推进氢能与燃料电池汽车产业发展的四大建议

党的十九大报告提出,深化供给侧结构性改革,建设现代化经济体系,加快发展先进制造业。燃料电池汽车是新能源汽车的重要组成部分,发展燃料电池汽车,不仅能够支撑先进制造业发展,还将助力现代化经济体系建设和传统产业供给侧结构性改革。

燃料电池汽车以氢能为主要动力源,因而,燃料电池汽车需要与氢能产业并行发展。作为一种清洁高效的二次能源,氢能应用领域广泛,不仅可以满足汽车等移动式能源需求,还能够满足家庭等分布式能源需求。大力发展氢能产业,也是十九大报告提出的构建市场导向的绿色技术创新体系、壮大清洁能源产业和构建清洁低碳、安全高效能源体系的具体实践。

我国氢能与燃料电池汽车产业发展存在的问题

从全球发展态势来看,一些国家已率先开始了燃料电池汽车的产业化,并在氢能技术与应用方面取得较大进展。早在2014年12月, 日本丰田就推出了市场化的燃料电池轿车Mirai,加氢时间仅需约3分钟,续驶里程达到650公里。Mirai 补贴后的价格折合人民币27万元左右,2015年销量为498辆,2016年销量超过2000辆。除日本丰田之外,日本本田、韩国现代等企业也分别推出了市场化的燃料电池汽车产品。在推进燃料电池汽车发展的同时,美国、日本、德国等国家积极布局加氢基础设施。

截至目前, 美、日、德三国已建成加氢站数量分别达到90座、60座和40座。从氢能发展来看,全球正处于氢能产业化加快推进时期。美国、德国、日本、韩国以及欧盟各国均积极布局氢能产业,并制定了专门的发展战略和技术路线图。美国、日本、德国、丹麦等国家不断加大对氢能技术研发及产业化的扶持推动力度, 氢能技术开发与应用取得较大进展。其中,日本更是将氢能产业确定为国家未来重要的战略性产业。正因如此,日本在大规模高效制氢、家用燃料电池发电等领域走在了世界前列。此外,在支持政策的大力推动下,美国、德国等国家在氢气纯化、存储、运输技术与应用方面也取得了一些突破。

我国自2001年起开始设立国家电动汽车重大科技专项,对燃料电池汽车技术研发进行大力支持。经过多年努力,我国已初步掌握了燃料电池关键材料、电堆、动力系统、整车集成等核心技术,具备了燃料电池汽车产业化的基础,并开始了燃料电池汽车小批量生产和示范运行。为支持燃料电池汽车示范运行,我国自2010年起出台了专门的燃料电池车辆购置补贴政策。然而,我国燃料电池汽车还存在技术开发不充分、产品性能不够完善、缺乏批量生产能力等问题。并且,我国还不具备完整的燃料电池电堆产业链,部分燃料电池关键材料依赖进口,燃料电池电堆相关企业数量少,技术开发和制造能力与国际先进水平存在差距。氢能发展方面,我国2012年氢气产量就达到1600万吨,开始位居全球第一。但由于国家层面对氢能产业缺乏足够的重视和必要的支持,我国氢能技术体系还没有形成,储氢、氢气运输等关键技术不成熟。氢能产业链还不够健全,氢气纯化、存储和运输企业较少。

推进我国氢能与燃料电池汽车产业发展的措施建议

纵观汽车100多年的发展史,不管传统燃油汽车与石油工业,还是电动汽车与电能供给,车辆技术一直与能源产业协同演进。燃料电池汽车也不例外,需要与氢能产业协同发展。根据《节能与新能源汽车技术路线图》,我国将在2030年建设1000座加氢站,实现100万辆燃料电池汽车的商业推广。本文认为, 在推进氢能与燃料电池汽车发展过程中,我国需注重把握新兴产业发展的一般规律,充分借鉴电动汽车及传统燃油汽车产业发展的经验教训。为加快氢能与燃料电池汽车产业发展,我国亟需从以下四个方面采取措施。

1.做好氢能供给

如前所述,车辆技术与能源供给的协同演进推动力汽车产业的不断发展。美国是传统燃油汽车最发达的国家,很大程度上得益于其发达的燃油供给体系。本世纪初,美国已形成了一套由159个炼油厂、1300座油库、250万个地下储油罐以及17.4万座加油站组成的庞大燃油供给体系,燃油炼制、存储、运输、加注环节完善,为传统燃油汽车发展提供了强大支撑。类似于传统燃油汽车产业,电能供给也成为电动汽车发展的重要影响因素。在新能源汽车产业发展初期,我国曾过于重视新能源汽车技术和产品发展,而忽视了充电基础设施建设, 导致产业发展受到充电难的制约。2013年之前,我国虽然在公共区域建设了一批充电基础设施,但由于建设区域与电动汽车使用区域不匹配等原因,这些充电基础设施使用率较低,一些地区的充电基础设施使用率甚至在10%以下。充电基础设施的有效供给不足,大大制约了电动汽车产业发展。

为摆脱这种困境,我国自2015年起出台了《关于加快电动汽车充电基础设施建设的指导意见》《电动汽车充电基础设施发展指南(2015-2020年)》等纲领性政策,并出台了充电基础设施建设奖励、扶持性电价,以及居民小区、企事业单位内部、停车场等特定区域充电基础设施支持政策,完善了充电标准。得益于国家层面的重视和政策大力支持,我国充电企业不断涌现,充电基础设施加快推进,总体数量已由2014年的3万个增加至2017年10月的20万个以上,充电难问题得到很大解决,保障了电动汽车产业发展。从能源供给体系来看,由于石油工业较为成熟,燃油炼制、存储、运输、加注网络布局完善,传统汽车燃油供给体系也最为成熟。电力工业也较为成熟, 充电服务网络布局快速推进,充电基础设施建设与运营模式逐渐成熟。氢能供给情况迥异,不仅氢能产业不成熟,加氢站建设也面临诸多问题。

不同于燃油和电能,氢能是一种清洁高效的新型能源,其制取与利用技术正处于加快发展过程中。对于氢能产业发展,我国还未给予足够的重视。虽然《能源发展战略行动计划(2014-2020年)》将氢能与燃料电池技术创新列为15项重点任务,《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》也提出“推动车载储氢系统以及氢制备、储运和加注技术发展”,但我国目前尚未有专门的氢能产业发展支持政策。氢能技术方面,我国化石燃料制氢、可再生能源制氢、氢气纯化等技术相对成熟,已大量应用于工业制氢。然而,我国在氢气存储、运输等技术方面较为薄弱,加氢技术虽已开始应用于燃料电池汽车,但技术水平有待进一步提高。氢能产业方面,除制氢企业外,我国氢气纯化、存储、运输及加氢企业数量较少,规模较小。加氢站建设方面, 我国发展进程总体滞后。截至2017 年10月,我国仅建成7座加氢站,数量远少于美国、日本、德国等发达国家。由于缺乏专门的支持政策, 以及加氢设备产业化能力不足、成本较高、加氢站建设及运营模式不成熟等原因,我国加氢站建设还面临不少制约。

为保障和促进燃料电池汽车产业发展,我国需做好氢能供给。一方面,加快氢气存储、运输等关键技术研发,引导工业制氢、氢气纯化等技术向燃料电池用氢技术转化,丰富氢气存储、运输、加氢等企业数量,提升氢能装备水平,推进氢能产业发展。另一方面,聚焦加氢能力提升,加强加氢设备产业化技术研发,强化加氢设备企业产业化能力,降低加氢设备成本,丰富加氢基础设施建设及运营企业数量,加快完善加氢基础设施建设及运营模式。

2.形成系统的解决方案

对于新兴产业而言,其技术与市场都面临较大的不确定性。在新兴产业发展初期,由于新兴技术不够成熟,新产品往往面临性能不完善、生产成本高、安全性低等问题。当新产品推向市场后,由于配套服务网络不健全,新产品使用、维护及报废回收等问题容易成为新产品产业化的瓶颈。为有效应对这些问题和实现新产品的产业化,新兴产业中的创新主体需要选择特定的技术路线,并形成系统的解决方案。在电动汽车发展过程中,由于动力电池技术的出现,电动汽车在发展初期就面临技术不成熟、产品性能不完善、生产成本高、安全性低等问题。随着电动汽车产业化的推进,电动汽车用户日益多元化的充电需求,以及动力电池退役和报废回收等问题逐渐凸显,开始成为制约电动汽车进一步发展的主要问题。

通过技术创新和商业模式创新,美国电动汽车企业特斯拉形成了应对动力电池和电动汽车产品一系列问题的系统解决方案,其发展经验为新兴产业中的创新主体提供了借鉴。首先,特斯拉选用了较为成熟、稳定的日本松下18650电池,具有能量密度高、寿命长、安全性高等特点,曾广泛应用于消费类电子产品。特斯拉在电池管理技术和电池包设计上进行了创新,采用封存管理设计,先将单体动力电池并联成一个电池组,再将电池组串联成一个电池模块,最后再串联成整块的电池包。为提高电池包的安全性,特斯拉的每个单体电池、电池组和电池模块都有保险丝,每个层级都会有监控电流、电压和温度的传感器,一旦电流过大,保险丝就立即熔断。此外,特斯拉还攻克了电池冷却技术,通过水冷的方式使电池单元的温度维持恒定。两种方式的共同作用,使特斯拉电池包的安全性得到保证。通过以上措施,特斯拉破解了动力电池应用于电动汽车初期面临的技术不成熟、性能不完善、生产成本高、安全性低等问题。其次,在特斯拉刚刚开始产品市场化时,电动汽车面临充电设施较少、充电速度慢等问题。为此,特斯拉专门开发了超级充电站,用20分钟就可以充进一半电量,而80分钟就可以把电量充满, 较好地解决了充电问题。再次, 为解决电能供给问题,特斯拉收购了美国太阳能发电系统供应商SolarCity,采用光伏发电、储能和充电一体化的方式,实现了电能的自给。最后,特斯拉还成立了专门的电池回收公司,负责其电动汽车产品的废旧动力电池回收。

作为一种新兴产业,燃料电池汽车产业化过程中也面临各种瓶颈问题。为此,燃料电池汽车企业需要通过技术创新、商业模式创新和开展必要的合作,从而形成系统的解决方案。氢能是燃料电池汽车的主要动力源,也是燃料电池汽车发展的关键。目前,氢气的存储主要有高压气态储氢、低温液态储氢和常温常压有机储氢等技术路线。对应于不同的储氢技术,燃料电池汽车企业需要采用不同类型的燃料电池电堆、系统,整车设计也需要采取不同的形式。就燃料电池汽车产业发展状况来看,储氢、燃料电池电堆、燃料电池系统、整车等企业相对松散,缺乏针对不同技术路线的紧密合作。为改变这种状况,燃料电池汽车企业需聚焦燃料电池汽车成本、可靠性、耐久性、安全性等问题,围绕产品开发、使用、维护等发展需求,整合燃料电池、储氢等环节,形成系统的解决方案,从而有效推进产业发展。

3.加强关键资源整合

除制氢企业外,核心企业数量少、规模小,以及由此导致的技术创新慢、产业化技术不健全、产业化进程滞后等问题,是我国氢能与燃料电池汽车产业发展面临的主要瓶颈。究其原因,我国通过国家科技研发支持初步掌握了氢能与燃料电池汽车关键技术,但这些技术主要由科研院所和规模较小的科技型企业开发,生产设备、投资等资源不足,从而制约了关键技术的产业化进程。为加快氢能与燃料电池汽车产业化进程,我国需加强对支撑产业化关键资源的整合。

一方面,我国要加强对生产企业、社会资本等国内资源的整合。如前所述,除少数大企业之外,由于生产经验不足、投融资渠道不畅通等原因,掌握氢能与燃料电池汽车关键技术的科技型企业产业化进程缓慢。与此同时,随着我国燃料电池汽车产业化进程的加快,一些其他领域的生产企业、社会资本等正积极进入。通过采取妥善的引导措施,使生产经验丰富的新企业、实力雄厚的上市公司等进入氢能与燃料电池汽车领域,与科技型企业等原有企业合作,将有力提升关键技术研发水平,加快产业化进程。

另一方面,我国需要做好对国外先进技术和企业的整合。国外氢能与燃料电池汽车产业起步较早,在氢能技术、燃料电池技术方面形成了一批优势企业。同时,由于率先实现了产业化,国外氢能与燃料电池汽车产业化技术体系相对完善。例如,在氢气控制高压阀门、密封胶等方面,国外产业化技术优势明显。为此,我国有必要采取技术引进、技术合作、企业并购等方式,实现对国外资源的整合。需要强调的是,在国际资源整合过程中,我国需做好自主技术开发。以日产汽车公司为例,早在2001年就引进了国外燃料电池技术,2003 年开始与国外共同研发燃料电池汽车,2008年之后开始推出自主研发的高性能燃料电池汽车,其经验值得我国进行国际资源整合的企业借鉴。

4.构建产业政策体系

首先,做好顶层设计。由国务院和相关主管部门牵头,加快制定氢能与燃料电池汽车产业发展规划,明确产业发展的目标、主要任务、支持措施、管理规范和保障措施;依托节能与新能源汽车产业发展部际联席会议制度,构建氢能与燃料电池汽车产业发展的部际协调机制。

其次,完善支持政策。不同于燃料电池汽车,我国氢能支持政策较少。为保障燃料电池汽车所需的氢能供给,我国需要结合国家氢能与燃料电池汽车产业发展规划,制定氢能技术研发、产业化及示范应用等支持政策,从而形成有力的支持政策体系。燃料电池汽车方面, 针对技术研发、示范运行、加氢设施建设等关键环节,制定相应的支持政策,构建燃料电池汽车产业支持政策体系。加强与地方政府协调,敦促地方政府尤其是燃料电池汽车试点示范城市建立和完善区域产业支持政策,对试点示范效果较好的城市进行奖励。

最后,制定管理规范。为保障氢能与燃料电池汽车产业发展, 我国需构建氢能与燃料电池汽车标准体系,并制定氢能与燃料电池安全性、加氢基础设施建设等管理规范。目前,燃料电池汽车标准、氢能标准已开始由不同的机构牵头制定。为满足燃料电池汽车新产品开发、测试验证及使用等需求,相关标准制定机构之间需加强协调与协作。