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30辆搭载着国家电投氢能公司自主研发的“氢腾”燃料电池和系统的燃料电池大巴车，缓缓驶出郑州宇通实验中心园区，一路北上，奔赴北京冬奥会延庆赛区，完成了长达800公里的处女航。 在中国燃料电池史上，这是第一次从核心材料到零部件、电堆封装、系统集成全部由一个公司完成量产的。这意味着，国内燃料电池技术取得了一次重大的突破。 燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。目前，国内的燃料电池主要就是指氢燃料电池，是一种将氢气和氧气结合产生电、热和水的电化学装置，能效转换率在50%-70%，属于是一种零排放电源。 截至目前，我国共有30余省市布局了包括燃料电池汽车在内的氢能产业，并强调加强前沿技术攻关。但现实情况是，与美国和日本等世界级燃料电池列强相比，国内燃料电池技术水平还存在不小的差距。 “我国燃料电池虽起了个大早，但在关键核心材料、技术工艺和推广应用方面，还有很大差距或进步空间。”国家电投氢能公司首席技术官柴茂荣说。 “三年未变”的问题2019年，时任广东泰罗斯汽车动力系统有限公司总经理张锐明在接受第一财经记者采访时这样总结国内的燃料电池汽车：性能差、效率低、寿命短。 这带来的结果就是车辆故障频发。一家燃料电池汽车设备供应商的经理就曾向记者直言，由该公司提供设备的氢燃料电池汽车，平均每个月有七成的车辆因为在路上出现各种故障需要回厂返修。“故障几率太高，是国内氢燃料电池汽车的通病。”这位经理表示，目前国内燃电池汽车整车厂缺乏核心技术，所生产的燃料电池汽车很多都是临时性找供应商提供设备进行组装的。 “这个问题至今还是没有改变。”三年后，现任广东省武理工氢能产业技术研究院执行院长、佛山仙湖实验室燃料电池测试中心主任张锐明教授在日前再次接受第一财经记者采访时说，“国内燃料电池汽车企业通过购买国外核心技术的材料与零部件装上去后，绝大多数车辆的电堆平均使用寿命也只有3000个小时左右，远低于美国能源部对燃料电池车使用寿命的起步门槛。” 相比之下，丰田Mirai的寿命则长得多。张锐明在美国买了两辆丰田Mirai，运行几年来至今尚未出现过故障。Mirai是日本丰田公司自主研发的氢燃料电池汽车。2014年，丰田生产的Mirai燃料电池汽车正式实现商业化，这也是燃料电池从军工走向商业化的里程碑。 据张锐明介绍，在美国销售的丰田Mirai的正常保修期为三年，里程为36000英里，相当于57600公里；而如果花费2000美元购买额外保修，可再保80000英里，相当于128000公里。“尽管丰田没有对外提供具体数据，但是通过这样的商业行为，可以看到其可靠性和耐久性。”他说。 张锐明的另一身份是美籍知名氢能与燃料电池专家，他自1993年起在海外不间断从事燃料电池产业，本世纪初即在美国家参与开发全球首辆燃料电池车。2016年回国后，他主导了开发首批国内燃料电池车。 而在2020年首次出版的《中国氢能产业政策研究》一书中，中国国际经济交流中心常务副理事长张晓强这样写道：“我国氢燃料电池产业自主创新能力仍不强，国产化率不高，关键核心技术和材料仍较多依赖进口。” 一个现实的例子印证了这种说法。针对东风、福田、宇通等8家车企此前共生产的1272辆燃料电池商用车，清华大学氢燃料电池实验室主任王诚曾向媒体指出：“这1272辆车的催化剂大部分都是进口的，膜电极（膜材料）几乎是全部进口。” “过去这几年来，我们在技术上解决了从无到有，但是还没有从根本上解决从有到好。”张锐明说，“我们在获得国外的材料和设备，以及对工艺有了一定的探索之后，可以说在组件的层级取得了一定的突破，但是在原材料方面的突破暂时还是没有看到。” 柴茂荣在自己的朋友圈里透露了一个细节，“这次回日本，和当年的老同事们碰头，了解到丰田对我国的燃料电池技术水平，可谓一清二楚。”也就是说，为了解中国燃料电池汽车的技术水平，日本车企将中国的燃料电池汽车相关部件与系统带回日本进行了测试。“（中国行业内做得）比较猛的几家的催化剂、质子膜、双极板等，他们入手后都做了评价，按FCCJ（日本燃料电池商业化促进委员会）标准评价，没有一项能过合格线。” 多名受访者向第一财经记者表示，燃料电池汽车最根本的问题，还是技术问题。目前，整个产业的制高点都掌握在美国、加拿大和日本等少数国家的手中。以为电堆中的膜电极为例，相关统计资料显示，截至2021年2月，累计装车使用的电堆中超过70%的膜电极来自进口。 “知其然不知其所以然”电堆是驱动燃料电池汽车运行的燃料电池动力系统的核心零部件，是发生电化学反应的场所。整个电堆的主要由双极板、膜电极、催化剂、质子交换膜、气体扩散层等部件构成。 据《中国科技报》最近报道，某国外公司的不少电堆已经进入中国市场，很多做成系统并已在几大检测机构中测试。相比之下，同样标称130kw的电堆，体积不到国产电堆的一半，而按同样单电池0.65V计的额定功率，国产电堆功率比进口电堆至少低20%以上。“实际上，我们国产的很多电堆和世界最先进的电堆技术相比，至少还差一代以上。”柴茂荣说。 如今身为国际知名燃料电池专家的柴茂荣，曾在上世纪八十年代到日本留学，并在日本相关企业从事贵金属催化剂与燃料电池开发工作长达三十多年之久，后于2017年回国。他在自己的朋友圈上说：“国产电堆的寿命差距较大，在振动条件下的工况耐久，不到丰田Mirai2的四分之一。” 国内燃料电池技术的突破，在很大程度上还停留在实验室里。“以电堆中的催化剂为例，国内有很多研究单位在实验里做出来的成果，数据都不错，但是用到燃料电池上做成膜电极，就不好了。”张锐明说，“我们做几毫克可以，但是做几十克几百克，就不行了。这就是没有解决做好材料的问题，结果就是知其然不知其所以然。” 张锐明解释说，这涉及到材料工程化制备和规模化生产过程中所需要控制的参数等多种因素，而这些都需要长期的摸索才能摸索出来。他补充说：“我们可能在某项技术看上去很有前景，可以走出实验室，但是要想实现工程化、产业化、商业化，以及商业化之后要在世界上具有有竞争力，还需要一段漫长的路程要走。” 张锐明所在的广东省武理工氢能产业技术研究院就正在对从实验室数据到膜电极性能所缺乏的中间过程的测试分析评估技术进行深入研究着手，期望尽快取得突破。 燃料电池涉及的技术与学科之多，令人眼花缭乱。其中，电堆、电堆中的催化剂、扩散层、质子交换膜、膜电极、双极板、以及上车之后的系统中的空气压缩机、氢循环泵被国家列为“八大关键零部件”，这在业内被称为“八项卡脖子技术”。 业内人士认为，这“八项卡脖子技术”既限制了整个氢能行业的发展，同时也对上游电解水制氢的技术路线的整个装备也构成了制约。 核心零部件技术与材料没有获得突破，最后导致的结果便是进口设备极其昂贵。“就这么一片，就可以卖到一二百块钱，一个电堆需要用到几百片。”在佛山仙湖实验室采访时，张锐明指着一块A4纸大小、薄如纸片的柔性石墨双极板对第一财经记者说，“而材料本身在它加工成品之前，价格只有几块钱。” 再以膜材料未来为例，根据市场现状，1平方厘米的杜邦公司Nafion膜(全氟磺酸质子交换膜)价格几元甚至近十元，每一辆车需要平方米级别的膜材料。这意味着，仅膜材料这一个部件，一辆车就得摊上几万元甚至十几万元的成本。 作为燃料电池的“心脏”，燃料电池动力系统在整车的成本中，占比大约50％或更高。这直接推高了整辆氢燃料电池汽车的造价，在国内，同样一款公交车，使用氢燃料电池的价格是燃油车的三至五倍。 在柴茂荣看来，只有当系统价格低于2000元/kW以下，或者电堆价格低于1000元/kW以下时，才有商业化推广的基础。而目前，国内电堆价格还在5000元/kW左右。 回到基础在多位内业人士看来，当前国内存在对氢能及燃料电池技术过度炒作的情形，高补贴引发不少企业蜂拥而至，而一些企业干的只是简单的“采购”与“整装”的工作，这无疑应该纠偏。 “我回来之后，就从燃料电池的材料做起。”回国后，柴茂荣便全身心投入到燃料电池的研究与开发工作当中，他向第一财经记者解释，“为什么从材料做起呢，因为只要国外一卡你，你就买不到材料。” 据他介绍，国家电投正立足于国内实现材料级自主化的开发。催化剂、质子膜、碳纸、膜电极、双极板、电堆仿真设计、系统等全部核心材料和技术目前已全部实现了自主化，并建有自己的生产线。他认为，只有这样，才能站在产业链的顶端，把握整个产业的先进性，掌握产品的定价权。 经过这几年的摸索，国家电投在“八项卡脖子技术”技术有了新的突破。比如，催化剂方面，该公司掌握相关核心技术，取得专利并实现量产，产品性能质量全部高于世界领先水平。 同样，在2016年从美国回到中国以后，张锐明也是从材料做起。“不这样做，那就没有意义了。没有成熟的产业链和核心的技术，我们拿什么去跟外国人拼？” “我们现在做的工作，就是在现有的条件下，做到比较理想的结果，而且要用真实的而不是虚拟的数据。”张锐明说，“我一直相信，只要扎扎实实去做，做好燃料电池八大零部件中涉及到电堆所需的材料、以及材料之间的匹配优化，假以时日，中国氢燃料电池汽车行业就一定会起来的。” 张锐明所在佛山仙湖实验室与广东省武理工氢能产业技术研究院，均成立于2019年，致力于以氢能、燃料电池等新能源、新材料国家产业发展需求为导向，集聚、整合国内外高端创新资源，打造新能源与新材料等领域国内一流、国际领先的战略科技创新平台。在实验室的业务范围中，“加强基础研究和应用基础研究”位于第一条。 燃料电池归根结底就是先进性制造技术。要沉得下心来扎扎实实搞科研，搞产品的开发。”在最近的一次演讲中，柴茂荣对氢能及燃料电池技术发展提出了这样的建议：对标国际最先进的日本燃料电池技术，而不是将国外技术引进来简单搞几辆增程式大巴车、各地一哄而上寻求国家补贴。
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