辯氫（三）電堆貴？燃料電池怕中毒？何時打破技術(shù)壟斷？

崔志廣　莫君媛　顧成奎

編者按：

如今，日本、美國、歐盟、韓國等國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)濟新增長點的重要方向之一。我國也把發(fā)展氫能作為國家戰(zhàn)略，但業(yè)界對氫能開發(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。為此，本報特邀賽迪智庫專家撰文，以饗讀者。因原文較長，本報分三期刊登，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燃料電池，電就被奇妙地生產(chǎn)出來。它從外表上看有正負極和電解質(zhì)等，像一個蓄電池，但實質(zhì)上它不能“儲電”，而是一個“發(fā)電廠”。

正方觀點

中國科學(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

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授路軍嶺、韋世強、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——氫燃料電池汽車推廣應(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，延長電池壽命，拓寬電池使用溫度環(huán)境，在寒冬也能正常啟動。該研究成果在線發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》上。

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

科技日報：氫燃料電池催化劑實現(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)氫燃料電池實驗室與武漢一家科技公司的聯(lián)合研發(fā)團隊攻克。

目前，該催化劑獲得17項專利，產(chǎn)能達到每天1200克，可滿足40臺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)國家對該技術(shù)的長期壟斷，且價格僅為同類進口產(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。

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

明天氫能董事長王朝云表示：“目前，實驗室用的上百臺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。但是從實驗室走向工廠，規(guī)模化生產(chǎn)后會大幅降低成本。購買一臺空氣壓縮機是18-23萬元，現(xiàn)在做的前10臺，就控制在3萬元之內(nèi)。”

反方觀點

楊裕生：催化劑容易中毒

目前燃料電池仍采用“鉑”催化劑，不僅價格高，而且對氫以及助燃的空氣要求很高。中國工程院院士楊裕生舉例說，我國曾進口了兩臺德國的氫燃料電池電動公交車，原計劃在北京郊區(qū)行駛兩年，結(jié)果才行駛一年就用壞了6臺燃料電池發(fā)動機。本來計劃好的實驗才過了一半時間就草草收場。

德國方面將其歸咎于北京的空氣污染太嚴重，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。但空氣純化裝置勢必會抬高價格，使原本就復(fù)雜的動力系統(tǒng)更加復(fù)雜。

關(guān)鍵材料和技術(shù)與國際差距明顯

近年來，我國加大力度鼓勵氫能產(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展。

但與先進水平相比，我國在核心技術(shù)、關(guān)鍵材料和裝備制造等方面相對落后。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、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口。

此外，國產(chǎn)膜電極、雙極板、空壓機、循環(huán)泵等性能與國外差距較大，產(chǎn)業(yè)技術(shù)標準和檢測認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)需要漫長的時間

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

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

第二階段是2005年到2012年，用了7年時間解決了燃料電池的工況適應(yīng)性問題，在實驗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，氫燃料動力電池產(chǎn)業(yè)僅從立項到少量的示范性商業(yè)化汽車落地，就已經(jīng)用了近30年的時間。

電堆是發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的場所，也是燃料電池動力系統(tǒng)核心部分，由多個單體電池以串聯(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、氣體擴散層組成。

正方觀點

實現(xiàn)燃料電池全產(chǎn)業(yè)鏈完全自主化

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

國家電投已完成氫燃料電池相關(guān)催化劑、擴散層、膜電極、系統(tǒng)控制、空壓機等系統(tǒng)設(shè)備自主研發(fā)，實現(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)曾有一個普遍說法，中國誰能率先將燃料電池車做到萬輛級別，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70%的市場。

日本氫能社會提出，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

電堆關(guān)鍵材料依賴進口

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62%。以氫燃料電池為例，國產(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、氫氣循環(huán)泵等系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備進口依賴度高。

電堆利潤高但技術(shù)在國外

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

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