顯然，受能源需求日益增長、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，氫能儼然成為未來能源變革的重要組成部分。
統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)前全球氫能發(fā)展勢頭十分強勁。在占全球GDP約52%的27個國家中，已有16個國家制定了氫能戰(zhàn)略，其他國家也正在制定中。
作為國家科技應(yīng)用的排頭兵和經(jīng)濟發(fā)展的晴雨表，汽車產(chǎn)業(yè)自然成了氫能與燃料電池最廣闊的試驗場。
尤其是隨著中國“力爭2030年前實現(xiàn)碳達峰，2060年前實現(xiàn)碳中和”目標的提出，更是讓氫能成為汽車產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域最熱門的話題之一，也讓人們對于氫能和燃料電池的發(fā)展充滿了期待。
然而，如同多年前初露萌芽的電動汽車一樣，處在剛剛起步階段的氫能和燃料電池產(chǎn)業(yè)，仍面臨著諸多技術(shù)、法規(guī)、公眾認知度等方面的挑戰(zhàn)和困難。
不過，存在未知的能源藍海同樣也充滿了先機。在國內(nèi)，很多行業(yè)機構(gòu)、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”
長期以來，中國在新能源汽車領(lǐng)域大力推進電動化進程，其力度之大世界領(lǐng)先。
數(shù)據(jù)顯示，2020年，中國汽車市場上純電動汽車保有量超過400萬輛，占新能源汽車總量的81.32%。
然而，純電動汽車產(chǎn)銷快速增長的同時，自身的隱憂也漸漸浮現(xiàn)。“在現(xiàn)有技術(shù)下，由于車企對動力電池高密度、長續(xù)航的過度追求，引發(fā)了一些安全事故。在后市場，動力電池也面臨回收形勢嚴峻，回收體系有待搭建的問題。”汽車行業(yè)分析師劉志超如是說。
這樣的情況也給氫能與燃料電池的發(fā)展創(chuàng)造了機遇。國際氫能委員會發(fā)布的《氫能源未來發(fā)展趨勢調(diào)研報告》顯示，到2050年，氫能源需求將是目前的10倍。預(yù)計到2030年，全球燃料電池乘用車年銷量將達到1000萬輛至1500萬輛。
在同濟大學(xué)汽車學(xué)院教授余卓平看來，碳中和目標已形成全球共識，很多國家都確定了明確的時間節(jié)點。氫能在交通領(lǐng)域的發(fā)展正在穩(wěn)步推進，尤其在重型卡車等領(lǐng)域，燃料電池汽車將為成為一個重要的技術(shù)路線被采用。
“與此同時，各地陸續(xù)發(fā)布的‘十四五規(guī)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(shè)施建設(shè)難等突出問題。
“例如碳紙、空壓機、氫氣循環(huán)泵、儲氫系統(tǒng)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進口。”同濟大學(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，由于在儲運過程中極易發(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題。當(dāng)前國內(nèi)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，提高各類儲氫技術(shù)的效率。” 張存滿建議說。
“通常，人們往往片面地將‘新能源汽車’等同于‘電動汽車’。”劉志超表示，“事實上，我國新能源汽車技術(shù)路線應(yīng)是多元的，如高效內(nèi)燃機及混合動力、清潔替代燃料、純電驅(qū)動、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，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“碳中和”進程時，需要在能源結(jié)構(gòu)、能源消費、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，留有一段“百家爭鳴”時期，不要急于“收口”，不要急于強力推進。
其中，以甲醇為主要成分的制氫、生產(chǎn)燃料電池的路線，被不少行業(yè)專家學(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，從而實現(xiàn)資源的循環(huán)利用。而我國的能源結(jié)構(gòu)特點是‘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，并且我國開采的煤炭中高硫煤占40%以上。”劉志超介紹說。
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用，是汽車行業(yè)對實現(xiàn)“雙碳”目標最有效的途徑之一。
“找到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，被譽為未來能源架構(gòu)的核心。
燃料電池是高效的氫電轉(zhuǎn)化反應(yīng)裝置，轉(zhuǎn)化效率高，可真正實現(xiàn)綠色環(huán)保。但與此同時，加氫、用氫的安全一直是行業(yè)重點關(guān)注的話題,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(dān)憂。
近年陸續(xù)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能。正因為如此，氫氣基礎(chǔ)設(shè)施的安全技術(shù)門檻及建設(shè)要求持續(xù)推高。即使國產(chǎn)化設(shè)備的快速深入，一座45MPa氫氣加注站的投資成本依然會超過1500萬-2000萬元(不含土地成本)。
面對如此高成本的投資費用，以及漫長的投資回報周期，雖然部分地方政府給予相應(yīng)的財政建設(shè)補貼，一些對氫能有興趣的投資方還是望而卻步，這無疑制約著氫能和燃料電池的推廣普及。
是否存在一種不依賴加氫站的燃料電池技術(shù)?對于這個問題，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。
“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)碳氫類液態(tài)溶液，首選甲醇。”李磊介紹說，“甲醇來源豐富且多元化，既可以來自傳統(tǒng)化工行業(yè)，也可以通過可再生能源制備獲得。同時，甲醇是非常理想的儲氫載體，1L甲醇與水反應(yīng)可以獲得143g氫氣。現(xiàn)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，甲醇的高穩(wěn)定性和安全性也是我們的核心關(guān)注點。“甲醇和乙醇性能非常相似，現(xiàn)在很多火鍋店使用‘酒精塊’即以乙醇為原料。由此可以類比，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(yīng)溫度約200-300攝氏度，相對于其他燃料重整制氫路線而言，反應(yīng)更加快捷與溫和。創(chuàng)氫能源通過高溫質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)的有效結(jié)合，順利實現(xiàn)氫能的“即制即用”，無需分離與純化過程，粗氫直接進入高溫電堆，由化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化電能。
更重要的是，甲醇在常溫常壓下是液體，利于儲運。在未來市場推廣過程中，無需另行建設(shè)加氫站，而是可以依托于現(xiàn)有加油站進行簡單的改造和升級，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市組織開展甲醇汽車試點運營推廣。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汽車、甲醇燃料電池汽車產(chǎn)品。與之同步，國家及地區(qū)推動著甲醇制、儲、運、加注的產(chǎn)業(yè)鏈持續(xù)健全與完善。
“據(jù)了解，新建甲醇加注站的成本約100萬-300萬元(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50萬-80萬元/座。”劉邐介紹說，“相較于高安全技術(shù)門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(nèi)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，“我們創(chuàng)氫公司是選擇專注高溫質(zhì)子交換膜燃料電池關(guān)鍵技術(shù)的持續(xù)研發(fā)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,因此才能實現(xiàn)在線制氫技術(shù)的耦合匹配。”
“近幾年，國內(nèi)有不少企業(yè)進行高溫質(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(tǒng)集成控制，更多專注在聯(lián)合國外企業(yè)如Serenergy公司及技術(shù)產(chǎn)品，面向應(yīng)用端的推廣。這也是高溫甲醇重整燃料電池擁有一定市場認知度，但缺乏市場占有率的根本原因。”劉邐回憶說。
這樣的合作方式導(dǎo)致國內(nèi)企業(yè)無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(xiàn)，這樣“技術(shù)一邊倒”的情況才逐步打破。
據(jù)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)子交換膜等進行深入研究與執(zhí)著探索，并帶著相關(guān)科研成果回國進行持續(xù)鉆研。
“回國后，我們在關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)過程中，遇到很多階段性難題，如關(guān)鍵材料、電堆組裝、系統(tǒng)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。”李磊自豪地說道。
談及這些看似輕描淡寫的挑戰(zhàn)與困難，李磊笑著說，“我們很幸運”。事實上，也正是憑借著堅忍不拔的研發(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(jù)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(tǒng)集成等多項核心關(guān)鍵技術(shù)，成為國內(nèi)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推廣，已有幾家意向客戶正在對接。同時，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(dāng)?shù)卣o予我們團隊及項目的充分認可。”劉邐說。
按照創(chuàng)氫能源的細分市場規(guī)劃，以甲醇為載體的氫燃料電池技術(shù)不僅有望在汽車領(lǐng)域應(yīng)用推廣，在包括船舶領(lǐng)域、工程機械、農(nóng)業(yè)裝備等領(lǐng)域，也將會有很大的發(fā)展空間。
“氫能和燃料電池未來發(fā)展前景是毋庸置疑的，國家層面和地方政府的利好政策，也讓我們充滿了干勁。”劉邐說，“如今國內(nèi)發(fā)展氛圍很好，陸續(xù)形成集群和規(guī)模，這些都將助力整個氫能及燃料電池行業(yè)駛?cè)?lsquo;快車道’。”
“氫能涉足產(chǎn)業(yè)鏈非常長，如同鋰電行業(yè)一樣，擁有不同應(yīng)用場景且差異化的優(yōu)秀技術(shù)路線，主流包括質(zhì)子交換膜燃料電池(亦分為高溫和低溫路線)、固體氧化物燃料電池等踐行者，我們都在持續(xù)耕耘。”劉邐表示，無論是“從0到1”，還是“從1到10”，都需要在漫長的科研工作中一步一個腳印。
李磊和劉邐都相信，隨著氫能和燃料電池技術(shù)的發(fā)展，未來的氫能將逐步推動中國能源消費結(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，中國將有望進入氫能社會，這將對能源體系、國民經(jīng)濟、個人與社會生活產(chǎn)生巨大影響。
