解析我国氢燃料电池行业高速发展下的桎梏

摘要：氢燃料电池是以氢气为主要燃料通过化学反应产生电能的一种装置，具有零污染、燃料来源广泛、能量转化率高等特性，这也使其成为新能源行业里的标杆性技术，代表着未来新能源的发展方向，更被誉为水力发电、火力发电、核电之后的“第四代发电系统”。我国对于燃料电池的研发起步较晚但后劲十足，近年来呈现了蓬勃之势，然而在行业的高速发展下也遇到了阻碍其前行的桎梏。

近年来我国新能源汽车及动力电池行业市场规模不断扩大，众多企业也似乎嗅到了产业风向，除了大力布局传统新能源汽车外也纷纷加码氢燃料电池行业，从2001年开始，我国氢燃料电池相关企业数量开始大幅度增加，近两年增长率达到75%，氢燃料电池相关行业已经进入了一个高速发展期。
      除了企业方面的投入，国家层面也高度重视氢燃料电池的发展，近几年，国家在颁布的各类关于“新能源汽车”的相关政策中，反复强调燃料电池汽车是一个重要探索方向。在《中国制造2025》中对燃料电池汽车的发展提出三个阶段：第一是在关键材料零部件方面逐步实现国产化，第二是燃料电池和电堆整车性能逐步提升，第三是要实现燃料电池汽车的运行规模进一步扩大，到2025年，制氢、加氢等配套基础设施基本完善。中国汽车工程学会发布的《节能与新能源汽车技术路线图》中则明确提出，我国在2020年实现5000辆级燃料电池汽车应用，在2025年实现5万辆级的应用。国家层面政策的出台，也为燃料电池行业注入一针“强心剂”，也成为产业发展方向的“指南针”。在政策的春风和资金的涌入下，我国燃料电池及其所应用的汽车领域都得到前所未有的发展。就如任何一个新兴行业一样，在高速发展的某一阶段必然会遇到一个阻碍其前进的“拦路虎”。对于我国燃料电池产业而言而言，技术瓶颈、商业化滞后、产业链缺失等都成为行业发展的桎梏。
       桎梏一：我国燃料电池关键技术较为落后与国外差距较大
目前，新能源汽车主要集中于锂电池电动汽车和燃料汽车，在锂电池电动汽车领域我国将要做到“弯道超车”，而在燃料电池汽车领域里却还是个慢行者，现阶段我国燃料电池汽车只在小范围内推广，且无法做到大规模量产，同时在性能方面与国外燃料电池汽车的排头企业相比也存在一定差距。以已经量产的丰田Mirai乘用车为例，其最大功率可达114kW，续航里程达502km，系统体积功率密度达到1400W/L，质量功率密度850kW/kg。而国产燃料电池乘用车以荣威950为例，功率只有55kW左右，续航里程400km，系统体积功率密度只有400W/L，质量功率密度仅为250kW/kg。而性能差异如此之大的主要原因还是关键技术的落后。
      我国在燃料电池电堆关键材料如催化剂、质子交换膜、双极板、炭纸等方面已经有所布局，但还处于小规模量产甚至是实验室阶段，产品的一致性和可靠性尚无法保障，关键材料还是主要依赖进口。在燃料电池系统配件方面，如空气供应系统里的空气压缩机、膨胀机及储氢瓶等关键部件也已经小规模量产，但性能远远达不到预期。
      我国近年来加大了对燃料电池及其核心部件的研发力度，但与国外相比在产品性能上的差距还十分明显。目前我国燃料电池电堆功率密度最高可达2kW/L、输出功率在60kW，国际先进水平电堆功率密度达到了3kW/L左右，输出功率达到110kW；燃料电池催化剂方面国内每千瓦的铂用量大概0.3克，国际水平已经达到0.06克以下，大大降低了燃料电池的成本；在膜电极耐久性方面国内动态工况实测寿命大概在3000小时左右，国外已经达到了9000小时。燃料电池配套系统方面，空气供给系统中的重要部件空气压缩机主要依赖进口；储氢系统方向我国已经可以独立研发生产35MPa储氢瓶，而国外已经逐步应用70MPa储氢瓶及储氢系统，技术优势远远高于我国。针对这些技术痛点问题，我国企业和科研团队应加强自主研发能力，打破国外关键技术的垄断，实现核心零部件国产化，推动我国燃料电池行业的良性发展。
      桎梏二：国内燃料电池产业链不完备 流程化能力不足
一个新兴产业的发展，不光有技术上的突破，更要有上下游产业链的全面完善，对于氢燃料电池更是如此。从上游产业的氢气制取、储存、运输，下游产业链的加氢站建设和电池设备的后期维护，无论哪一环节的缺失都会对产业发展造成抑制作用。
      从制氢角度来讲，目前国内氢气供应主要是采用化石燃料制氢的方法，仍然离不开对化石燃料的依赖，制造过程中会排出二氧化碳等温室气体，导致燃料电池环保价值降低，这也与发展燃料电池的初衷相悖。而如何利用可再生能源，诸如风电制氢、光伏制氢达到无污染零排放的目的，也成为我国氢产业首先要攻克的难题。
      从氢燃料存储运输角度来讲，氢气是一种易燃易爆的气体，其爆炸极限是4%到74%，也就说在氢气浓度4%时即可产生强烈爆炸，处于一个及其危险的区域内。除此之外，在氢气的储存中还有一个特别危险的现象“氢脆”，可以认为是氢气对钢材的一种腐蚀，导致表面出现裂纹甚至断裂，这也对氢燃料的存储和运输提出了更高的要求。以目前的技术来看在保证安全性和便捷性的同时也就相应的提高了运输储存成本，以储运液态氢气为例，液态拖车单次运输10t/d的规模，不考虑过路费的情况下，200km的运氢价格为12.25元/kg，在100t/d的运输规模下,200km的运氢价格为8.57元/kg，这也远远高于燃油的运输成本。从加氢设备角度来看，截至2018年2月，国内已建成并正在运营的加氢站仅有12座，另有在建的加氢站19座。而对于我国庞大的新能源汽车市场来讲，这些加氢站只是九牛一毛。如果加氢站的建设速度无法跟上燃料电池汽车的发展速度，那将会发生有车却无处可加氢气的尴尬局面。
      针对目前我国加氢站建设情况中国工程院院士干勇认为，我国加氢站虽然建设规模较小，但相应的痛点问题已经暴露了出来，国产加氢站尚无法达到3-5分钟快速加氢的国际标准，同时压缩机、加氢机及储氢罐等关键设备选型追求廉价，企业以短期盈利为主要目的，无法满足长期连续可靠运营要求。此外，有关加氢站的规划、设计施工、验收、关键设备选型等方面都缺乏行业规范，这些都是发展燃料电池汽车必须要攻克的难题。只有加强燃料电池上下游产业的全面建设，实现全产业链协同发展，企业不以短期盈利为主要目的，才能实现燃料电池行业长远发展的目标。
      结语
      针对目前我国燃料电池行业现状，打破发展的桎梏急需两点：一是加强关键技术的研发，弥补与国外企业的技术差距，实现技术到生产力的转化；二是实现燃料电池全产业链的布局，从上游产氢储氢、中游燃料电池的推广应用到下游加氢终端设备的建设全面实现流程化，促进我国氢燃料电池行业的良性发展。