钜大LARGE | 点击量：518次 | 2019年04月15日
中国氢燃料电池能否上演锂电池走过的逆袭之路
导语：被誉为“清洁能源之首”的氢燃料电池，从“国外的月亮比较圆”，到酝酿开启下一个“十城千辆”计划，一片欣欣向荣背后实则暗潮汹涌。在产业链残缺不齐，关键材料处处掣肘的背景下，中国氢燃料电池能否上演锂电池走过的逆袭之路？
当锂电池作为车载储能电池逐渐发展成为中国的主流动力电池路线时，其它技术路线也在开启商业化探索，氢燃料电池无疑是其中呼声最高的一种。
前不久，苏州擎动科技有限公司（简称“擎动科技”）举行了国内首套“卷对卷直接涂布法”膜电极生产线投产仪式，有媒体宣称这是中国燃料电池在上游核心制备技术突破国外壁垒的开端。
“这意味着燃料电池汽车的国产化清除了一个重要障碍。”擎动科技创始人兼CEO朱威博士在接受媒体采访时表示，使用“卷对卷直接涂布法”实现膜电极量产后，预计可直接降低国产燃料电池在膜电极上一半的生产成本。
据了解，该条产线全面达产后可年产膜电极100万片，可满足3000多辆燃料电池汽车的需求，预计产值可达3亿元以上。
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然而，擎动科技在膜电极制备技术上的突破，短时间内还难以改变国产燃料电池总体成本居高不下的现实。相对于生产成本而言，占比超过90%以上的材料成本才是中国燃料电池产业卡脖子的关键环节。
残缺的产业链条
当前，国内氢能界不得不面对的一个尴尬局面是，国外的燃料电池车已实现量产，但国内的车用燃料电池还处在技术验证阶段。
就中国燃料电池技术本身而言，电堆、关键材料、关键零部件以及动力系统集成等关键技术，都亟待取得突破，实现国产化和量产化。
“质子交换膜和低铂催化剂是燃料电池组件中最具挑战性的核心部分。” 广东省燃料电池技术重点实验室主任廖世军告诉新材料在线?，材料在整个燃料电池中的成本占比超过90%，因此只有大幅度降低关键材料的成本，方可让燃料电池具备大规模应用的可能。
一般来说，单节燃料电池的电压偏低、电流偏大，在实际应用中需要由多节燃料电池串联形成电堆，以提升输出电压。
氢燃料电池的动力来源是氢气和氧气，两者会在燃料电池中开始它们的“奇幻”旅程：氢在阳极催化作用下氧化，生成质子和电子；电子经外电路做功，到达阴极；而质子通过质子交换膜从电池内部传输到阴极，质子与电子在阴极汇合并在催化作用下氧反应生成水。
看起来似乎只是初中化学知识。但实际上，燃料电池的运作，却是一个系统性的工程。
我国的车用燃料电池的现状是——零部件和原材料生产商尚未成长起来，极少量商业运行的燃料电池车（都是商用车）维持着表面上的存在感。
“与日本和西方国家相比，中国的燃料电池产业基础相当薄弱，还没有形成完整的体系。”中科院大连化物所燃料电池研究部部长邵志刚表示，2014年年底，日本丰田公司宣布实现燃料电池车的商业化；而在国内，一切尚处于起步阶段。
特别是在气体扩散层量产技术方面，我国还是空白。“这是因为气体扩散层的石墨化工序需要经过2000℃以上的高温才能制备，但关键设备高温炉技术还掌握在国外手中。” 邵志刚解释。
除此之外，氢气压缩机寿命短，技术被国外企业垄断；高压储氢罐价格昂贵，阀体等关键部件依赖进口；加氢站的建设后期维护成本居高不下，直接导致氢气终端使用成本难以达到市场预期。
这些核心环节没有打通，加上缺乏批量化的生产线，没有形成完整的产业链，氢燃料电池的商业化的进程依然困难重重。
材料成掣肘的关键
万丈高楼，起于垒土。关键材料的缺位就犹如是搭建积木的底座，中国的燃料电池这块搭建中的积木，在关键材料缺位的局面下，产业风险可想而知。
膜电极组件是氢燃料电池最为核心的组成部分，由质子交换膜、催化层和气体扩散层三者构成的膜电极组件相当于燃料电池的心脏。
质子交换膜的主要功能是传输质子，分隔反应气体以及电子绝缘。它负责“把门”，把质子放过去，把电子拦下来；催化层主要搭载的是催化剂，催化剂可以促进氢、氧在电极上的氧化还原过程并产生电流；气体扩散层则由基底层和微孔层组成，它要求具有高导电性、导热性和疏水性。
质子交换膜、催化层和气体扩散层这三大核心材料，决定着氢燃料电池的寿命和性能，在很大程度上，也是支撑着整座“大厦”的地基。
然而，现实的情况是，构成膜电极组件的三大核心材料都尚未实现国产化量产，核心技术都掌握在国外企业手中。
“燃料电池的膜电极技术在加拿大巴拉德手里。”一位熟悉燃料电池行业的投资人士告诉新材料在线?，这家做燃料电池几十年的公司最近因为中国企业的需求受益明显，股价涨幅惊人。而它的子公司美国AvCarb公司还掌握核心的气体扩散层技术。
另一方面，质子交换膜燃料电池最核心的技术材料-------全氟磺酸树脂，几乎完全依赖进口。能够批量商业化的全氟磺酸树脂基本被美国杜邦、德国索尔维（SOLVAY）和日本的旭化成等少数几家公司所垄断，而且旭化成除了本土公司，并未对外销售该产品。
除了质子交换膜，这种差距还体现在催化剂的制备上。铂(Pt)作为当前主流的燃料电池催化剂，属于贵金属和稀有金属，只有实现技术突破将铂的使用量降下来，才能大大降低制造成本。
事实上，实验室制备水平一般为毫克级，量产技术需公斤级水平。批量生产要突破三项关键技术：一是反应条件的均一，确保批次稳定性；二是铂颗粒纳米尺寸控制，确保催化活性比表面积；三是提升碳载体的稳定性，达到车用工况下的使用寿命。对于国内相关企业来说，要达到商用标准还有很长的路要走。
“一辆乘用车要用几十克甚至100多克，价值不菲不说，关键是，经营稀有金属的日本田中贵金属工业供应的铂拥有全球6成的份额，而且田中贵金属正在提升燃料电池催化剂的产能，可将目前的生产能力提高7倍。”上述投资人士表示，国内在燃料电池催化剂方面也毫无优势可言。
从整体情况来看，当前国内的现状是，造氢燃料电池汽车容易，造氢燃料电池、造储存运输氢气的配套装置难。甚至国内连防氢脆的不锈钢都得从日本进口，氢燃料产业链卡脖子的程度可想而知。
“巧妇难为无米之炊。我们的关键材料长期依赖国外，一旦国外禁售，我国的燃料电池产业便没有了材料基础支撑。”在清华大学氢燃料电池实验室主任王诚看来，关键材料缺位就阻碍了国内氢燃料电池产业形成完整的产业链条。
不过，稍微令人欣慰的是，我国的民营公司在正在尝试做出一些新的突破。根据相关报道，东岳集团在质子交换膜的核心材料——全氟磺酸树脂上已经开始小批量试产，测试寿命超过6000小时，并获得AFCC的技术达标奖。这款产品若能成功量产，或将终结国际材料巨头垄断燃料电池质子交换膜领域市场的局面。
商业化推广应补齐产业链短板
实验室技术难以走向市场的关键在于中国燃料电池的商业化进程太过迟缓，与正处于日中天的锂电池相比更是难以望其项背。
根据中汽协数据，2018年我国燃料电池车总销量达1527辆，均为商用车，而新能源汽车总销量达125.6万辆，即燃料电池车的新能源汽车占比仅0.12%。而相对于我国2018年商用车总销量437.1万辆来说，燃料电池商用车0.03%的渗透率就如同是九牛一毛。
无论是增速还是市场规模，氢燃料电池车都被采用锂电池的纯电动汽车远远甩在身后。从某种程度来看，基础设施建设的滞后和过高的成本都阻碍了燃料电池的市场推广进度。
截止2018年，国内共建有加氢站只有17座，正式运营的只有12座，其中日加氢能力达到2000KG/天的共有两座，分别为江苏如皋的百应加氢站以及武汉氢能加氢站，均为国内日加氢能力最强的站点，且现两座加氢站均已经实现投产。
然而，市场的冷淡并未浇熄政府的扶持的决心。根据《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书（2016）》规划，到2020年，我国加氢站数量将达到100座，燃料电池车辆达到1万辆；到2030年，氢能产业产值将突破10000亿元，加氢站数量达到1000座，燃料电池车辆保有量达到200万辆。届时，中国有望成为全球最大的燃料电池汽车市场。
据中证网消息，今年两会开幕前，有权威人士透露，氢燃料电池汽车有望在2019年正式实施“十城千辆”推广计划。该方案与十年前电动汽车的推广思路如出一辙。
与此同时，地方政府也快马加鞭的推进燃料电池的产业化，各个地方政府特别是在之前新能源汽车没有特别大的产业投入的，在燃料电池这块也是出奇制胜，针对各自的基础制定了相关的规划来实现相关国家规划落地工作，引进和制定工作计划，主要包含北京、上海、武汉和佛山等主要地区。
“一个容易被忽视的环节在于，政府的产业导向有时候会与产业的发展轨迹南辕北辙。”一位燃料电池上游领域的负责人告诉新材料在线?，政府希望在能源结构上应尽快明晰氢能源的地位，但扶持的方向还主要集中在整车终端上。
根据2018年的补贴标准，燃料电池车按照额定功率与驱动电机的额定功率比值确定补贴系数，乘用车、轻型客车和货车、大中型客车和中重型货车分别单车补贴上限为20万/辆、30万/辆、50万/辆，补贴在2020年前不会退坡。
上游材料显然并不在补贴考虑的范围之内。
蛋生鸡还是鸡生蛋？这似乎是一个难以扯清的话题，但摆在中国燃料电池产业眼前的问题是，基础不牢固，产业的发展就难以为续，实现这一切的前提必须是补齐短板
毫无疑问，核心技术，特别是基础性的核心材料技术是横跨在政府和企业面前的一条极难逾越的鸿沟。要打破发达国家的长期技术垄断，就得加大对燃料电池核心材料产业化的投入。
“国内零部件、氢基础设施以及标准规范还不健全，需要强链、补链，带动新材料、新能源、汽车高端装备制造成长，才能促进燃料电池商业化提速。” 清华大学汽车研究所所长、博士生导师陈全世教授强调。
在陈全世看来，就现阶段的氢燃料电池产业，政府和车企应该联合大学等研究机构，把膜、催化剂、极板等基础性问题先解决了，如果跨过这个阶段去强推燃料电池车，就是为他人做嫁衣裳。
