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氢能思考:我国燃料电池离全球领先究竟有多远?

  • 2021-09-22
  • 来源:能源杂志

1842年,在遥远的大英帝国,一位叫威廉格罗夫的科学家发明了一款通过氢气与氧气反应产生电流和水的装置--燃料电池。他,被后世尊称为燃料电池之父。

1842年,大英帝国舰队兵临南京城下,清政府被迫在康沃利斯号战舰上签订了《南京条约》。双方签字后,英方代表璞鼎查令旗一挥,战舰礼炮齐鸣,响彻整个石头城,炮声刺耳,也刺痛着这个古老民族的心。

康沃利斯号停泊的下关江面向南七公里处有一个乌龙潭,潭边有一个名为“小卷阿”的简陋书斋,斋中一位瘦骨嶙峋的书生一直在奋笔疾书,酷暑严寒,春去秋来。此人名魏源,受林则徐所托,位卑未敢忘忧国,要“悟得御侮之道”。是年冬,魏公完成了《海国图志》五十卷,详述西方军器奇技与练兵之法,激励世人睁眼看世界,也开启了“师夷长技”的漫漫长路。

历史洪流,浩浩荡荡。这是一个开始,却不是中国燃料电池产业的开始。

自主创新:板凳需坐十年冷,浮躁劣币驱良币

1931年,九一八事变的第二天,日本关东军侵占奉天省辽沈道辽阳县。1938年5月,在日本殖民下的辽阳县,一个普通农民家庭迎来了一名男婴,取名衣宝廉。二十年后,立志走出农村的衣宝廉考入了吉林大学化学系,深受唐敖庆、孙家钟、江元生等中国化学界泰斗的影响,打下了坚实的科研基础。1962年,衣宝廉进入中国科学院大连化学物理研究所攻读研究生,师从郭燮贤院士,研究方向是催化化学,毕业后留在了化物所。

1967年,大连化物所接到了研制航天氢氧燃料电池的科研任务,衣宝廉正好有机会参与其中。至此,中国燃料电池研发才算正式拉开序幕。

上世纪60年代,美苏两个超级大国之间上演了波澜壮阔的太空竞赛。燃料电池由于其产物、性能特征,特别是耐久度和面对极端环境的出色表现,进入登月计划,不仅提供动力,而且为宇航员提供所需的生活饮水与舱内空气加湿(氢气+氧气产生电+水),这也带动了燃料电池技术的飞速发展。1969年7月20日,阿波罗11号登陆月球,在迈出人类一大步时,留守登月舱的柯林斯成为了“全世界最孤独的人”,更糟糕的是由于气体过滤器坏了,饮水中含有氢气泡,导致了严重的胃肠胀气。从1968年到1972年,阿波罗号12次飞行任务全部应用燃料电池,没有出现任何事故。

1971年,阿波罗15号登陆月球,应用氢燃料电池系统的探险车,首度奔驰在月球表面。这项成果来之不易,通用公司接到任务后,组建了200名工程人员的强大团队,并实行了罕见的三班倒机制,花了两年时间研发出了氢燃料电池车Electrovan。由此,通用公司在全球范围内第一次提出了“氢经济”的概念。

1969年,刚过而立之年的衣宝廉接过重担,负责航天飞船主电源燃料电池课题,是当时最年轻的课题负责人。中国燃料电池研究是从一穷二白开始的,科研人员唯一能做的就是心无旁骛、锲而不舍。接下来的十年,在朱葆琳先生、袁权院士指导下,衣宝廉带领团队攻坚克难,历经数不清的挫折与失败,终于实现了从零到一的突破,于1978年设计制造出我国第一台碱性燃料电池,打破了技术封锁下的“美苏二人转”格局。

至此,距离格罗夫发明燃料电池,已经过去了136年。

或许是这个“十年磨一剑”自主创新的折子戏不够跌宕起伏,作为载人航天飞行系列课题中唯一按时完成的项目,命运没有给予衣宝廉团队鲜花和掌声,而是燃料电池项目中断暂停的指令。1978年,由于“太空战”告一段落,国家重大项目调整,100多人的燃料电池研究团队也随之解散。

“燃料电池对国家而言是有意义的”,秉承科研人员的执着,衣宝廉选择了坚守阵地,带领留下来的五六个人继续做研究。为了“活下来”,团队绞尽脑汁,通过氢传感器、氧传感器、电解水制氢等研发筹措经费,以支撑燃料电池工作。

板凳要做十年冷。接下来的整整十年,研发经费捉襟见肘的窘迫,科研成果无人问津的落寞,夹杂着转变研究方向的诱惑,不时地炙烤着每个人的初心,但都没有击溃这个团队,反而练就了在起起伏伏大潮中的一份淡定。

1988年,国家恢复了对氢燃料电池的研究支持。1996年,在“九五”国家科技攻关计划中,“燃料电池技术”编号为124,与“电动汽车重大科技产业工程”并列于能源、交通领域项目表,重要性进一步提升。2001年,燃料电池研究得到国家科技部重大专项支持。同年,以大连化物所燃料电池研究为基础的新源动力公司成立,成为中国第一批致力于氢能燃料电池产业化的企业,年过花甲的衣宝廉披挂上阵,担任公司董事长。2007年上汽集团入股,成为新源动力的股东。

国内持续开展燃料电池研发超过30年的机构,只此一家,但靠的是科技工作者的自我修养和奉献精神。衣宝廉团队的坚持,为中国的燃料电池自主研发保留了弥足珍贵的火种。时至今日,除了科研成果,大连化物所、新源动力为中国燃料电池行业培养输送了一批批的技术人才,上汽捷氢科技、明天氢能、骥翀氢能、爱德曼等都或多或少有其烙印。

但是,国内与国际领先企业的技术差距,仍有一条鸿沟,需客观正视。

燃料电池技术处于全球领先地位的主要有北美、日韩、欧洲三大分支,经过30多年的持续投入与研发,在燃料电池领域取得了巨大的技术进步。丰田Mirai燃料电池作为业界翘楚,首先体现在功率密度(一代3.1kw/L,二代5.4kw/L)、寿命(5000小时)、低温启动(-30℃)、单堆最大功率(114kw)等指标,相关专利达到了18000多项,并向全球开放了部分专利以促进行业发展。其次,商业化一骑绝尘:规模化产能达到10000套/年;2015年Mirai上市价格1亿日元,2020年下降到5%,电堆成本早已低于200美元/kw。第三,也是最重要的,安全性、稳定性经历了实践验证,13000辆车上市,累计运营超过1亿公里。这三方面综合起来,丰田才立起了全球领先的旗帜,缺一不可。

反观国内,2017年氢能热潮正式开启,面对政府对“弯道超车”与“低碳发展”的迫切,资本对氢能“终极能源”概念的狂热,促使1200多家氢能燃料电池相关公司如雨后春笋涌现。其中,研发历史长于3年的比例不超过10%,拥有专利超过十项的更是寥寥无几,却“捷报频传”,把研发和产业化幻化成了各方喜欢的“故事”。

“水氢车”硬是把氢能混淆于民科;体积密度“超越丰田”之声不绝于耳,似乎找到了科技创新的“捷径”,多数却是在玩“模块密度”、“裸堆密度”的文字游戏,或是把实验室数据混同于产业化指标,或是只展示木桶的最长一板;更有甚者,有某催化剂团队,一份样品寿命指标比较靓丽,另一份样品导电性能出色,把两个样品测试结果图片拼到一起,便“发明”了行业领先的产品……短平快甚至是概念炒作成为了燃料电池研发的第一大追求,我们距离国际领先究竟有多远?或者,是否走在正确的方向上?这必然有环境与机制的影响,但科研人员的自我修养与追求,更是核心的一环。

2020年,中国的科研经费超过了2.4万亿元,却是一个“论文密集型”的盛宴。科研没有捷径,最为美好的路,也最为艰难。自主研发这个十年又十年的冷板凳,有几个人能坐得?浮躁与虚假弥漫,真正的衣宝廉们本来就屈指可数,还被劣币驱逐。

魏源在《海国图志》中说,“去伪,去饰,去畏难,以实事程实功,以实功程实事”,方能谋自强,臣四海。民族耻辱与先辈血泪换来的教训,有识之士超越时代的呐喊,对今天而言,仍字字值千金。

插个楔子,《海国图志》机缘巧合传到日本后,成为“有识之士必读”,更被称为“决定日本前进道路的指南针”,西乡隆盛、吉田松阴、伊藤博文等都深受其影响,间接推动了“明治维新”。但在清朝,这本书却知者寥寥,“事局如故”,以至于有个专门的名字来称这本书——“不龟手之药”:有人眼中无足轻重的治疗冻手的药,却是吴国在冬天击败越国军队的关键。

唯希望自主研发,实事实功,星星之火以燎原。

技术引进:落后被迫戴紧箍,市场难换真技术

国外技术嫁接于中国制造,快速实现产业化,占领广阔的中国市场,在理论层面是完美的。但是,落后就要挨打,真正领先的技术,怎么可能被轻松拿来?

广东西部的云浮,在经济总量上曾经是全省倒数第一的地级市,石材是唯一的经济标签。由云城一路向东,尘土飞扬、数百家大大小小的花岗岩厂林立路边,绵延20公里一直到思劳镇。沿思劳镇唯一的主街转向东,便是全国第一条“氢能大道”,国鸿氢能、国鸿重塑、飞驰汽车、国鸿加氢站便依次坐落在道路的尽头,组成了氢能产业园,是佛山市对口扶贫云浮、改变单一产业的成果。

2015年,“氢能”、“燃料电池”仍处于科普半天还被疑惑“那不就是车上放个氢弹吗”的阶段,开荒劈山,在石缝里开启中国的氢能商业化之路,凝聚了省市政府领导以及一大批拓荒者的心血与汗水。

这其中必须要提到一个人,马东生,人称老马。1977年,作为恢复高考后的第一届大学生,马东生进入中南矿冶学院金属材料专业学习。毕业后,马东生加入钢铁行业,从底层做起深耕十余年,在生产经营管理领域身经百战。二十世纪初,马东生接触到氢能,“一见氢心”,矢志不渝要引领中国燃料电池迈过产业化这道坎。

燃料电池商业化,需要集齐资源、技术、市场三大要素,从零到一构建产业闭环。但知易行难,勇士与烈士,仅有半步之遥。

2013年,马东生在江苏南通成立了碧空氢能,开始第一次产业化尝试,技术来源是加拿大的巴拉德动力公司。巴拉德于1989年开始燃料电池研发,经过近三十年的深耕,在石墨板电堆领域形成了全球领先的技术和产业化布局,针对燃料电池的“芯片”--膜电极更是建立了强大的专利保护。

谈判桌对面的老马,给巴拉德高层留下了深刻的印象。首先,老马的英语水平,绝对是同代人里的佼佼者,其次,他的谈判能力更加强大,敏锐地抓住了巴拉德陷入财务困境的时机,获得了巴拉德唯一的一次“技术独家授权”,支付了1700万美元。但是,巴拉德采用了一贯的策略,把上一代技术HD85授权给碧空,而不是当时最新一代技术——9SSL。老马与巴拉德在南通的合作,以失败告终,一是此代技术相对落后,难以解决车用大功率的问题;二是没有获得启动订单。

失败没有击倒老马,他把碧空的经历当作宝贵的一课,升级了打法,先找市场,再市场换技术。2015年,马东生重整旗鼓南下广东,与当时谋求新兴产业的云浮一拍即合,作为创始人之一,成立了广东国鸿氢能科技有限公司,担任董事长。

经济发达地区的政府,一方面对于“服务产业”的定位说到做到,另一方面具有干事创业的魄力,“因为相信而看见”,敢于孵化投入。对于国鸿和老马,政府给予300辆氢能车订单,解决了困扰已久的市场难题。

马东生手握当时全球最大的一笔燃料电池订单,又一次与巴拉德坐到了谈判桌前。老马主动出击,直奔巴拉德当时最为先进的技术--9SSL电堆;同时,明确巴拉德需为2万台/年产线建设提供技术支持。在各方共同努力下,不到一年时间,工厂便建成投产。

2万台规模的产线,即便放到2021年,也是全球规模最大的产线,更不用说是在六年前。这不仅见证了云浮和老马的产业野心,更凝聚了完善氢能产业链的最大努力与降低成本的极限尝试。

经过千万公里验证的成熟技术,接近全自动化生产的一致性产品,强大的产能保障,叠加市场开发能力,国鸿联合与老马渊源颇深的系统集成商重塑科技,占尽了优势,在云浮、佛山、上海等地迅速打开市场,国内燃料电池市占率一度超过80%。

但是,市场换技术这个游戏,已经被西方公司研究透了,更何况是骨灰级玩家—巴拉德,备好了多个紧箍咒,等着技术引进者自己带上,便脱不下来。

首先,9SSL技术没有独家授权给国鸿,而是相继授权给了多家中国公司,包括大洋电机、泽禾氢能等,典型的“一鱼多吃”;其次,针对燃料电池的“芯片”--膜电极,国鸿与巴拉德签署了5年1.5亿美元的“照付不议”条款,无论市场与经营如何,巴拉德都会把钱拿走;三是巴拉德对国内销售的每台电堆都有提成,并且拥有合资公司产品在国外的独家销售权。

吃到第一波政府补贴红利的国鸿,也迅速成为众矢之的。基于与巴拉德的合作条款,坐落在中国的生产厂,沦为了某种意义上的“代工厂”,国鸿获得的补贴大部分进了巴拉德的口袋,这也是行业质疑声的根源。此事甚至传至财政部,有专门的团队对补贴去向开展研究,引发了氢能车是否还有补贴的行业争论与动荡。

2018年,征战商场四十年的产业强人谭旭光带领潍柴动力与巴拉德签订了一份合作协议,获得了下一代燃料电池LCS的技术授权。谭旭光拥有丰富的国际合作经验,背靠强大的产业资源,但与国鸿相比,他并没有从巴拉德身上捞到更多好处,反而是更加苛刻的条件。首先是,价格更高,9000万美元专利授权费;其次,仍然是膜电极的照付不议,且不可开展逆向研发(西方公司忌惮于中国公司的“复制”能力,设置了强力保护);三是,潍柴承诺了2000套的订单。要知道,巴拉德的下一代燃料电池LCS技术,当时尚只在“图纸上”,还没有成熟,行业也因此对潍柴颇有意见。当然,这其中少不了巴拉德CEO麦凯文的纵横捭阖,作为一个中国通,在与潍柴谈判的同时,他带领巴拉德香港与内地团队接触了中国一汽、东方电气等多家国企,再一次用“一鱼多吃”给潍柴施加压力,从而获得了更为有利的条件。

技术引进这条路,尝试者颇多。除了与巴拉德合作的碧空、国鸿、大洋电机、泽和、潍柴,还有与加拿大水吉能合作的雪人股份、蓝吉氢能,与美国Nuvera合作的浙江润丰,与荷兰氢电合作的华荷等。国内企业怀揣“引进吸收再创新”的美好愿望,但困在“代工厂”的深坑里,逆向研发之路被堵死后,还从何谈起?

当然,这也不能一棍子打死。

国鸿作为国内推动燃料电池产业化的领军企业,一方面带动构建了相对完备的供应链和产业闭环,另一方面大幅降低了燃料电池成本,成为行业价格的基准标杆。

2020年10月,国鸿宣布电堆价格进入“1时代”(战略伙伴价格1999元/kw),比2016年的20000元/kw降低了90%。雄韬、氢璞创能等友商也跟进下调价格,坐实了“1时代”。

这对整个氢能产业摆脱补贴实现自我发展,意义深远。

客观而言,技术引进在绝大多数情况下会受制于人,越是领先的技术越难以引进,“带着紧箍咒”是“落后就要挨打”在科技领域的一种呈现。但在特定阶段与背景下,带上紧箍,才能走向下一步,这像极了大话西游里的至尊宝。

西雁东飞:归来创业怀壮志,陈蔡之厄困浅滩

在汽车行业,国人苦西方车企久已,“弯道超车”代替师夷长技成为必须完成的时代使命。归国的产业精英们在本世纪之初便提出了中国汽车产业“三横三纵”国家战略,三纵是电池、电机、电控;三横便是纯电动、氢燃料电池、油电混动,并行前进。

这回答了如何超车的问题,更是超越了时代,比西方早至少十年开启了电动化与低碳化,使得我们在全球电动车产业独领风骚。这还解答了对氢能燃料电池路线的疑问:纯电动路线已经成熟,为什么还要推进燃料电池路线。

西雁学成归来,自带技术,是自主研发、技术引进之外的第三条路,也是看似容易的一条路,因为前期学习与技术积淀都已由个人完成。但问题仍然突出。

燃料电池领域的第一位海归是“氢能狂人”胡里清。1998年,胡里清从巴拉德辞职,变卖了加拿大的别墅和汽车,带着9岁的女儿回到上海,成立了神力科技。北京奥运会、上海世博会期间,配套上海神力燃料电池的氢能汽车参与服务,圆满完成了任务。2006年,胡里清用“你是富翁,钱一辈子花不完,是否愿意做一件将延续百年的环保善行”说服郭广昌投资了神力,但公司始终没有迈过产业化的坎。企业仅能依靠科研经费艰难维持运营,连续十年亏损,胡里清一腔热血难酬凌云之志。2015年,出身于清华的燃料电池系统集成商亿华通入股神力,整合产业链,胡里清则逐渐淡出了神力。

在九十年代的出国大潮中,一位名叫汤浩的年轻学者于1995年来到加拿大LAVAL大学做访问学者,后又赴美国深造,先后在美国第一大氢能公司Plug Power、加拿大HYTEON燃料电池公司担任研究部负责人、首席科学家。2010年8月,在央企东方电气的召唤下,汤浩毅然放弃了加拿大的一切,来到成都,担任中央研究院副总工程师,带领团队开展燃料电池研究,从膜电极,到电堆,到系统集成,负责一整条研发链。2018年2月,东方电气与成都客车联合研发的氢燃料电池客车交付,成为创新发展的一个里程碑。在讲求绩效考核的国企体系,能够持续投入研发,8年间未被中止或叫停,实属难得。但遗憾的是,受困于文化和体制的汤浩,已于交付3个月前正式离开了东方电气,无缘亲身见证这一标志性事件。

1999年,另一名年轻人欧阳洵来到美国史提芬斯理工学院攻读化工材料博士,之后赴法国国家实验室做博士后,2005年加入美国IDATECH燃料电池公司(后被巴拉德收购),做到产品经理。2010年,欧阳洵回国,与陈真、赖化平等留学派创立了氢璞创能科技公司。

作为初创公司,氢璞只有一个目标:实现燃料电池国产化。他们广泛联系燃料电池核心部件的国内供应商,反复集成测试,以达到性能、稳定性、经济性的综合平衡,建成了中国第一条自主知识产权的电堆自动化生产线。幸运的是,欧阳洵遇到了诸多志同道合者,比如擎动科技的朱威。朱博士毕业于中科大,之后赴澳大利亚和美国深造,2011年加入美国Bing Energy公司,担任研发部总监,2016年回国创立苏州擎动科技公司,自主开发催化剂材料,批量生产膜电极。

在产业链伙伴的共同努力,氢璞扛着“中国制造”的大旗,成为价格下降的引领者,售价与国鸿同期进入“1”时代并低于国鸿的1999元/kw。这逼迫巴拉德、质子膜供应商戈尔、庄信万丰等西方公司不断调低对中国市场的价格预期,极大的缩短了其从中国市场攫取巨额技术红利的周期,也为整个产业价格下降添加了足量的催化剂。

供应链有了,产线有了,成本也快速下降,但氢璞没有强大的背景资源支持,市场成了最大的问题。欧阳洵尝试与山东德州合作,与东莞合作,甚至尝试做叉车燃料电池,但是都没有从根本上解决市场问题。

归国发展氢能面临重重困难,众多的归国精英希望可以踏出一条路。留德博士章桐2006年归国创立德燃动力;留英博士李晓2011年回国创办武汉众宇燃料电池公司;曾在巴拉德工作多年的加拿大工程院院士王海江,于2015年归国,依托南科大创立了南科燃料电池公司;曾任巴拉德首席科学家的加拿大工程院院士叶思宇,于2017年归国,创立了主攻燃料电池膜电极的鸿基创能……

华人科学家在西方公司从事研发工作,成绩斐然。归来后,自主创业,可以自由发展,却解决不了市场与资源问题;背靠强大央企或平台,解决资源问题,但却难以解决文化风格、机制与激励问题。

这便再次提起了“淮南为桔淮北为枳”的讨论,涉及了环境与机制的问题。昔日,清朝的洋务运动与日本的明治维新,是中体西用,还是改革机制,有天壤之别。

尾声

在燃料电池研发与产业化这条路上,我们只能慢慢追赶,还是可以实现“弯道超车”,在接下来的十年还要被反复争论与验证实践。

在科技强国的漫漫征程中,比起量化的科研投入,张贴的激励制度,更重要的冰山水面之下底层的文化与动机。

滚滚长江东去,有件事一直隐隐浮现于时代洪流之下。科技原创来源于冒险精神,而“缺乏冒险精神”似乎成了我们的一个标签。从地方政府,到资本,到公司,再到科研人员,秉承“理性人的最优解”标榜自身为风险厌恶型最为盛行,导致了长周期、高风险的前沿研发与产业布局几乎没有生存的土壤,甚至早早扼杀。

为了激励国人冒险,第一位完成单人不间断环球航海壮举的中国人曾经说,“希望不久的将来,中国人在精神上的进步会像物质上的增长速度一样快”。斯人已去,是时候,重塑我们民族的冒险精神了。

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