(gòu)成。將雙極板與膜電極交替疊合，各單體之間嵌入密封件，經(jīng)前、后端板壓緊后用螺桿緊固拴牢，即構(gòu)成燃料電池電堆。其中雙極板由金屬板或石墨板或復(fù)合板以及密封材料組成;膜電極由質(zhì)子交換膜、催化劑、氣體擴(kuò)散層組成。

正方觀點(diǎn)

實(shí)現(xiàn)燃料電池全產(chǎn)業(yè)鏈完全自主化

目前，我國(guó)燃料電池用的催化劑、擴(kuò)散層用碳紙、質(zhì)子交換膜等應(yīng)用基礎(chǔ)研究的樣品測(cè)試已達(dá)到國(guó)際水平，但沒有建立生產(chǎn)線不能提供批量產(chǎn)品。

國(guó)家電投已完成氫燃料電池相關(guān)催化劑、擴(kuò)散層、膜電極、系統(tǒng)控制、空壓機(jī)等系統(tǒng)設(shè)備自主研發(fā)，實(shí)現(xiàn)燃料電池全產(chǎn)業(yè)鏈完全自主化。

電堆成本下降空間大

業(yè)內(nèi)曾有一個(gè)普遍說法，中國(guó)誰能率先將燃料電池車做到萬輛級(jí)別，就能將電堆成本降低至現(xiàn)有成本的2.5%左右，誰就能將占領(lǐng)中國(guó)70%的市場(chǎng)。

日本氫能社會(huì)提出，到2025年燃料電池電堆系統(tǒng)成本要從2萬日元/kW降至0.5萬日元/kW（注：10000日元約等于600元人民幣左右）。最大功率密度要從目前的3.0kW/L提高到2030年的6.0kW/L，續(xù)航里程要從2020年650公里提高到2030年800公里。

反方觀點(diǎn)

電堆關(guān)鍵材料依賴進(jìn)口

電堆是燃料電池的電能來源，也是燃料電池中最為關(guān)鍵的部分，成本占比高達(dá)62%。以氫燃料電池為例，國(guó)產(chǎn)燃料電池產(chǎn)品成本高，總體功率密度、系統(tǒng)功率、耐久性還較低，質(zhì)子交換膜、催化劑、膜電極等燃料電池關(guān)鍵材料和高壓比空壓機(jī)、氫氣循環(huán)泵等系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)口依賴度高。

電堆利潤(rùn)高但技術(shù)在國(guó)外

我國(guó)尚未突破關(guān)鍵技術(shù)，氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈利潤(rùn)大都在上游電堆環(huán)節(jié)，核心技術(shù)在國(guó)外。而這些國(guó)家在技術(shù)研發(fā)上投入多年尚未獲得回報(bào)，正面臨成本亟需攤薄困境。

此時(shí)我們大規(guī)模敞開市場(chǎng)，必將導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)錨利潤(rùn)大幅外流，出現(xiàn)“花自己的錢，幫別人開拓市場(chǎng)”的尷尬局面。當(dāng)國(guó)際經(jīng)貿(mào)關(guān)系不佳時(shí)，極易受制于人。因此，終端市場(chǎng)推廣應(yīng)與我自主創(chuàng)新進(jìn)度相匹配。