为什么依赖进口?
部分受访者认为,科研成果难以转化为商业产品,只是表象。更本质的原因在于,运氢问题尚未解决,导致部分城市高纯氢贵;整车成本高、加氢站建设费用高,综合因素作用下,中国的燃料电池产业链仍未形成。
没有产业链,就没有利润。面对亏本的买卖,作为市场创新主体的企业自然难有技术攻关、进而和进口产品竞争的积极性。
不过,不论是国内的主机厂、零部件企业,还是能源公司,都在积极推动
燃料电池汽车链条的国产化进程,部分已经发布了阶段性研发成果。用一位一线工程师的话说,“燃料电池行业处于发展初期,政府和行业都应该充满信心,坚信星星之火可以燎原。”
1催化剂:做得了1克,做不了1公斤
燃料电池国产化,涉及多项核心零部件。
国内某主流氢燃料电池企业产品负责人介绍,燃料电池电堆主要由膜电极、双极板、端板、绝缘板、集流板和密封件等组成。作为主要零部件的催化剂占电堆成本比例约为36%,双极板占比约为23%,气体扩散层和质子交换膜占比分别约为16%和12%。
根据车型和技术路线等差别,催化剂等成本占比略有不同。
国家电力投资集团有限公司氢能首席技术官柴茂荣告诉记者,国产燃料电池涉及的催化剂、膜电极、双极板等核心技术,对进口的依赖都比较严重。
张先生是国内某大型材料研发机构的燃料电池工程师,据他观察,近几年,国内对燃料电池催化剂的研究非常火,尤其是高校在催化剂、膜电极等领域的专利申请数量相当多。而这些研究正是不少国内企业的技术来源。
张先生说,可惜的是,这些科研成果,目前大多数没有转化为商业产品。
中国工程院院士衣宝廉告诉记者,目前,国内有不少研究催化剂的单位,发表的高水平论文也有很多,而且并不缺乏制备催化剂的公司。但是,这些单位和企业都拿不出催化剂装车的运行数据。
衣宝廉介绍,国内有催化剂开发能力的公司,正在开发高活性、低铂载量的催化剂,并在自己的电堆上进行试验。但在产业端,大部分企业仍要进口日本和英国等国的催化剂。
上述产品负责人也表示,目前,部分国产催化剂通过了样品开发和测试,但商用化和规模化积累不足,因此,进口催化剂仍然是目前国内燃料电池企业的首选。
为什么实验室能做出来,工厂却生产不出来?
柴茂荣告诉记者,实验室的催化剂多用半电极测试性能,性能要求相对宽松,但用于量产的膜电极,需要经受抗氧化、抗中毒、耐久性,以及催化剂中杂质对质子膜等的影响考验。因此,实验室做出的催化剂,能直接用于企业膜电极生产的数量有限。
另外,张先生认为,实验室有精密的实验设备,有专业的(通常是博士学历及以上的)科研人员,在这种特定条件下制出1克催化剂并不难。但对于企业而言,受限于设备、工艺、工人技术水平,每天能产出100克-1000克燃料电池催化剂,已经是领先水平。
“博士能做不算生产能力,普通工人也能操作才是生产能力,才有规模化的可能。我们现在缺的就是生产能力,这种能力一定是企业才能搞定的。”张先生说。
张先生所说的“生产能力”,反映在消费端,就是中国能源工程集团氢能科技有限公司(中氢科技)CEO范钦柏口中的“用户级产品”。
在范钦柏看来,目前,燃料电池汽车对氢气、空气质量、机器精密度和操作都很敏感,是“教授级”产品,这样的产品价值很低,不是用户真正需要。行业应该对燃料电池汽车去敏感化,让其成为有价值的“用户级”产品。
2双极板:成品率仅98%
目前,国内大部分燃料电池企业使用的是石墨双极板和复合材料双极板。
衣宝廉介绍,金属板作为提高电堆比功率的主要方式,国内各公司都在大力研发并组装。部分企业宣称,其开发的金属电堆比功率超过3.0kW/L,且均装车试运行,但实际寿命有多长,还要看运行结果。
上海捷氢科技有限公司业务规划及项目总监余意也表示,和石墨双极板相比,金属双极板厚度薄,导电、导热性能更好,机械强度更高,量产工艺工序更少,因此性能优异且更易于批量化生产。但金属双极板的成型工艺要求高,耐腐蚀性较差,寿命不易保证,这也是其国产化的主要难点。
张先生告诉记者,目前,国产双极板最大的问题是模具加工精度不够高。例如,国外对双极板的公差要求为±10微米,国内模具的公差普遍远大于这个数字。
模具公差大,导致双极板和燃料电池的不良品率远高于产品最低要求。
范钦柏介绍,动力电池的电流密度只有100毫安/平方厘米,而燃料电池的电流密度能做到1.5安/平方厘米。这就意味着,燃料电池堆精密度的要求远高于动力电池,不良品率要降到亿分之一。但实际上,国产燃料电池普遍的不良品率高达2%。
除了模具本身的问题,管理过程不科学,品质控制不严格,也让国产燃料电池的一致性大打折扣。
范钦柏曾在海外从事燃料电池研发工作近30年,回国不到1年时间,国内部分企业的管理方法让他感触颇深。
据范钦柏介绍,单电池装堆时,企业会对每个电池的膜电极检漏,测试单位时间内的气体漏出量是否超标。有的企业只要求“差不多”达标即可,而非严格执行品控标准,导致电堆装车后,有的产品仅两周就出现问题,无法运行。
“部分企业生产爱讲‘差不多’,企业缺乏责任心,这是国产产品缺乏国际竞争力的一大问题。”
3其他零部件:基础材料研发被卡
不只是燃料电池,空压机、氢气循环泵等燃料电池汽车系统零部件,国产产品和进口产品的差距也很大。
张先生在乘坐过丰田Mirai和国内某主流车企生产的燃料电池车后直言,前者没有明显噪音,后者的噪音则相当大。
余意介绍,空压机、氢气循环泵研发涉及到热学、力学、动力学、电机电控、材料等多学科,尤其是大流量高压比的空压机和氢循环泵,需要深厚的技术积累、完善的开发流程和大量的资金投入。
一位曾在海外某知名燃料电池企业任职多年的专家告诉记者,普通空压机采用钢制轴承,但燃料电池汽车的空压机转速极高,需要使用陶瓷轴承。而这种陶瓷轴承,国内依然十分缺乏。
“只要涉及基础材料,国产零部件基本上就卡死了。”他感叹。
不过,据衣宝廉介绍,国内空气轴承的空压机已经研制成功,并应用在亿华通的燃料电池车上。金士顿JSD推出的无油空压机采用空气轴承、高速永磁电机和高频控制器等技术,核心技术均为公司自主研发。
除了燃料电池汽车本身,整车之外的储氢、运氢、加氢链条,储氢罐用的碳纤维、阀件,加氢枪用橡胶、氢气计量设备,国产产品仍与国际先进水平差距较大。
以加氢枪的橡胶为例,柴茂荣介绍,加氢枪专用的橡胶既要抗压,又要耐氢,对企业的工艺水平挑战很大。而且,一根橡胶管的价格高达数万美元,寿命则只有半年到一年左右。技术难度大、更换成本高,让这种特殊橡胶国产化十分缓慢。
余意也表示,和国际先进水平相比,国产碳纤维的成品率相对较低,成本较高,国产阀件的高压密封可靠性、金属材料的耐氢脆性和高压环境下的耐久性比较差。
不过,柴茂荣认为,阀件、储运罐特种钢、氢气计量设备等零部件对外依存度高,并非在于国内企业做不到,而在于企业不愿做。换言之,无利可图导致企业缺乏创新的积极性。
为什么无利可图?
4“氢价高、车价高、建站贵”
衣宝廉认为,燃料电池车的关键材料和核心零部件的国产化进程不理想,商业化速度慢主要受制于三高:车的成本高、氢气价格高、加氢站建设费用高。
某客车企业高管曾在公开演讲中表示,氢气价格非常昂贵,导致氢燃料电池汽车车的营运成本居高不下,是企业燃料电池汽车推广的难题。
范钦柏算了一笔账,目前,国内氢气的市场价格约为100元/千克,测试60千瓦的燃料电池堆,大约需要氢气每小时4千克,市场价每小时为400元。这样算来,一辆燃料电池汽车每天要消耗氢气3000多元,根据不同的计量比,一年的测试价格近百万元。
一边,是下游主机厂苦于用氢成本过高,另一边,是上游制氢企业抱怨氢气没有市场。“电池堆做得起,氢气用不起,是很多燃料电池汽车企业面临的现实困难。”他说。
如何解决“用不起氢”的难题?范钦柏的看法是,专业的人做专业的事,由能源企业牵头,疏通上游制氢企业和下游主机厂间的运输过程,进一步降低企业用氢成本。
另外,衣宝廉告诉记者 ,一般城市的高纯氢价格较高,但目前,国内加氢站的加氢价是60到80元/千克,低于国际水平。他认为,大量利用工业副产氢与弃水、弃风、弃光发电的电解水制氢,国产加氢站的加氢费用很快会降下来。
5国产品牌在努力
目前,能源企业正在加速进入燃料电池领域。
2019年8月,国电投发布燃料电池研究阶段性成果,柴茂荣向媒体表示,国电投研发的催化剂通过了1.0-1.5V十万次的耐久性测试,其衰减特性值仍大于80%。他同时强调,催化剂材料从实验室到装车需要2年,装车后仍然需要3年时间验证。
中氢科技方面,范钦柏介绍,目前,该公司有石墨板和金属双极板的开发能力,装车实测正在按计划进行。
主机厂一端的国产化进程也没有停止。
捷氢科技燃料电池系统产品P390,电堆及核心部件自主开发
在2019年9月22日的2019氢能产业发展峰会上,被问及如何降低进口依存度时,捷氢科技总经理卢兵兵表示,捷氢已经具备双极板、膜电极设计、电堆集成、燃料电池系统集成能力。在质子交换膜、催化剂和碳纸等核心材料领域,希望与供应商合作,发挥各自特长,提高国产燃料电池竞争力。
谈到于燃料电池核心材料和零部件国产化的前景,范钦柏说,国产化困难多、速度慢不是问题,问题是,大家是不是真想把燃料电池行业做起来?只要真想做事,而不是冲着补贴去,中国的燃料电池行业就有希望。
衣宝廉也表示,要加强电堆企业与关键材料研发单位的协作、联合攻关和实验。只有如此,才能加速国内氢燃料电池汽车关键材料和核心零部件产业化进步。