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“截至目前，超過三分之一的央企制定了制氫、儲氫、加氫、用氫等全產(chǎn)業(yè)鏈布局，并實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)技術(shù)研發(fā)和示范應(yīng)用。”在2021年上半年央企經(jīng)濟(jì)運(yùn)行新聞發(fā)布會(huì)上，國務(wù)院國資委秘書長、新聞發(fā)言人彭華崗分享的數(shù)據(jù)引起了人們的關(guān)注。
顯然，受能源需求增加、化石燃料大量消耗、二氧化碳排放總量快速增加等因素影響，氫能已成為未來能源轉(zhuǎn)型的重要組成部分。
統(tǒng)計(jì)顯示，當(dāng)前全球氫能發(fā)展勢頭十分強(qiáng)勁。在占全球GDP約52%的27個(gè)國家中，有16個(gè)國家制定了氫能戰(zhàn)略，其他國家也在制定中。
作為國家科技應(yīng)用的先行者和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的晴雨表，汽車工業(yè)自然成為氫能和燃料電池最廣泛的試驗(yàn)場。
尤其是隨著中國“力爭2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和”的目標(biāo)，使氫能成為汽車行業(yè)最熱門的話題之一，也讓人們對氫能和碳中和產(chǎn)生了思考，燃料電池的發(fā)展充滿期待。
然而，正如多年前萌芽的電動(dòng)汽車一樣，尚處于起步階段的氫能源和燃料電池產(chǎn)業(yè)在技術(shù)、法規(guī)和公眾意識等方面仍面臨諸多挑戰(zhàn)和困難。
不過，未知能源藍(lán)海的存在，也充滿了機(jī)遇。在國內(nèi)，不少行業(yè)組織、企業(yè)學(xué)校、創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)紛紛將目光投向氫能源和燃料電池領(lǐng)域，力爭為這個(gè)新興產(chǎn)業(yè)“添柴”。
氫也有《冰與火之歌》
長期以來，中國在新能源汽車領(lǐng)域大力推進(jìn)電動(dòng)化進(jìn)程，實(shí)力領(lǐng)先世界。
數(shù)據(jù)顯示，2020年中國汽車市場純電動(dòng)汽車保有量將超過400萬輛，占新能源汽車保有量的81.32%。
然而，在純電動(dòng)汽車產(chǎn)銷量快速增長的同時(shí)，其自身的隱憂也逐漸顯現(xiàn)。“在現(xiàn)有技術(shù)下，由于車企過度追求高密度、長壽命的動(dòng)力電池，引發(fā)了一些安全事故。在售后市場，動(dòng)力電池也面臨著嚴(yán)峻的回收形勢，回收體系已經(jīng)尚未建立。”汽車行業(yè)分析師劉志超說。
這種情況也為氫能和燃料電池的發(fā)展創(chuàng)造了機(jī)遇，國際氫能委員會(huì)發(fā)布的《氫能源未來發(fā)展趨勢調(diào)研報(bào)告》顯示，到2050年，對氫能的需求將是目前的10倍。預(yù)計(jì)到2030年，全球燃料電池乘用車年銷量將達(dá)到1000萬輛至1500萬輛。
據(jù)同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院教授余卓平介紹，碳中和的目標(biāo)已經(jīng)形成全球共識，很多國家都設(shè)定了明確的時(shí)間點(diǎn)，氫能在交通領(lǐng)域的發(fā)展正在穩(wěn)步推進(jìn)，特別是在重卡等領(lǐng)域，燃料電池汽車將成為重要的技術(shù)路線。
“同時(shí)，各地出臺的‘十四五’規(guī)劃將氫能的發(fā)展擺在重要位置，雖然我國氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展比歐美日韓晚，發(fā)展很快，特別是在產(chǎn)業(yè)鏈布局上，逐漸趕上西方國家?！庇嘧科街毖浴?/span>
盡管氫能和燃料電池發(fā)展前景廣闊，但我國燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)仍面臨核心技術(shù)和關(guān)鍵零部件缺乏、企業(yè)創(chuàng)新能力不足、加氫設(shè)施建設(shè)難等突出問題。
“例如碳紙、空壓機(jī)、氫氣循環(huán)泵、儲氫系統(tǒng)瓶口閥門等關(guān)鍵制氫材料和零部件，中國目前仍依賴進(jìn)口?！蓖瑵?jì)大學(xué)新能源汽車工程中心副主任、燃料電池復(fù)合電源研究所所長張存滿直言。
此外，由于儲運(yùn)過程中極易發(fā)生泄漏，安全性和經(jīng)濟(jì)性是氫氣儲運(yùn)過程中不可忽視的問題。目前國內(nèi)企業(yè)采用的儲運(yùn)技術(shù)為高壓儲氫技術(shù)，存在壓力風(fēng)險(xiǎn)和充填風(fēng)險(xiǎn)。
“因此，要加快研發(fā)重量輕、耐壓、儲氫密度高、安全性高的新型儲罐，完善化學(xué)儲氫技術(shù)中的相關(guān)儲氫機(jī)理，提高各種儲氫效率、儲氫技術(shù)?！睆埓鏉M建議說。
“通常，人們傾向于片面地將‘新能源汽車’等同于‘電動(dòng)汽車’?！眲⒅境f，“其實(shí)，我國的新能源汽車技術(shù)路線應(yīng)該是多元化的，比如高效內(nèi)燃機(jī)和混合動(dòng)力、清潔替代燃料、純電驅(qū)動(dòng)、氫燃料電池等，發(fā)展的關(guān)鍵是開發(fā)一條符合國情、真正高效、低碳、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的技術(shù)路線?！?/span>
中科院院士丁仲禮曾表示，推進(jìn)“碳中和”進(jìn)程，要在能源結(jié)構(gòu)、能源消耗、人為固碳三端“發(fā)力”。他建議，國家有關(guān)部門在確定路線圖時(shí)，要留出“百家爭鳴”的時(shí)期，不要急于“收口”或大力推進(jìn)。
其中，以甲醇為主要成分的制氫和燃料電池生產(chǎn)路線被眾多行業(yè)專家學(xué)者認(rèn)為是我國氫能和燃料電池發(fā)展的又一突破。
“甲醇來源廣泛，生產(chǎn)的主要原料是煤、焦?fàn)t煤氣和天然氣，甚至可以收集二氧化碳再生甲醇，實(shí)現(xiàn)資源循環(huán)利用。我國能源結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是'油荒、氣荒、煤富'，巨大的煤炭儲量完全可以保證甲醇的收購，高硫煤占我國開采煤炭的40%以上，”劉志超說。
因此，利用可再生能源制氫，結(jié)合二氧化碳生產(chǎn)車用綠色甲醇，是汽車行業(yè)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)最有效的途徑之一。
“尋找一種不依賴加氫站的燃料電池技術(shù)”
氫能是一種來源廣泛、綠色清潔、靈活高效、應(yīng)用場景豐富的二次能源，它被稱為未來能源架構(gòu)的核心。
燃料電池是一種高效的氫電轉(zhuǎn)化反應(yīng)裝置，轉(zhuǎn)化效率高，真正做到綠色環(huán)保，但與此同時(shí)，加氫的安全性和氫氣的使用一直是業(yè)界關(guān)注的話題，加氫站的任何爆炸都將不可避免地引發(fā)行業(yè)對氫安全的擔(dān)憂。
近年來，瑞典和美國的加氫站爆炸事故接連發(fā)生，讓人們意識到氫氣的威力和動(dòng)能，正因?yàn)槿绱?，氫基礎(chǔ)設(shè)施的安全技術(shù)門檻和建設(shè)要求不斷推高，即使國產(chǎn)化設(shè)備快速發(fā)展，一座45MPa加氫站的投資成本仍將超過1500-2000萬（不包括土地成本）。
面對如此高昂的投資成本和漫長的投資回報(bào)期，雖然部分地方政府提供了相應(yīng)的財(cái)政建設(shè)補(bǔ)貼，但部分對氫能感興趣的投資者仍望而卻步，這無疑制約了氫能和燃料電池的普及推廣。
有沒有不依賴加氫站的燃料電池技術(shù)？對于這個(gè)問題，常州創(chuàng)氫能源科技有限公司創(chuàng)始人李磊博士和聯(lián)合創(chuàng)始人兼總經(jīng)理劉邐從創(chuàng)業(yè)之初就一直在思考。
“最終，我們決定不使用高純度氫氣作為燃料，而是選擇更方便、易得的液態(tài)碳?xì)漕愐簯B(tài)溶液，而甲醇是首選?！崩罾谡f，“甲醇來源豐富多樣，可以來自傳統(tǒng)化工，也可以來自可再生能源，同時(shí)，甲醇是一種非常理想的儲氫載體，1L甲醇可以與水反應(yīng)得到143g氫氣，現(xiàn)有的儲氫技術(shù)要么壓縮，要么冷凝，即使冷凝成液態(tài)氫（72g/L），也遠(yuǎn)低于甲醇制氫。”
同時(shí)，甲醇的高穩(wěn)定性和安全性也是我們的核心關(guān)注點(diǎn)?！凹状己鸵掖嫉男阅芊浅Ｏ嗨疲F(xiàn)在很多火鍋店都使用‘酒精塊’，以乙醇為原料，這堪比使用55%的甲醇水溶液作為燃料的安全性。” 劉
此外，甲醇重整制氫的反應(yīng)溫度約為200-300攝氏度，與其他燃料重整制氫路線相比，反應(yīng)速度更快，反應(yīng)更溫和。通過高溫質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)的有效結(jié)合，創(chuàng)氫能源成功實(shí)現(xiàn)了氫能“即制即用”，無需分離純化，粗氫直接進(jìn)入高溫電堆，化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。
更重要的是，甲醇在常溫常壓下為液體，有利于儲存和運(yùn)輸。在未來的市場推廣過程中，無需建設(shè)加氫站，只需對現(xiàn)有加油站進(jìn)行簡單改造升級，即可將其變成汽、柴油、甲醇水溶液的聯(lián)合加注站。
2012年，工信部先后在山西、陜西、上海、甘肅、貴州等5省10市組織開展甲醇汽車試點(diǎn)推廣工作，2019年，工信部提出《八部門關(guān)于在部分地區(qū)開展甲醇汽車應(yīng)用的指導(dǎo)意見》，明確提及甲醇增程式電動(dòng)汽車和甲醇燃料電池汽車產(chǎn)品，同時(shí)，各國和地區(qū)推動(dòng)甲醇生產(chǎn)、儲存、運(yùn)輸、加注等產(chǎn)業(yè)鏈的不斷健全和完善。
“據(jù)了解，新建一個(gè)甲醇加注站的成本約為100萬元至300萬元（不含土地成本），而將一個(gè)加氣站改造成甲醇加注站的成本較低，約為50萬元至80萬元/座?！?劉邐表示，“與安全技術(shù)門檻高、投入成本高的加氫站相比，甲醇加注站更具可行性和普及性?！?/span>
“目前，低溫質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用，燃料必須是高純度氫氣，CO等雜質(zhì)含量要求極低，甚至低于5-10ppm。”李磊表示，“我們創(chuàng)氫公司是不二之選，專注于高溫質(zhì)子交換膜燃料電池關(guān)鍵技術(shù)的持續(xù)研發(fā)和國產(chǎn)化，最大的優(yōu)勢是抗毒化能力強(qiáng)，耐CO可達(dá)10000- 20000 ppm，因此可以實(shí)現(xiàn)在線制氫技術(shù)的耦合匹配?！?/span>
“近年來，國內(nèi)很多企業(yè)都在探索高溫質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)，但由于關(guān)鍵技術(shù)——高溫質(zhì)子交換膜燃料電池電堆和系統(tǒng)集成控制，他們更多地關(guān)注聯(lián)合國外企如“Serenergy等公司，公司及其技術(shù)產(chǎn)品都面向應(yīng)用端推廣，這也是高溫甲醇重整燃料電池有一定市場知名度但市場份額不足的根本原因?！?劉
這種合作讓國內(nèi)企業(yè)無法接觸到真正的核心技術(shù)，直到李磊團(tuán)隊(duì)等“研發(fā)力量”的出現(xiàn)，“技術(shù)一邊倒”的局面才逐漸被打破。
據(jù)李磊回憶，早在2003年留學(xué)歐洲時(shí)，他就關(guān)注高溫質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)，對其高溫質(zhì)子等核心關(guān)鍵材料進(jìn)行深入研究和執(zhí)著探索，并帶著相關(guān)科研成果回國繼續(xù)學(xué)習(xí)。
“回國后，我們在關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)過程中遇到了很多階段性問題，比如關(guān)鍵材料、堆疊組裝、系統(tǒng)集成測試等。但是，我們很幸運(yùn)有一批研發(fā)團(tuán)隊(duì)合作伙伴一個(gè)共同的愿景和英國拉夫堡大學(xué)的全力技術(shù)支持下，這些困難正在逐漸被一一克服?！崩罾诘靡獾卣f道。
談到這些看似輕描淡寫的挑戰(zhàn)和困難，李磊笑著說：“我們很幸運(yùn)?！笔聦?shí)上，正是有了恒心和毅力，創(chuàng)氫核心團(tuán)隊(duì)才能打破技術(shù)壟斷，掌握核心技術(shù)。
據(jù)劉邐介紹，常州創(chuàng)氫能源科技有限公司掌握了包括高溫質(zhì)子交換膜電池組、高溫甲醇重整燃料電池系統(tǒng)集成等多項(xiàng)核心關(guān)鍵技術(shù)，成為國內(nèi)領(lǐng)先的氫能技術(shù)企業(yè)之一。
“我司自主研發(fā)制造的5kW高溫甲醇重整燃料電池發(fā)電模塊，6月正式上市進(jìn)行市場推廣，多家感興趣的客戶已經(jīng)對接。同時(shí)，創(chuàng)氫能有幸中標(biāo)常州第十五批龍城英才企業(yè)確認(rèn)。在此，非常感謝當(dāng)?shù)卣畬ξ覀儓F(tuán)隊(duì)和項(xiàng)目的充分認(rèn)可。” 劉
根據(jù)創(chuàng)氫能源的市場細(xì)分方案，以甲醇為載體的氫燃料電池技術(shù)不僅有望在汽車領(lǐng)域得到應(yīng)用和推廣，在造船、工程機(jī)械和農(nóng)業(yè)設(shè)備等領(lǐng)域也有很大的發(fā)展空間。
“氫能和燃料電池的未來發(fā)展前景不容置疑，國家和地方政府的利好政策也讓我們充滿了熱情?！?劉邐說：“現(xiàn)在國內(nèi)發(fā)展氛圍很好，集群和規(guī)模正在逐步形成，兩者都將幫助整個(gè)氫能和燃料電池行業(yè)進(jìn)入‘快車道’?！?/span>
“氫的產(chǎn)業(yè)鏈很長，和鋰電池行業(yè)一樣，有著不同的應(yīng)用場景和差異化的優(yōu)秀技術(shù)路線，主流包括質(zhì)子交換膜燃料電池（也分為高溫和低溫路線）、固體氧化物燃料電池和其他做法，我們正在繼續(xù)努力?！?劉邐說，無論是“從0到1”還是“從1到10”，都需要在長期的科研工作中循序漸進(jìn)。
李磊和劉邐都認(rèn)為，隨著氫能和燃料電池技術(shù)的發(fā)展，未來氫能將逐步推動(dòng)我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)從傳統(tǒng)化石燃料向低碳燃料轉(zhuǎn)變，展望未來10年甚至20年，中國有望進(jìn)入氫能社會(huì)，這將對能源系統(tǒng)、國民經(jīng)濟(jì)、個(gè)人和社會(huì)生活產(chǎn)生巨大影響。
