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      行業新聞

      我國燃料電池發展歷程

      文字:[大][中][小] 手機頁面二維碼 2021/9/22     瀏覽次數:    

      1842年,在遙遠的大英帝國,一位叫威廉格羅夫的科學家發明了一款通過氫氣與氧氣反應產生電流和水的裝置--燃料電池。他,被后世尊稱為燃料電池之父。


      1842年,大英帝國艦隊兵臨南京城下,清政府被迫在康沃利斯號戰艦上簽訂了《南京條約》。雙方簽字后,英方代表璞鼎查令旗一揮,戰艦禮炮齊鳴,響徹整個石頭城,炮聲刺耳,也刺痛著這個古老民族的心。


      康沃利斯號停泊的下關江面向南七公里處有一個烏龍潭,潭邊有一個名為“小卷阿”的簡陋書齋,齋中一位瘦骨嶙峋的書生一直在奮筆疾書,酷暑嚴寒,春去秋來。此人名魏源,受林則徐所托,位卑未敢忘憂國,要“悟得御侮之道”。是年冬,魏公完成了《海國圖志》五十卷,詳述西方軍器奇技與練兵之法,激勵世人睜眼看世界,也開啟了“師夷長技”的漫漫長路。


      歷史洪流,浩浩蕩蕩。這是一個開始,卻不是中國燃料電池產業的開始。


      自主創新:板凳需坐十年冷,浮躁劣幣驅良幣


      1931年,九一八事變的第二天,日本關東軍侵占奉天省遼沈道遼陽縣。1938年5月,在日本殖民下的遼陽縣,一個普通農民家庭迎來了一名男嬰,取名衣寶廉。二十年后,立志走出農村的衣寶廉考入了吉林大學化學系,深受唐敖慶、孫家鐘、江元生等中國化學界泰斗的影響,打下了堅實的科研基礎。1962年,衣寶廉進入中國科學院大連化學物理研究所攻讀研究生,師從郭燮賢院士,研究方向是催化化學,畢業后留在了化物所。


      1967年,大連化物所接到了研制航天氫氧燃料電池的科研任務,衣寶廉正好有機會參與其中。至此,中國燃料電池研發才算正式拉開序幕。


      上世紀60年代,美蘇兩個超級大國之間上演了波瀾壯闊的太空競賽。燃料電池由于其產物、性能特征,特別是耐久度和面對極端環境的出色表現,進入登月計劃,不僅提供動力,而且為宇航員提供所需的生活飲水與艙內空氣加濕(氫氣+氧氣產生電+水),這也帶動了燃料電池技術的飛速發展。1969年7月20日,阿波羅11號登陸月球,在邁出人類一大步時,留守登月艙的柯林斯成為了“全世界最孤獨的人”,更糟糕的是由于氣體過濾器壞了,飲水中含有氫氣泡,導致了嚴重的胃腸脹氣。從1968年到1972年,阿波羅號12次飛行任務全部應用燃料電池,沒有出現任何事故。


      1971年,阿波羅15號登陸月球,應用氫燃料電池系統的探險車,首度奔馳在月球表面。這項成果來之不易,通用公司接到任務后,組建了200名工程人員的強大團隊,并實行了罕見的三班倒機制,花了兩年時間研發出了氫燃料電池車Electrovan。由此,通用公司在全球范圍內第一次提出了“氫經濟”的概念。


      1969年,剛過而立之年的衣寶廉接過重擔,負責航天飛船主電源燃料電池課題,是當時最年輕的課題負責人。中國燃料電池研究是從一窮二白開始的,科研人員唯一能做的就是心無旁騖、鍥而不舍。接下來的十年,在朱葆琳先生、袁權院士指導下,衣寶廉帶領團隊攻堅克難,歷經數不清的挫折與失敗,終于實現了從零到一的突破,于1978年設計制造出我國第一臺堿性燃料電池,打破了技術封鎖下的“美蘇二人轉”格局。


      至此,距離格羅夫發明燃料電池,已經過去了136年。


      或許是這個“十年磨一劍”自主創新的折子戲不夠跌宕起伏,作為載人航天飛行系列課題中唯一按時完成的項目,命運沒有給予衣寶廉團隊鮮花和掌聲,而是燃料電池項目中斷暫停的指令。1978年,由于“太空戰”告一段落,國家重大項目調整,100多人的燃料電池研究團隊也隨之解散。


      “燃料電池對國家而言是有意義的”,秉承科研人員的執著,衣寶廉選擇了堅守陣地,帶領留下來的五六個人繼續做研究。為了“活下來”,團隊絞盡腦汁,通過氫傳感器、氧傳感器、電解水制氫等研發籌措經費,以支撐燃料電池工作。


      板凳要做十年冷。接下來的整整十年,研發經費捉襟見肘的窘迫,科研成果無人問津的落寞,夾雜著轉變研究方向的誘惑,不時地炙烤著每個人的初心,但都沒有擊潰這個團隊,反而練就了在起起伏伏大潮中的一份淡定。


      1988年,國家恢復了對氫燃料電池的研究支持。1996年,在“九五”國家科技攻關計劃中,“燃料電池技術”編號為124,與“電動汽車重大科技產業工程”并列于能源、交通領域項目表,重要性進一步提升。2001年,燃料電池研究得到國家科技部重大專項支持。同年,以大連化物所燃料電池研究為基礎的新源動力公司成立,成為中國第一批致力于氫能燃料電池產業化的企業,年過花甲的衣寶廉披掛上陣,擔任公司董事長。2007年上汽集團入股,成為新源動力的股東。


      國內持續開展燃料電池研發超過30年的機構,只此一家,但靠的是科技工作者的自我修養和奉獻精神。衣寶廉團隊的堅持,為中國的燃料電池自主研發保留了彌足珍貴的火種。時至今日,除了科研成果,大連化物所、新源動力為中國燃料電池行業培養輸送了一批批的技術人才,上汽捷氫科技、明天氫能、驥翀氫能、愛德曼等都或多或少有其烙印。


      但是,國內與國際領先企業的技術差距,仍有一條鴻溝,需客觀正視。


      燃料電池技術處于全球領先地位的主要有北美、日韓、歐洲三大分支,經過30多年的持續投入與研發,在燃料電池領域取得了巨大的技術進步。豐田Mirai燃料電池作為業界翹楚,首先體現在功率密度(一代3.1kw/L,二代5.4kw/L)、壽命(5000小時)、低溫啟動(-30℃)、單堆最大功率(114kw)等指標,相關專利達到了18000多項,并向全球開放了部分專利以促進行業發展。其次,商業化一騎絕塵:規?;a能達到10000套/年;2015年Mirai上市價格1億日元,2020年下降到5%,電堆成本早已低于200美元/kw。第三,也是最重要的,安全性、穩定性經歷了實踐驗證,13000輛車上市,累計運營超過1億公里。這三方面綜合起來,豐田才立起了全球領先的旗幟,缺一不可。


      反觀國內,2017年氫能熱潮正式開啟,面對政府對“彎道超車”與“低碳發展”的迫切,資本對氫能“終極能源”概念的狂熱,促使1200多家氫能燃料電池相關公司如雨后春筍涌現。其中,研發歷史長于3年的比例不超過10%,擁有專利超過十項的更是寥寥無幾,卻“捷報頻傳”,把研發和產業化幻化成了各方喜歡的“故事”。


      “水氫車”硬是把氫能混淆于民科;體積密度“超越豐田”之聲不絕于耳,似乎找到了科技創新的“捷徑”,多數卻是在玩“模塊密度”、“裸堆密度”的文字游戲,或是把實驗室數據混同于產業化指標,或是只展示木桶的最長一板;更有甚者,有某催化劑團隊,一份樣品壽命指標比較靚麗,另一份樣品導電性能出色,把兩個樣品測試結果圖片拼到一起,便“發明”了行業領先的產品……短平快甚至是概念炒作成為了燃料電池研發的第一大追求,我們距離國際領先究竟有多遠?或者,是否走在正確的方向上?這必然有環境與機制的影響,但科研人員的自我修養與追求,更是核心的一環。


      2020年,中國的科研經費超過了2.4萬億元,卻是一個“論文密集型”的盛宴??蒲袥]有捷徑,最為美好的路,也最為艱難。自主研發這個十年又十年的冷板凳,有幾個人能坐得?浮躁與虛假彌漫,真正的衣寶廉們本來就屈指可數,還被劣幣驅逐。


      魏源在《海國圖志》中說,“去偽,去飾,去畏難,以實事程實功,以實功程實事”,方能謀自強,臣四海。民族恥辱與先輩血淚換來的教訓,有識之士超越時代的吶喊,對今天而言,仍字字值千金。


      插個楔子,《海國圖志》機緣巧合傳到日本后,成為“有識之士必讀”,更被稱為“決定日本前進道路的指南針”,西鄉隆盛、吉田松陰、伊藤博文等都深受其影響,間接推動了“明治維新”。但在清朝,這本書卻知者寥寥,“事局如故”,以至于有個專門的名字來稱這本書——“不龜手之藥”:有人眼中無足輕重的治療凍手的藥,卻是吳國在冬天擊敗越國軍隊的關鍵。


      唯希望自主研發,實事實功,星星之火以燎原。


      技術引進:落后被迫戴緊箍,市場難換真技術


      國外技術嫁接于中國制造,快速實現產業化,占領廣闊的中國市場,在理論層面是完美的。但是,落后就要挨打,真正領先的技術,怎么可能被輕松拿來?


      廣東西部的云浮,在經濟總量上曾經是全省倒數第一的地級市,石材是唯一的經濟標簽。由云城一路向東,塵土飛揚、數百家大大小小的花崗巖廠林立路邊,綿延20公里一直到思勞鎮。沿思勞鎮唯一的主街轉向東,便是全國第一條“氫能大道”,國鴻氫能、國鴻重塑、飛馳汽車、國鴻加氫站便依次坐落在道路的盡頭,組成了氫能產業園,是佛山市對口扶貧云浮、改變單一產業的成果。


      2015年,“氫能”、“燃料電池”仍處于科普半天還被疑惑“那不就是車上放個氫彈嗎”的階段,開荒劈山,在石縫里開啟中國的氫能商業化之路,凝聚了省市政府領導以及一大批拓荒者的心血與汗水。


      這其中必須要提到一個人,馬東生,人稱老馬。1977年,作為恢復高考后的第一屆大學生,馬東生進入中南礦冶學院金屬材料專業學習。畢業后,馬東生加入鋼鐵行業,從底層做起深耕十余年,在生產經營管理領域身經百戰。二十世紀初,馬東生接觸到氫能,“一見氫心”,矢志不渝要引領中國燃料電池邁過產業化這道坎。


      燃料電池商業化,需要集齊資源、技術、市場三大要素,從零到一構建產業閉環。但知易行難,勇士與烈士,僅有半步之遙。


      2013年,馬東生在江蘇南通成立了碧空氫能,開始第一次產業化嘗試,技術來源是加拿大的巴拉德動力公司。巴拉德于1989年開始燃料電池研發,經過近三十年的深耕,在石墨板電堆領域形成了全球領先的技術和產業化布局,針對燃料電池的“芯片”--膜電極更是建立了強大的專利保護。


      談判桌對面的老馬,給巴拉德高層留下了深刻的印象。首先,老馬的英語水平,絕對是同代人里的佼佼者,其次,他的談判能力更加強大,敏銳地抓住了巴拉德陷入財務困境的時機,獲得了巴拉德唯一的一次“技術獨家授權”,支付了1700萬美元。但是,巴拉德采用了一貫的策略,把上一代技術HD85授權給碧空,而不是當時最新一代技術——9SSL。老馬與巴拉德在南通的合作,以失敗告終,一是此代技術相對落后,難以解決車用大功率的問題;二是沒有獲得啟動訂單。


      失敗沒有擊倒老馬,他把碧空的經歷當作寶貴的一課,升級了打法,先找市場,再市場換技術。2015年,馬東生重整旗鼓南下廣東,與當時謀求新興產業的云浮一拍即合,作為創始人之一,成立了廣東國鴻氫能科技有限公司,擔任董事長。


      經濟發達地區的政府,一方面對于“服務產業”的定位說到做到,另一方面具有干事創業的魄力,“因為相信而看見”,敢于孵化投入。對于國鴻和老馬,政府給予300輛氫能車訂單,解決了困擾已久的市場難題。


      馬東生手握當時全球最大的一筆燃料電池訂單,又一次與巴拉德坐到了談判桌前。老馬主動出擊,直奔巴拉德當時最為先進的技術--9SSL電堆;同時,明確巴拉德需為2萬臺/年產線建設提供技術支持。在各方共同努力下,不到一年時間,工廠便建成投產。


      2萬臺規模的產線,即便放到2021年,也是全球規模最大的產線,更不用說是在六年前。這不僅見證了云浮和老馬的產業野心,更凝聚了完善氫能產業鏈的最大努力與降低成本的極限嘗試。


      經過千萬公里驗證的成熟技術,接近全自動化生產的一致性產品,強大的產能保障,疊加市場開發能力,國鴻聯合與老馬淵源頗深的系統集成商重塑科技,占盡了優勢,在云浮、佛山、上海等地迅速打開市場,國內燃料電池市占率一度超過80%。


      但是,市場換技術這個游戲,已經被西方公司研究透了,更何況是骨灰級玩家—巴拉德,備好了多個緊箍咒,等著技術引進者自己帶上,便脫不下來。


      首先,9SSL技術沒有獨家授權給國鴻,而是相繼授權給了多家中國公司,包括大洋電機、澤禾氫能等,典型的“一魚多吃”;其次,針對燃料電池的“芯片”--膜電極,國鴻與巴拉德簽署了5年1.5億美元的“照付不議”條款,無論市場與經營如何,巴拉德都會把錢拿走;三是巴拉德對國內銷售的每臺電堆都有提成,并且擁有合資公司產品在國外的獨家銷售權。


      吃到第一波政府補貼紅利的國鴻,也迅速成為眾矢之的?;谂c巴拉德的合作條款,坐落在中國的生產廠,淪為了某種意義上的“代工廠”,國鴻獲得的補貼大部分進了巴拉德的口袋,這也是行業質疑聲的根源。此事甚至傳至財政部,有專門的團隊對補貼去向開展研究,引發了氫能車是否還有補貼的行業爭論與動蕩。


      2018年,征戰商場四十年的產業強人譚旭光帶領濰柴動力與巴拉德簽訂了一份合作協議,獲得了下一代燃料電池LCS的技術授權。譚旭光擁有豐富的國際合作經驗,背靠強大的產業資源,但與國鴻相比,他并沒有從巴拉德身上撈到更多好處,反而是更加苛刻的條件。首先是,價格更高,9000萬美元專利授權費;其次,仍然是膜電極的照付不議,且不可開展逆向研發(西方公司忌憚于中國公司的“復制”能力,設置了強力保護);三是,濰柴承諾了2000套的訂單。要知道,巴拉德的下一代燃料電池LCS技術,當時尚只在“圖紙上”,還沒有成熟,行業也因此對濰柴頗有意見。當然,這其中少不了巴拉德CEO麥凱文的縱橫捭闔,作為一個中國通,在與濰柴談判的同時,他帶領巴拉德香港與內地團隊接觸了中國一汽、東方電氣等多家國企,再一次用“一魚多吃”給濰柴施加壓力,從而獲得了更為有利的條件。


      技術引進這條路,嘗試者頗多。除了與巴拉德合作的碧空、國鴻、大洋電機、澤和、濰柴,還有與加拿大水吉能合作的雪人股份、藍吉氫能,與美國Nuvera合作的浙江潤豐,與荷蘭氫電合作的華荷等。國內企業懷揣“引進吸收再創新”的美好愿望,但困在“代工廠”的深坑里,逆向研發之路被堵死后,還從何談起?


      當然,這也不能一棍子打死。


      國鴻作為國內推動燃料電池產業化的領軍企業,一方面帶動構建了相對完備的供應鏈和產業閉環,另一方面大幅降低了燃料電池成本,成為行業價格的基準標桿。


      2020年10月,國鴻宣布電堆價格進入“1時代”(戰略伙伴價格1999元/kw),比2016年的20000元/kw降低了90%。雄韜、氫璞創能等友商也跟進下調價格,坐實了“1時代”。


      這對整個氫能產業擺脫補貼實現自我發展,意義深遠。


      客觀而言,技術引進在絕大多數情況下會受制于人,越是領先的技術越難以引進,“帶著緊箍咒”是“落后就要挨打”在科技領域的一種呈現。但在特定階段與背景下,帶上緊箍,才能走向下一步,這像極了大話西游里的至尊寶。


      西雁東飛:歸來創業懷壯志,陳蔡之厄困淺灘


      在汽車行業,國人苦西方車企久已,“彎道超車”代替師夷長技成為必須完成的時代使命。歸國的產業精英們在本世紀之初便提出了中國汽車產業“三橫三縱”國家戰略,三縱是電池、電機、電控;三橫便是純電動、氫燃料電池、油電混動,并行前進。


      這回答了如何超車的問題,更是超越了時代,比西方早至少十年開啟了電動化與低碳化,使得我們在全球電動車產業獨領風騷。這還解答了對氫能燃料電池路線的疑問:純電動路線已經成熟,為什么還要推進燃料電池路線。


      西雁學成歸來,自帶技術,是自主研發、技術引進之外的第三條路,也是看似容易的一條路,因為前期學習與技術積淀都已由個人完成。但問題仍然突出。


      燃料電池領域的第一位海歸是“氫能狂人”胡里清。1998年,胡里清從巴拉德辭職,變賣了加拿大的別墅和汽車,帶著9歲的女兒回到上海,成立了神力科技。北京奧運會、上海世博會期間,配套上海神力燃料電池的氫能汽車參與服務,圓滿完成了任務。2006年,胡里清用“你是富翁,錢一輩子花不完,是否愿意做一件將延續百年的環保善行”說服郭廣昌投資了神力,但公司始終沒有邁過產業化的坎。企業僅能依靠科研經費艱難維持運營,連續十年虧損,胡里清一腔熱血難酬凌云之志。2015年,出身于清華的燃料電池系統集成商億華通入股神力,整合產業鏈,胡里清則逐漸淡出了神力。


      在九十年代的出國大潮中,一位名叫湯浩的年輕學者于1995年來到加拿大LAVAL大學做訪問學者,后又赴美國深造,先后在美國第一大氫能公司Plug Power、加拿大HYTEON燃料電池公司擔任研究部負責人、首席科學家。2010年8月,在央企東方電氣的召喚下,湯浩毅然放棄了加拿大的一切,來到成都,擔任中央研究院副總工程師,帶領團隊開展燃料電池研究,從膜電極,到電堆,到系統集成,負責一整條研發鏈。2018年2月,東方電氣與成都客車聯合研發的氫燃料電池客車交付,成為創新發展的一個里程碑。在講求績效考核的國企體系,能夠持續投入研發,8年間未被中止或叫停,實屬難得。但遺憾的是,受困于文化和體制的湯浩,已于交付3個月前正式離開了東方電氣,無緣親身見證這一標志性事件。


      1999年,另一名年輕人歐陽洵來到美國史提芬斯理工學院攻讀化工材料博士,之后赴法國國家實驗室做博士后,2005年加入美國IDATECH燃料電池公司(后被巴拉德收購),做到產品經理。2010年,歐陽洵回國,與陳真、賴化平等留學派創立了氫璞創能科技公司。


      作為初創公司,氫璞只有一個目標:實現燃料電池國產化。他們廣泛聯系燃料電池核心部件的國內供應商,反復集成測試,以達到性能、穩定性、經濟性的綜合平衡,建成了中國第一條自主知識產權的電堆自動化生產線。幸運的是,歐陽洵遇到了諸多志同道合者,比如擎動科技的朱威。朱博士畢業于中科大,之后赴澳大利亞和美國深造,2011年加入美國Bing Energy公司,擔任研發部總監,2016年回國創立蘇州擎動科技公司,自主開發催化劑材料,批量生產膜電極。


      在產業鏈伙伴的共同努力,氫璞扛著“中國制造”的大旗,成為價格下降的引領者,售價與國鴻同期進入“1”時代并低于國鴻的1999元/kw。這逼迫巴拉德、質子膜供應商戈爾、莊信萬豐等西方公司不斷調低對中國市場的價格預期,極大的縮短了其從中國市場攫取巨額技術紅利的周期,也為整個產業價格下降添加了足量的催化劑。


      供應鏈有了,產線有了,成本也快速下降,但氫璞沒有強大的背景資源支持,市場成了最大的問題。歐陽洵嘗試與山東德州合作,與東莞合作,甚至嘗試做叉車燃料電池,但是都沒有從根本上解決市場問題。


      歸國發展氫能面臨重重困難,眾多的歸國精英希望可以踏出一條路。留德博士章桐2006年歸國創立德燃動力;留英博士李曉2011年回國創辦武漢眾宇燃料電池公司;曾在巴拉德工作多年的加拿大工程院院士王海江,于2015年歸國,依托南科大創立了南科燃料電池公司;曾任巴拉德首席科學家的加拿大工程院院士葉思宇,于2017年歸國,創立了主攻燃料電池膜電極的鴻基創能……


      華人科學家在西方公司從事研發工作,成績斐然。歸來后,自主創業,可以自由發展,卻解決不了市場與資源問題;背靠強大央企或平臺,解決資源問題,但卻難以解決文化風格、機制與激勵問題。


      這便再次提起了“淮南為桔淮北為枳”的討論,涉及了環境與機制的問題。昔日,清朝的洋務運動與日本的明治維新,是中體西用,還是改革機制,有天壤之別。


      尾聲


      在燃料電池研發與產業化這條路上,我們只能慢慢追趕,還是可以實現“彎道超車”,在接下來的十年還要被反復爭論與驗證實踐。


      在科技強國的漫漫征程中,比起量化的科研投入,張貼的激勵制度,更重要的冰山水面之下底層的文化與動機。

      滾滾長江東去,有件事一直隱隱浮現于時代洪流之下??萍荚瓌搧碓从诿半U精神,而“缺乏冒險精神”似乎成了我們的一個標簽。從地方政府,到資本,到公司,再到科研人員,秉承“理性人的最優解”標榜自身為風險厭惡型最為盛行,導致了長周期、高風險的前沿研發與產業布局幾乎沒有生存的土壤,甚至早早扼殺。


      為了激勵國人冒險,第一位完成單人不間斷環球航海壯舉的中國人曾經說,“希望不久的將來,中國人在精神上的進步會像物質上的增長速度一樣快”。斯人已去,是時候,重塑我們民族的冒險精神了。

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