氫能技術(shù)模式角逐燃料電池產(chǎn)業(yè)化箭在弦上

今年兩會(huì)“推動(dòng)氫設(shè)施建設(shè)”被寫(xiě)入政府工作報(bào)告后，多年來(lái)引而不發(fā)的氫能與燃料電池行業(yè)迎來(lái)了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。

氫能是我國(guó)新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要選項(xiàng)，但客觀而言，行業(yè)目前還處于起步階段，產(chǎn)業(yè)規(guī)模比較小，發(fā)展路徑尚不清晰。作為國(guó)內(nèi)氫能應(yīng)用“先鋒”的汽車(chē)行業(yè)正在上演各種技術(shù)角逐、全行業(yè)奮力發(fā)展的火熱局面。技術(shù)、成本、生態(tài)同時(shí)在考驗(yàn)和校正著這個(gè)擁有前景光明的新興行業(yè)。

大功率 長(zhǎng)壽命 技術(shù)儲(chǔ)備助力產(chǎn)業(yè)化蓄勢(shì)待發(fā)

“氫能燃料電池產(chǎn)業(yè)的核心驅(qū)動(dòng)力是技術(shù)裝備的進(jìn)步和發(fā)展，所有的資金、資本、市場(chǎng)和政策都離不開(kāi)技術(shù)裝備的支撐，產(chǎn)業(yè)的未來(lái)取決于技術(shù)和裝備進(jìn)一步的發(fā)展。”中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)執(zhí)行副會(huì)長(zhǎng)張克林在第四屆中國(guó)國(guó)際氫能與燃料電池技術(shù)應(yīng)用展覽暨產(chǎn)業(yè)發(fā)展大會(huì)上表示。

一年來(lái)，伴隨著行業(yè)的奮力和政策的支持，更富有想象力的氫能燃料電池創(chuàng)新技術(shù)正層出不窮地涌現(xiàn)。

據(jù)中國(guó)電器工業(yè)協(xié)會(huì)燃料電池分會(huì)秘書(shū)長(zhǎng)張亮介紹，電堆方面，新源動(dòng)力股份有限公司開(kāi)發(fā)的燃料電池電堆模塊，采用“膜基催化曾膜電極設(shè)計(jì)”和“復(fù)合雙極板”結(jié)構(gòu)，突破了車(chē)用燃料電池5000小時(shí)的耐久性難關(guān)，成為我國(guó)首例自主研發(fā)超越5000小時(shí)耐久性的燃料電池產(chǎn)品；雙極板方面，上海清能燃料電池技術(shù)有限公司的最新雙極板發(fā)展實(shí)現(xiàn)了0.85毫米的板厚，使燃料電池的功率密度超過(guò)了每升4千瓦，比大多數(shù)石墨板設(shè)計(jì)提高了100%~200%，比大多數(shù)金屬板設(shè)計(jì)提高了20%~40%；膜電極方面，武漢理工新能源公司生產(chǎn)的膜電極，在0.8伏的情況下已經(jīng)超過(guò)了每平方厘米400毫安，同時(shí)最高的功率密度達(dá)到了每平方厘米1.14瓦。

燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)包括五大部分，其中核心部件是電堆，而電堆中最重要兩項(xiàng)技術(shù)是膜電極和雙極板。據(jù)了解，雖然在工業(yè)和信息化部發(fā)布2018年《道路機(jī)動(dòng)車(chē)輛生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品公告》中，燃料電池系統(tǒng)生產(chǎn)企業(yè)已達(dá)到27家，但我國(guó)目前無(wú)法自主生產(chǎn)大功率電堆，在運(yùn)的氫燃料電池汽車(chē)需要鋰離子電池配合，采用的是燃料電池+鋰電池的氫電混合模式。

“為什么國(guó)內(nèi)的氫耗比較高，就是因?yàn)槲覈?guó)燃料電池大功率的電堆比較少，燃料電池額定功率大部分都是30千瓦的燃料電池系統(tǒng)，配一個(gè)大的動(dòng)力電池。國(guó)外的都是較大功率的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)，配上小功率的動(dòng)力電池。全功率性的燃料電池汽車(chē)，沒(méi)有能量‘存-放’的過(guò)程，有助于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。”中國(guó)汽研中心檢測(cè)認(rèn)證事業(yè)部郝冬表示。

就在5月6日至7日召開(kāi)的第四屆中國(guó)國(guó)際氫能與燃料電池技術(shù)應(yīng)用展覽暨產(chǎn)業(yè)發(fā)展大會(huì)上，一家名為江蘇德威新材料股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“德威公司”）的企業(yè)推出大功率、長(zhǎng)壽命的80千瓦電堆。據(jù)了解，這家國(guó)內(nèi)企業(yè)實(shí)際上是收購(gòu)了美國(guó)燃料電池公司USFC而獲得了技術(shù)。使用這家公司燃料電池的大巴車(chē)在美國(guó)平均運(yùn)營(yíng)的小時(shí)數(shù)已經(jīng)超過(guò)了23000小時(shí)，最高達(dá)到29000小時(shí)。

上海德威明興新能源科技有限公司總經(jīng)理杜堯告訴記者，純用氫能燃料電池汽車(chē)要求電堆功率達(dá)到100千瓦以上才能實(shí)現(xiàn)，美國(guó)和日本均有純?nèi)剂想姵仄?chē)，可以完全不靠鋰電運(yùn)行。但按照目前國(guó)內(nèi)的技術(shù)水平，沒(méi)必要追求純?nèi)剂想姵仄?chē)。

杜堯解釋道：“燃料電池是化學(xué)反應(yīng)，要從氫氣變成電，速度較慢，在瞬間爬坡時(shí)功率往往達(dá)不到。不如用80千瓦大功率燃料電池作為主功率電池，搭配30千瓦鋰電池。鋰電池放電速度特別快，爬坡、啟動(dòng)時(shí)可以彌補(bǔ)燃料電池的不足。今年燃料電池技術(shù)除了重視功率和壽命外，還要關(guān)心動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，以在未來(lái)純用燃料電池的時(shí)候能夠滿足需求。”

純綠色 低成本 氫能倫理與經(jīng)濟(jì)性的抉擇

“我們的目標(biāo)就是搞無(wú)碳?xì)?、太?yáng)氫。氫能是二次能源，從水或其他一次能源都能得到氫能，不管怎么使用最后氫又變成水，這是一個(gè)循環(huán)。所以氫從可再生資源制造就是綠色的，符合可持續(xù)發(fā)展，就是符合氫能倫理。”清華大學(xué)教授、國(guó)際氫能協(xié)會(huì)副主席毛宗強(qiáng)在第四屆中國(guó)國(guó)際氫能與燃料電池技術(shù)應(yīng)用展覽暨產(chǎn)業(yè)發(fā)展大會(huì)拋出了“氫能倫理”話題。

毛宗強(qiáng)解釋說(shuō)，“氫能倫理”就是研究開(kāi)發(fā)利用氫能的行為準(zhǔn)則，核心就是可持續(xù)的發(fā)展。“從能源發(fā)展的歷史可以看出，‘碳’越來(lái)越少，‘氫’越來(lái)越多，石油是兩個(gè)‘氫’一個(gè)‘碳’，天然氣是四個(gè)‘氫’一個(gè)‘碳’，將來(lái)如果到了氫時(shí)代，‘氫’將是無(wú)窮的而沒(méi)有‘碳’。所以氫能發(fā)展目的是要實(shí)現(xiàn)無(wú)碳?xì)洹?/p>

實(shí)現(xiàn)無(wú)碳?xì)?，水電解制氫無(wú)疑是優(yōu)選方案。而且目前水電解氫是主流制氫方法之一。業(yè)內(nèi)人士指出，無(wú)論是氫能發(fā)展初期還是中長(zhǎng)期，水電解制氫，兆瓦級(jí)的水電解制氫設(shè)備可以結(jié)合可再生資源儲(chǔ)能，能夠?qū)崿F(xiàn)大體量氫能的需要。

“一個(gè)城市初期的氫大巴車(chē)的投入量在50輛~300輛，50輛大巴車(chē)對(duì)應(yīng)日耗氫量20千克，一座加氫站就完全夠用了。300輛需要6~10座加氫站，每座加氫站是500~1000千克，投資總量并不大，通過(guò)水電解制氫可以較小的一次性投入實(shí)現(xiàn)高純氫的供給。”中電豐業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司副總經(jīng)理王鵬介紹說(shuō)。

但是成本高是當(dāng)前水電解氫產(chǎn)業(yè)化的掣肘。

“氫能是二次能源，在推廣應(yīng)用氫能的時(shí)候，首先必須搞清楚我們的氫源從哪里來(lái)。有人建議從煤制氫，者是把一種污染源轉(zhuǎn)移成另一種污染源，不是當(dāng)初人類(lèi)發(fā)展氫能的初衷。也有人說(shuō)為了達(dá)到終極清潔能源，必須是水電解，可是以當(dāng)前的技術(shù)，水電解成本又高，不能普及使用。”北京中科富海低溫科技有限公司總經(jīng)理高金林認(rèn)為，中國(guó)現(xiàn)階段合理的氫的來(lái)源應(yīng)該是工業(yè)副產(chǎn)氫。

“根據(jù)我國(guó)已投產(chǎn)和在建產(chǎn)能測(cè)算，我國(guó)焦?fàn)t氣每年可以提供325萬(wàn)噸/年的副產(chǎn)氫，氯堿工業(yè)的副產(chǎn)氫每年課提供25.6萬(wàn)噸，丙烷脫氫、乙烷裂解每年可產(chǎn)生副產(chǎn)氫分別為30.5萬(wàn)噸和27.5萬(wàn)噸。我們的副產(chǎn)氫的量遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足規(guī)劃目標(biāo)的百萬(wàn)級(jí)氫能燃料的需求。”高金林說(shuō)。

中國(guó)五環(huán)工程有限公司則基于經(jīng)濟(jì)性等因素考慮了城市垃圾高溫轉(zhuǎn)化綜合制氫解決方案?？偣こ處熛膮潜硎荆?ldquo;目前氫氣的儲(chǔ)運(yùn)是大家都很頭疼的問(wèn)題，因?yàn)殚L(zhǎng)距離基本無(wú)法運(yùn)輸。我們現(xiàn)在有一種技術(shù)叫城市垃圾高溫轉(zhuǎn)化綜合制氫解決方案，這是城市氫能經(jīng)濟(jì)新途徑。”

夏吳分析說(shuō)，城市垃圾高溫轉(zhuǎn)化綜合制氫解決方案轉(zhuǎn)化成氫氣，綜合熱效率要比焚燒技術(shù)高4%左右。高溫轉(zhuǎn)化技術(shù)一個(gè)非常大的優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有廢氣排放，因?yàn)闅怏w都是轉(zhuǎn)化成合成氣產(chǎn)品。比如北京有很多垃圾焚燒廠，如果在周?chē)◣讉€(gè)高溫垃圾轉(zhuǎn)化裝置，就是可以把氫源問(wèn)題解決。一個(gè)城市每天產(chǎn)生400噸垃圾，每天可以產(chǎn)生14.2噸氫氣。