衣寶廉：氫燃料電池乘用車商業(yè)化至少還需十年

在中國(guó)，氫能已納入國(guó)家能源戰(zhàn)略，成為優(yōu)化能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)和保障國(guó)家能源供應(yīng)安全的重要選擇。隨著這種被譽(yù)為“人類終極能源”產(chǎn)業(yè)的爆發(fā)，全國(guó)各地對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)的規(guī)劃布局正在提速。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅2019年，江蘇如皋、浙江嘉興、山西大同等地對(duì)氫能的投資預(yù)計(jì)超過(guò)1600億元。根據(jù)中長(zhǎng)期規(guī)劃，到2025年，中國(guó)氫能產(chǎn)值將會(huì)超過(guò)5100億元，最終發(fā)展成萬(wàn)億市場(chǎng)。但火熱背后，氫能產(chǎn)業(yè)究竟何時(shí)才能商業(yè)化，卻無(wú)明確時(shí)間。

11月15日，由蓋世汽車主辦，常熟國(guó)家高新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)指導(dǎo)的2019全球燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)論壇上，中國(guó)工程院院士、中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員衣寶廉提出，氫燃料電池乘用車商業(yè)化至少還需十年。

(中國(guó)工程院院士、中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員衣寶廉)

對(duì)于其中緣由，衣寶廉院士表示，燃料電池成本、能源轉(zhuǎn)化效率等方面是其影響發(fā)展的關(guān)鍵因素。

規(guī)模化降低成本是關(guān)鍵

據(jù)衣寶廉院士表示，目前燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)成本高昂，成為阻礙氫燃料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。據(jù)了解，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)成本是燃油車的一倍，其車輛運(yùn)行費(fèi)用也頗高，1kgH²/100km氫氣成本在70-80元，而燃油費(fèi)用僅為40余元，鋰離子電池平均15°電，成本僅需10-15元。所以，無(wú)法降低燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)成本，談普及就為時(shí)尚早。

目前，氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)由氫燃料電池堆、加濕器、功率調(diào)節(jié)器、空氣壓縮機(jī)、氫氣循環(huán)泵等部件構(gòu)成。其中，電池堆是整個(gè)燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈的核心部分，其性能和成本的演化直接決定了燃料電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

電堆主要由氣體擴(kuò)散層、質(zhì)子交換膜、膜電極、催化劑、雙極板、密封件等幾個(gè)關(guān)鍵部件組成，其中質(zhì)子交換膜和催化劑占燃料電池堆成本的60%以上。影響成本的主要組件即是電堆中的質(zhì)子交換膜、催化劑中鉑的含量、雙極板材料，以及電池系統(tǒng)中的儲(chǔ)氫罐、升壓變頻器、動(dòng)力單元等。

如今，制約氫燃料電池成本大規(guī)模下降的因素主要源自核心技術(shù)尚未突破，產(chǎn)業(yè)鏈完備程度有待提高，加氫站建設(shè)較為落后及市場(chǎng)接受度需提升等多個(gè)方面。曾有專家認(rèn)為，當(dāng)前技術(shù)已足夠滿足氫燃料電池汽車的使用需求，其阻礙氫燃料電池汽車成本下降的關(guān)鍵原因是目前的燃料電池仍處于小規(guī)模生產(chǎn)狀態(tài)，產(chǎn)業(yè)鏈上下游各個(gè)環(huán)節(jié)成本居高不下。

據(jù)美國(guó)能源部此前預(yù)測(cè)，氫燃料電池產(chǎn)能如能擴(kuò)大十倍，整車成本將下降23%，同時(shí)伴隨電堆技術(shù)的突破，成本將再降23%;兩者疊加帶來(lái)的成本下降幅度將超過(guò)45%。

以氫燃料電堆為例，據(jù)歐洲燃料電池與氫能聯(lián)合組織發(fā)布的氫能及氫燃料電池汽車的相關(guān)行業(yè)報(bào)告顯示，2020年，燃料電池系統(tǒng)的年生產(chǎn)量達(dá)到1000套時(shí)，電池堆的成本為111.96美元/kW，在生產(chǎn)量達(dá)10000套時(shí)，電池堆的成本為36.9美元/kW，下降幅度達(dá)67.04%。而在2025年，生產(chǎn)量為50000套時(shí)，電池堆的成本可低至11.53美元/kW。

有不少業(yè)內(nèi)人士表示，氫燃料電池規(guī)?；a(chǎn)，確實(shí)降低成本的首要路徑。但做好規(guī)模化生產(chǎn)，不是一日之功，需要三到五年時(shí)間累積。

氫能利用要提升轉(zhuǎn)化效率

當(dāng)下，影響氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的另一大因素，是氫能的轉(zhuǎn)化效率及經(jīng)濟(jì)效益。眾多周知，氫能并非一次能源，它更像電能屬于二次能源，需轉(zhuǎn)化得來(lái)。這一轉(zhuǎn)化過(guò)程需要消耗能源的同時(shí)，必有能源浪費(fèi)，降低浪費(fèi)量，是氫能發(fā)展的重要前置條件。并且，能源轉(zhuǎn)化需有成本，如果提高經(jīng)濟(jì)效益也是關(guān)鍵。

據(jù)相關(guān)資料顯示，目前通過(guò)電解水制氫的能量轉(zhuǎn)換效率較高，約達(dá)85%。氫在燃料電池中發(fā)電，能量轉(zhuǎn)換效率約50%，由電到氫在到電的整體能量轉(zhuǎn)換總效率或大于40%。曾有智庫(kù)計(jì)算，根據(jù)能量守恒定律，氫燃料電池能量轉(zhuǎn)化效率遠(yuǎn)高于內(nèi)燃機(jī)。以氫氣作為能源載體的燃料電池車能效，較使用傳統(tǒng)燃料的內(nèi)燃機(jī)車能效提升2.5倍。

但現(xiàn)實(shí)果真如此么?

現(xiàn)階段，燃料電池自身消耗的電能、氫氣從電解池低壓狀態(tài)壓縮到適于輸送的高壓狀態(tài)所需電能，運(yùn)輸高壓氫氣到加氫站所消耗的能量，加氫站給運(yùn)營(yíng)車輛充氫所消耗的能量等，都需算做氫能轉(zhuǎn)化效率，此概念因和電動(dòng)汽車全生命周期類似。據(jù)估算，從電解水制氫至車輛使用，所消耗的1度電，最終僅可使用不及0.3度電。

曾有業(yè)內(nèi)人士對(duì)比，如果一度電經(jīng)充電器的AC-DC變換和車上電池的充電—放電，兩環(huán)節(jié)的能量轉(zhuǎn)換效率都在95%左右，送到電動(dòng)汽車電機(jī)上的電能接近0.9度，近三倍的能量轉(zhuǎn)換效率一目了然。如此計(jì)算，氫能轉(zhuǎn)換效率既不高，經(jīng)濟(jì)效率也不樂(lè)觀。

想要提升制氫能轉(zhuǎn)化率，且更具經(jīng)濟(jì)性，可再生能源制氫或是一種有效手段。

隨著可再生能源邊際成本不斷下降，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，水能、生物能、太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源制氫，不管是從對(duì)環(huán)境的保護(hù)還是可持續(xù)性來(lái)看，都具有較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力。尤其隨著因溫室氣體過(guò)度排放造成的全球變暖及日益嚴(yán)重的環(huán)境污染，可再生能源制氫廢物零排放、環(huán)境零污染的優(yōu)越性逐步體現(xiàn)出來(lái)。

如果能充分利用棄水、棄風(fēng)、棄光所產(chǎn)生電能進(jìn)行電解水制氫，則意味著不僅能解決可再生能源消納問(wèn)題，還能實(shí)現(xiàn)綠色制氫。電解水制氫工藝，從20世紀(jì)初發(fā)展至今已有110多年的工業(yè)化歷程，技術(shù)較為成熟。利用兩個(gè)不產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的電極，在無(wú)機(jī)酸或堿金屬氫氧化物的水溶液傳導(dǎo)直流電流，陰極生成氫氣，陽(yáng)極生成氧氣。電解水方法大規(guī)模制氫主要有兩條降成本的途徑，一是降低電解過(guò)程的能耗，二是降低電價(jià)。