顯然，受能源需求日益增長(cháng)、化石燃料大量消耗與二氧化碳排放總量快速上升等因素的影響，氫能儼然成為未來(lái)能源變革的重要組成部分。
統計數據顯示，當前全球氫能發(fā)展勢頭十分強勁。在占全球GDP約52%的27個(gè)國家中，已有16個(gè)國家制定了氫能戰略，其他國家也正在制定中。
作為國家科技應用的排頭兵和經(jīng)濟發(fā)展的晴雨表，汽車(chē)產(chǎn)業(yè)自然成了氫能與燃料電池最廣闊的試驗場(chǎng)。
尤其是隨著(zhù)中國“力爭2030年前實(shí)現碳達峰，2060年前實(shí)現碳中和”目標的提出，更是讓氫能成為汽車(chē)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域最熱門(mén)的話(huà)題之一，也讓人們對于氫能和燃料電池的發(fā)展充滿(mǎn)了期待。
然而，如同多年前初露萌芽的電動(dòng)汽車(chē)一樣，處在剛剛起步階段的氫能和燃料電池產(chǎn)業(yè)，仍面臨著(zhù)諸多技術(shù)、法規、公眾認知度等方面的挑戰和困難。
不過(guò)，存在未知的能源藍海同樣也充滿(mǎn)了先機。在國內，很多行業(yè)機構、企業(yè)學(xué)校和創(chuàng )業(yè)團隊都將目光鎖定在了氫能和燃料電池領(lǐng)域，努力為這一新興產(chǎn)業(yè)“添柴加火”。
氫能也有“冰與火之歌”
長(cháng)期以來(lái)，中國在新能源汽車(chē)領(lǐng)域大力推進(jìn)電動(dòng)化進(jìn)程，其力度之大世界領(lǐng)先。
數據顯示，2020年，中國汽車(chē)市場(chǎng)上純電動(dòng)汽車(chē)保有量超過(guò)400萬(wàn)輛，占新能源汽車(chē)總量的81.32%。
然而，純電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)快速增長(cháng)的同時(shí)，自身的隱憂(yōu)也漸漸浮現。“在現有技術(shù)下，由于車(chē)企對動(dòng)力電池高密度、長(cháng)續航的過(guò)度追求，引發(fā)了一些安全事故。在后市場(chǎng)，動(dòng)力電池也面臨回收形勢嚴峻，回收體系有待搭建的問(wèn)題。”汽車(chē)行業(yè)分析師劉志超如是說(shuō)。
這樣的情況也給氫能與燃料電池的發(fā)展創(chuàng )造了機遇。國際氫能委員會(huì )發(fā)布的《氫能源未來(lái)發(fā)展趨勢調研報告》顯示，到2050年，氫能源需求將是目前的10倍。預計到2030年，全球燃料電池乘用車(chē)年銷(xiāo)量將達到1000萬(wàn)輛至1500萬(wàn)輛。
在同濟大學(xué)汽車(chē)學(xué)院教授余卓平看來(lái)，碳中和目標已形成全球共識，很多國家都確定了明確的時(shí)間節點(diǎn)。氫能在交通領(lǐng)域的發(fā)展正在穩步推進(jìn)，尤其在重型卡車(chē)等領(lǐng)域，燃料電池汽車(chē)將為成為一個(gè)重要的技術(shù)路線(xiàn)被采用。
“與此同時(shí)，各地陸續發(fā)布的‘十四五規劃’更是將氫能發(fā)展置于重要位置，中國氫能產(chǎn)業(yè)雖發(fā)展晚于歐美日韓，但發(fā)展速度迅猛，尤其在產(chǎn)業(yè)鏈布局方面已逐漸趕超西方國家。”余卓平直言。
盡管氫能源與燃料電池發(fā)展的前景光明，但是中國燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)仍面臨核心技術(shù)和關(guān)鍵零部件缺失、企業(yè)創(chuàng )新能力不強、加氫設施建設難等突出問(wèn)題。
“例如碳紙、空壓機、氫氣循環(huán)泵、儲氫系統瓶口閥等關(guān)鍵制氫的材料和部件,中國目前總體上都還依賴(lài)進(jìn)口。”同濟大學(xué)新能源汽車(chē)工程中心副主任、燃料電池復合電源研究所所長(cháng)張存滿(mǎn)直言。
此外，由于在儲運過(guò)程中極易發(fā)生泄漏，安全性和經(jīng)濟性是氫氣的儲存和運輸中不可忽視的問(wèn)題。當前國內企業(yè)采用較多的儲運技術(shù)是高壓儲氫技術(shù)，存在壓力風(fēng)險與充裝風(fēng)險。
“因此，要加快輕質(zhì)、耐壓、高儲氫密度、高安全性的新型儲罐的研發(fā)工作，完善化學(xué)儲氫技術(shù)中相關(guān)儲氫機理，提高各類(lèi)儲氫技術(shù)的效率。” 張存滿(mǎn)建議說(shuō)。
“通常，人們往往片面地將‘新能源汽車(chē)’等同于‘電動(dòng)汽車(chē)’。”劉志超表示，“事實(shí)上，我國新能源汽車(chē)技術(shù)路線(xiàn)應是多元的，如高效內燃機及混合動(dòng)力、清潔替代燃料、純電驅動(dòng)、氫燃料電池等。走出一條符合國情，真正高效、低碳、環(huán)保并且經(jīng)濟的技術(shù)路線(xiàn)，才是發(fā)展的關(guān)鍵。”
中國科學(xué)院院士丁仲禮曾表示，在推進(jìn)“碳中和”進(jìn)程時(shí)，需要在能源結構、能源消費、人為固碳“三端發(fā)力”。他建議國家有關(guān)部門(mén)在確定路線(xiàn)圖時(shí)，留有一段“百家爭鳴”時(shí)期，不要急于“收口”，不要急于強力推進(jìn)。
其中，以甲醇為主要成分的制氫、生產(chǎn)燃料電池的路線(xiàn)，被不少行業(yè)專(zhuān)家學(xué)者認為是我國氫能和燃料電池發(fā)展的另一突破口。
“甲醇來(lái)源廣泛，生產(chǎn)原料主要是煤炭、焦爐氣和天然氣等，甚至二氧化碳也可收集再生甲醇，從而實(shí)現資源的循環(huán)利用。而我國的能源結構特點(diǎn)是‘缺油、少氣、富煤’，巨大的煤炭蘊藏量可以充分保障甲醇的獲取，并且我國開(kāi)采的煤炭中高硫煤占40%以上。”劉志超介紹說(shuō)。
因此，利用可再生能源制氫，與二氧化碳一起制備綠色甲醇提供車(chē)用，是汽車(chē)行業(yè)對實(shí)現“雙碳”目標最有效的途徑之一。
“找到一種不依賴(lài)加氫站的燃料電池技術(shù)”
氫能是一種來(lái)源廣泛、綠色清潔、靈活高效、應用場(chǎng)景豐富的二次能源，被譽(yù)為未來(lái)能源架構的核心。
燃料電池是高效的氫電轉化反應裝置，轉化效率高，可真正實(shí)現綠色環(huán)保。但與此同時(shí)，加氫、用氫的安全一直是行業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的話(huà)題,任何一次加氫站爆炸事故，都必將引發(fā)行業(yè)對于氫安全的擔憂(yōu)。
近年陸續發(fā)生在瑞典和美國的加氫站爆炸事故，讓人們認識到氫氣的威力和動(dòng)能。正因為如此，氫氣基礎設施的安全技術(shù)門(mén)檻及建設要求持續推高。即使國產(chǎn)化設備的快速深入，一座45MPa氫氣加注站的投資成本依然會(huì )超過(guò)1500萬(wàn)-2000萬(wàn)元(不含土地成本)。
面對如此高成本的投資費用，以及漫長(cháng)的投資回報周期，雖然部分地方政府給予相應的財政建設補貼，一些對氫能有興趣的投資方還是望而卻步，這無(wú)疑制約著(zhù)氫能和燃料電池的推廣普及。
是否存在一種不依賴(lài)加氫站的燃料電池技術(shù)?對于這個(gè)問(wèn)題，常州創(chuàng )氫能源科技有限公司創(chuàng )始人李磊博士與聯(lián)合創(chuàng )始人兼總經(jīng)理劉邐從創(chuàng )業(yè)之初就一直思考著(zhù)。
“最終，我們決定不選用高純氫作為燃料，而是選擇更便捷、易得的液態(tài)碳氫類(lèi)液態(tài)溶液，首選甲醇。”李磊介紹說(shuō)，“甲醇來(lái)源豐富且多元化，既可以來(lái)自傳統化工行業(yè)，也可以通過(guò)可再生能源制備獲得。同時(shí)，甲醇是非常理想的儲氫載體，1L甲醇與水反應可以獲得143g氫氣?，F有氫氣儲存技術(shù)，要么壓縮，要么冷凝。即使是冷凝為液氫(72g/L)，也遠低于甲醇產(chǎn)氫量。”
與此同時(shí)，甲醇的高穩定性和安全性也是我們的核心關(guān)注點(diǎn)。“甲醇和乙醇性能非常相似，現在很多火鍋店使用‘酒精塊’即以乙醇為原料。由此可以類(lèi)比，55%甲醇水溶液作為燃料的使用安全性。”劉邐補充。
再者，甲醇重整制氫反應溫度約200-300攝氏度，相對于其他燃料重整制氫路線(xiàn)而言，反應更加快捷與溫和。創(chuàng )氫能源通過(guò)高溫質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)的有效結合，順利實(shí)現氫能的“即制即用”，無(wú)需分離與純化過(guò)程，粗氫直接進(jìn)入高溫電堆，由化學(xué)能直接轉化電能。
更重要的是，甲醇在常溫常壓下是液體，利于儲運。在未來(lái)市場(chǎng)推廣過(guò)程中，無(wú)需另行建設加氫站，而是可以依托于現有加油站進(jìn)行簡(jiǎn)單的改造和升級，將其變?yōu)榧婢呒幼⑵裼秃图状妓芤旱穆?lián)合加注站。
2012年，工信部先后在山西、陜西、上海、甘肅和貴州等5省份10市組織開(kāi)展甲醇汽車(chē)試點(diǎn)運營(yíng)推廣。2019年工信部提出《八部門(mén)關(guān)于在部分地區開(kāi)展甲醇汽車(chē)應用的指導意見(jiàn)》，明確提及甲醇增程式電動(dòng)汽車(chē)、甲醇燃料電池汽車(chē)產(chǎn)品。與之同步，國家及地區推動(dòng)著(zhù)甲醇制、儲、運、加注的產(chǎn)業(yè)鏈持續健全與完善。
“據了解，新建甲醇加注站的成本約100萬(wàn)-300萬(wàn)元(不含土地成本)，而加油站改建為甲醇加注站的成本更低，大概50萬(wàn)-80萬(wàn)元/座。”劉邐介紹說(shuō)，“相較于高安全技術(shù)門(mén)檻及高投入成本的加氫站而言，甲醇加注站的可行性和可推廣性更強。”
“目前行業(yè)內廣泛采用是低溫質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)，其燃料必須是高純氫氣，要求雜質(zhì)如CO等含量極低，甚至5-10ppm以下。”李磊介紹說(shuō)，“我們創(chuàng )氫公司是選擇專(zhuān)注高溫質(zhì)子交換膜燃料電池關(guān)鍵技術(shù)的持續研發(fā)及國產(chǎn)化，其最大優(yōu)勢是抗毒化能力強，CO耐受性可達到10000-20000ppm,因此才能實(shí)現在線(xiàn)制氫技術(shù)的耦合匹配。”
“近幾年，國內有不少企業(yè)進(jìn)行高溫質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)的探索，但受制于關(guān)鍵技術(shù)——高溫質(zhì)子交換膜燃料電池電堆及系統集成控制，更多專(zhuān)注在聯(lián)合國外企業(yè)如Serenergy公司及技術(shù)產(chǎn)品，面向應用端的推廣。這也是高溫甲醇重整燃料電池擁有一定市場(chǎng)認知度，但缺乏市場(chǎng)占有率的根本原因。”劉邐回憶說(shuō)。
這樣的合作方式導致國內企業(yè)無(wú)法接觸真正核心技術(shù)，直到如李磊團隊這樣的“研發(fā)生力軍”出現，這樣“技術(shù)一邊倒”的情況才逐步打破。
據李磊回憶，早在2003年留學(xué)歐洲期間，他就關(guān)注到高溫質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)，對于其核心關(guān)鍵材料如高溫質(zhì)子交換膜等進(jìn)行深入研究與執著(zhù)探索，并帶著(zhù)相關(guān)科研成果回國進(jìn)行持續鉆研。
“回國后，我們在關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)過(guò)程中，遇到很多階段性難題，如關(guān)鍵材料、電堆組裝、系統集成測試等。但非常有幸，我們擁有一群共同愿景的研發(fā)團隊伙伴以及獲得英國拉夫堡大學(xué)的全力技術(shù)支持，這些困難逐步一一攻克。”李磊自豪地說(shuō)道。
談及這些看似輕描淡寫(xiě)的挑戰與困難，李磊笑著(zhù)說(shuō)，“我們很幸運”。事實(shí)上，也正是憑借著(zhù)堅忍不拔的研發(fā)精神和毅力，才讓創(chuàng )氫核心團隊能打破技術(shù)壟斷，掌握核心技術(shù)。
據劉邐介紹，目前，常州創(chuàng )氫能源科技有限公司已經(jīng)掌握包括高溫質(zhì)子交換膜電池電堆、高溫甲醇重整燃料電池系統集成等多項核心關(guān)鍵技術(shù)，成為國內細分領(lǐng)域的領(lǐng)軍企業(yè)之一。
“我們公司自主研發(fā)制造5kW高溫甲醇重整燃料電池發(fā)電模塊，在6月正式落地面向市場(chǎng)推廣，已有幾家意向客戶(hù)正在對接。同時(shí)，創(chuàng )氫能源有幸獲得常州市第15批龍城英才企業(yè)認定。在此，非常感謝當地政府給予我們團隊及項目的充分認可。”劉邐說(shuō)。
按照創(chuàng )氫能源的細分市場(chǎng)規劃，以甲醇為載體的氫燃料電池技術(shù)不僅有望在汽車(chē)領(lǐng)域應用推廣，在包括船舶領(lǐng)域、工程機械、農業(yè)裝備等領(lǐng)域，也將會(huì )有很大的發(fā)展空間。
“氫能和燃料電池未來(lái)發(fā)展前景是毋庸置疑的，國家層面和地方政府的利好政策，也讓我們充滿(mǎn)了干勁。”劉邐說(shuō)，“如今國內發(fā)展氛圍很好，陸續形成集群和規模，這些都將助力整個(gè)氫能及燃料電池行業(yè)駛入‘快車(chē)道’。”
“氫能涉足產(chǎn)業(yè)鏈非常長(cháng)，如同鋰電行業(yè)一樣，擁有不同應用場(chǎng)景且差異化的優(yōu)秀技術(shù)路線(xiàn)，主流包括質(zhì)子交換膜燃料電池(亦分為高溫和低溫路線(xiàn))、固體氧化物燃料電池等踐行者，我們都在持續耕耘。”劉邐表示，無(wú)論是“從0到1”，還是“從1到10”，都需要在漫長(cháng)的科研工作中一步一個(gè)腳印。
李磊和劉邐都相信，隨著(zhù)氫能和燃料電池技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)的氫能將逐步推動(dòng)中國能源消費結構從傳統化石燃料向低碳燃料轉變。展望未來(lái)10年甚至20年，中國將有望進(jìn)入氫能社會(huì )，這將對能源體系、國民經(jīng)濟、個(gè)人與社會(huì )生活產(chǎn)生巨大影響。
