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简析:何为氢燃料电池及氢燃料电池发展过程

国际新能源网  来源:同花顺财经  日期:2019-04-22
  一、何为(氢)燃料电池
 
  首先说一下电池的分类
 
  电池按运作机理可分为三种(如果我没理解错的话)——
 
  干电池、可充电蓄电池(如锂电池),燃料电池。
 
  其中的区别,简化一点就是:
 
  干电池,A+B→AB,这个过程不可逆,在容器中(电解液)发生一次性的反应,A和B消耗完之后,电池就失效了。
 
  蓄电池:A+B→AB、(充电)AB→A+B,这个过程可逆,A和B通过充电基本恢复原始状态,因此可以不断循环;
 
  燃料电池:A+B→AB,在容器(系统)中发生反应,A和B不可逆地消耗,但可以不断补充。因此也可以说,燃料电池,本质上就是一个小型发电机。
 
  显然,就电池的发展和应用而言,干电池因为不可逆只能作为补充,蓄电池和燃料电池是最主要的两个技术路线。
 
  蓄电池不用说了,原来还有铅酸蓄电池(雄韬股份(002733)和比亚迪(002594)原来做这个起家的),而现在则是锂电池的天下。虽然细分下来有三元锂电池、磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂等等。
 
  具体来说燃料电池。
 
  顾名思义,就是消耗燃料的电池。
 
  通过相对温和的化学反应将燃料中的化学能直接转化为电能。
 
  这个过程会消耗燃料。注意是相对温和,因此燃料不直接燃烧,除了电能之外会有“燃烧”的副产物。
 
  直观一点,我们人体本身就是一个燃料电池(生物电池)。
 
  我们通过进食、消化,将食物如碳水化合物分解获得能量。这个过程消耗氧气,碳水化合物温和“燃烧”,就会有生物电产生。
 
  通常两种物质发生反应,都需要一定的条件,比如燃烧。
 
  而既要反应又要温和、可控,就需要催化剂参与了,后面会提到。
 
  燃料电池的燃料有很多种,从上面的原理解释可以看出,理论上任何能燃烧的物质都能用来做燃料电池。
 
  但是,因为物质自身属性或技术限制,目前主要的燃料电池就几种。
 
  而氢燃料电池是最主要的一种,所以通常说“燃料电池”,往往指的就是“氢燃料电池”。
 
  除了氢之外,还有甲烷、甲醇、乙醇、锂(锂金属)镁、铝(前言提到的铝空燃料电池)等燃料电池。
 
  氢燃料电池系统组成
 
  专业的阴极阳极之类的机制定义不提了。
 
  简单而言,氢燃料电池是氢气和氧气在催化剂作用下进行电化学反应,生成水和电能的电池。
 
  前面提到,整个电池系统本质上就是个小发电机。
 
  发电需要燃料和氧化剂对吧,因此需要氢气供给系统、氧气(空气)供给系统;
 
  反应生成的副产物是水需要被带(吹)走,这是空气供给系统需要兼备的功能;
 
  反应放电的同时还产热,燃料电池工作时温度很高,因此需要强大的冷却系统;
 
  要对反应进行监控和管理,包括如何决定氢气供给的速度,因此需要一个电量管理系统;
 
  氢气是高危物质,万一泄漏了或者电池出故障了,会出大问题,因此除了监控之外,还需要一个报警系统。
 
  以上就构成了一个氢燃料电池即小型发电站。
 
  最后,电池工作的时候都会有负载,而因为燃料电池发的电不能储存,因此燃料电池往往也把动力输出系统附带在内,或是配上一个锂电池用来存电
 
  二、氢燃料电池的优点和制约
 
  前面提到,燃料电池有很多种,那么为什么氢燃料电池最受青睐呢?
 
  我们一个个来看。
 
  金属燃料电池,元素序列靠后的因为太重(如铁)而能量密度低,靠前的不是燃料贵(储量少)就是不稳定;而既相对便宜又相对稳定的,也就铝金属电池(铝空燃料电池)。但问题是能量密度也很低,且反应生成的产物会污染催化剂,或包裹住催化剂使反应减慢乃至停止;
 
  甲烷及甲醇(碳氢化合物)燃料电池,燃料来源广很便宜,能量密度比较高,但催化反应非常困难,因为反应产物会聚集在催化剂和电极上,目前技术迟迟无法突破;
 
  反观氢燃料电池,氢能源的能量密度(单位质量的氢燃烧放电释放的能量)极高;地球上基本没有单质氢存在,但是可以通过很多方式制得,燃料来源不受限制。反应的产物只有水,水直接用空气吹走就好了,不影响反应的继续;目前催化技术也相对成熟,但问题在于催化剂技术难度极高,
 
  80年来没有突破,至今还在用着80年前德国人发明的铂-铼催化。
 
  催化剂技术制约问题暂时放到一边,
 
  那么如果氢、甲烷(甲醇)燃料电池技术都取得突破了呢?
 
  这就得回归到,无论教科书(几乎是从小学开始)还是各种媒体、研报等都会反复提到的、几乎已成为常识的氢能优点。
 
  即基于第一性原理思考,氢能源堪称是一个理想化的能源。
 
  前面说到蓄电池跟燃料电池是两种不同的技术路线,本身的机理天然决定了,蓄电池的蓄电量是有容量上限的,这点是常识了,表现在汽车上就是续航有限制;燃料电池只受燃料多少制约,本质上是发电机嘛,理论上只要你不断补充燃料,就能一直发电,就像燃油车的续航取决于油箱容量一样;
 
  而且氢不但能效极高,来源广,而且反应只生成水,生命之源的水啊,多么绿色环保!
 
  反观甲烷之流的燃料电池,还排放二氧化碳呢!而二氧化碳可是地球变暖的罪魁祸首。
 
  两相对比,高下立判有木有!
 
  正因为如此美好和理想主义,才让无数研究者、政府、创业者、投资者趋之若鹜。
 
  然而理想很丰满,现实却很骨感。
 
  技术制约终归要面对,与此同时,氢本身的优势,也天然蕴含了缺陷。
 
  三、氢能应用的链条及难点
 
  氢燃料要规模化应用,从源头到终端运用,离不开氢气的制取、运输、储存、加注、使用等整个应用体系的链条。
 
  整个体系中,每一个链条都有比较大制约。
 
  制取环节,技术难度并不高,而且都是成熟的技术,目前氢气来源主要有三种:
 
  一是甲烷褐煤重整;二是氯碱化工(600618);三是电解水。
 
  甲烷褐煤重整制氢是目前大规模制氢最主要的方式,但制取的氢气杂质较多,如果要用于氢燃料电池,需要再净化提纯;
 
  氯碱化工中,氢气是副产物,目前作为“废氢”一般卖的比较便宜,中国目前因为有大量氯碱化工工业,因此“废氢”资源比较丰富;
 
  电解水制氢,是教科书氢能社会的标准来源,这种方式得到的氢气最纯净,但成本比较高,目前接近重整制取方式的4倍;
 
  运输环节,氢元素质量小、性质活泼,化学性质天然决定了这货是比较难管控的,地球的引力都无法束缚氢,因此运输难度比较高。主要有四种方式,一是液氢储罐运输,二是管道运输(目前没有),三是高压压缩氢气运输,四是转化为氢化物运输。
 
  液氢储罐运输。必须要先对氢气进行液化处理,氢气的沸点低,液化难度极高还需要极好的绝热处理(意味着成本也极高),液化过程中能量损失大(损失30%),且有蒸发损失,显然这是种极不经济的方式;
 
  管道运输。管道运输氢气,对管道的密封要求极高,因此建设成本必然高,过程中有蒸发损失,更重要的是,氢原子体积非常小,很容易钻到管道的材料中去,包括管壁、阀门等,而高中化学就告诉我们,氢元素有金属性,氢进入金属管道的材料中,会破坏材料本身的结构,造成氢脆问题。
 
  氢脆问题同样出在其他环节。(题外话,可控核聚变的其中一大技术难点就是这个)。
 
  高压压缩氢气运输,目前主要的运输方式,但同样部分存在上述其他运输方式的问题,通常会把氢气加压到70MPa(700个标准大气压),高小低成本的氢气压缩技术同样是一个难点,而700个标准大气压什么概念?这么说吧,每13米水深是一个标准大气压,700个就是9000米水深的压强,9000米水深,地球的海洋只有一个地方有这么深——马里亚纳海沟。
 
  中国之前最强的那个潜艇——蛟龙号,最大下潜深度也不过是7000多米。
 
  氢化物运输。就是通过把氢气跟其他物质结合形成相对稳定也更容易被液化的氢化物,运输到目的地之后再通过化工方式重整还原为氢气。日本就是通过这种方式,将在澳大利亚通过褐煤生产而来的氢气,通过储罐海运运回日本本土,再重新将氢化物还原。(是不是很折腾…折腾就是成本…)
 
  储存环节,面临的问题跟运输环节差不多,主要还是氢的挥发、隔热、高压、氢脆问题等,对储罐强度的要求极高,不但要高强度、抗冲击、绝热,还得要具备一定的延展性(因为随着氢气消耗,罐体因内部压力减小会有一定收缩),因此储罐必然结构复杂、重量大、制造成本高。
 
  另外,运输储存也绕不开加注环节,加注同样需要高压,此外,流体的压强是可传导处处相等的,也就是说,阀门、管道连接处跟罐体面临同样的压强;对阀门的密闭性要求极高,因为高压的原因,都需要特殊材料制造,同时也免不了氢脆问题。
 
  应用环节。终于可以到终端应用了,然而,问题一样不少。包括上述各个环节在内,都面临一个关键的问题——安全问题。氢气易泄漏也就罢了,关键还易燃易爆炸,爆炸的威力极大。
 
  客观来说,公众对氢气的安全问题担忧有些过头,首先,储氢罐是比较安全的(毕竟结构复杂重量大成本高),在非密闭空间(室外)发生氢气泄漏燃烧,是不会爆炸的,因为氢气密度小,燃烧的火焰通常会向上垂直延伸而非水平延伸,所以起火的危害较小(相对)。
 
  但是必须承认的是,储罐安全性高,不代表管路阀门等其他环节安全性也高;开阔空间安全性高,密闭空间(比如地下车库、隧道)那就不好说了。
 
  撇开这些不谈,假如都能解决,还有个更关键的问题。就是前面提到催化剂问题。
 
  前面提到,氢燃料电池不是什么新鲜技术,80年前就有了,80年后,使用的技术还是铂铼催化。
 
  铂铼催化剂中要用到大量的铂,这种金属大家都不陌生。产量非常低,贵。
 
  每年全球铂的产量是100吨,目前地球探明储量不过1万吨。如果全部用于生产燃料电池汽车,首先以目前的用量,未必够满足汽车生产需求;其次,随着燃料电池的市场规模扩大,对铂的需求提高,必然导致铂金涨价,进一步提高电池生产成本。
 
  同时,这种催化剂对环境极其敏感,尤其是大气中普遍含有的氮化物和硫化物,含量稍微高一点,铂铼催化剂在运行中就会不可逆地失去活性,此过程称为催化剂中毒。
 
  那么有没有可能不用铂铼催化剂而用别的催化剂?有这种可能,但是,八十年来都没有进展,你觉得出现新催化技术还需要多长时间,会是在十几年内吗?
 
  四、氢能源的理想国——背景及现状
 
  理解了上述对氢燃料电池的介绍,应该就知道这是个多大的坑了。
 
  可以说,每个环节都有巨大的问题,解决问题的方式,基本都是通过去产生更多的问题而实现,起码目前如此。
 
  那么,为何还有那么多人,小到普通民众、投资人、技术研究者,大到企业、国家,都对此充满期待并趋之若鹜呢?
 
  这就得从过去开始说起了。
 
  历史背景。
 
  从80年前德国人发明铂铼催化重整技术开始,氢燃料电池技术就有了;
 
  然后到阿波罗登月时期,NASA提出过技术设想,希望通过氢燃料电池技术为阿波罗飞船供电,因为产物是水,还能供宇航员使用,后面不了了之;
 
  之后,随着世界经济的发展,世界汽车数量逐渐庞大,二氧化碳排放量越来越高,同时国际原油价格不断上涨,对化石能源的质疑和对枯竭的担忧越重,人们对新能源的向往就越来越强烈,其中的应用场景以汽车为代表。
 
  直到2012年以前,人们对新能源汽车的认知主要就是太阳能汽车和燃料电池汽车(FCV)两种。至于为什么是2012年前后,因为直到特斯拉横空出世,充电电动汽车(EV)还是个广为人诟病的渣渣,这东西长得丑充电慢续航短而且性能还贼差,在人们设想的未来怎么可能有一席之地。哪怕从2012到最近一两年,充电和续航问题依然是EV的一大缺陷。
 
  与之相对应的是,氢燃料电池作为曾以为未来能源的终极形态,自然一直是研究的重点。
 
  在这方面,主要是日本、美国、德国三个国家投入最多。
 
  日本是其中走得最前也是落实最多的。多个方面的因素,一是汽车产业是日本经济的重要支柱,以丰田为代表的日本企业对技术创新和研发极为看中,其作为全球汽车巨擘的低位也提供了先天条件,从利益角度而言,燃料电池的各个关键技术,质子交换膜(日清纺),高性能碳纤维(三井),高压气阀(Fujikan)、催化剂材料(田中贵金属)等,都掌握在日本企业手里;
 
  二是日本是个崇尚绿色环保的国家,既跟文化因素有关,也与其高人口密度的社会属性有关;三是日本文化忧患意识非常强,岛国缺少自然资源,经济和能源对外部极度依赖,八九十年代恰好是日本核电建设浪潮,蓬勃发展的核电,为日本从民众到政府都提供了一种理想化的可能性——建立在廉价电力基础上的能源自主的氢能社会。日本政府从国家发展战略的高度,全产业布局氢能源,除了推动技术研究应用之外,还在全国推进建设氢能源的关键基础设施——加氢站。
 
  最终,核电基础上的廉价电力希望,最终终结于福岛核电事故。而理想国一般的氢能社会,虽然还在继续推进,但效果却严重不及预期。
 
  美国在小布什时期曾在政府层面大力推广氢燃料电池研究,同样也有原油价格不断上涨的推动力,凭借强大的科研实力和技术快速产业化能力,以及资本主义的高效率,美国形成了一波氢燃料电池的产业浪潮,大批研究项目设立,包括军方在内都在高度关注,创业公司大量涌现,创投资金蜂拥而入。只是没过多久,项目大规模流产,创业公司大批倒闭,军方的项目也不了了之,原来高氢燃料电池的从业者,大部分都转向去研究锂电池了。
 
  紧接着到了2013年左右,美国页岩气技术革命,从能源进口国转变为能源出口国,外加国际油价下跌,也再没有寻找替代能源的迫切需求。
 
  德国不用多说,在燃料电池方面的研究一直比较落后,但毕竟重视科学研究,技术底蕴深厚,同时也是汽车大国。作为欧盟核心成员国,对环保和降低碳排放非常重视,加上德国各个汽车企业,如奔驰、大众、宝马等,受到丰田的影响,对不同的技术路线都要有所关注。此外,德国海军的潜艇也采用了燃料电池AIP技术。
 
  话说回到中国,中国开始关注燃料电池,企业层面,是从雄韬股份开始;而政府以至于国家战略层面,也就是最近这一两年的事。
 
  雄韬股份这家企业,原来是做铅酸蓄电池起家的,并且是这个领域的龙头老大,在世界市场上也占据比较大的份额。21世纪以来,电池技术飞速发展,锂电池技术尤甚,按理来说以雄韬股份这样的企业,自然会跟进产业最新的发展,甚至去引领产业,为什么会错过如此重要的产业浪潮不得而知。
 
  不过,在锂电池技术最为蓬勃发展的2012年前后,恰好是雄韬股份谋划上市的时候,不排除正是出于上市需要,从财务稳健的考虑,而使雄韬画地为牢,最终眼睁睁看着无数后发的企业因赶上了锂电池产业的浪潮而迅速壮大。
 
  错过了锂电浪潮的雄韬股份,开始把希望寄托于押注氢燃料电池,借此弯道超车。从公开信息来看,其不但各种并购、入股等资本动作不断,还在积极与地方政府合作,谋划建立燃料电池产业基地,燃料电池应用示范等,其也是国内燃料电池的推动者和先行者。
 
  都是套路,企业和地方政府各取所需也各怀鬼胎,至于效果那就见仁见智了,大家都懂的。
 
  政府层面,则是从总理去年日本之行参观丰田开始。然后出了个关于氢燃料电池产业的报告,再后来就列入了国家产业规划。
 
  触发点就不臆测了。
 
  动机很容易理解,政治角度,中国面临与日本相似的问题,能源安全问题,环保问题;同时,中国在高铁、锂电池新能源、5G产业的所谓“弯道超车”上尝到了甜头,再有如此大规模的一个产业,不会不心动,何况还有“集中力量办大事”的“制度优势”;从积极客观的角度来看,中国发展氢燃料电池产业还有得天独厚的优势:
 
  首先,中国有广大的无人区,其中蕴藏着丰富的太阳能、风能资源,这些能源受并网条件、季节性和地域性的限制不能完全利用,借助中国特有的特高压输电技术和输电网络,以氢作为二次能源储能媒介,进行调峰储能,既能优化资源利用,还有促进落后地区发展平衡地域矛盾;
 
  其次,中国存在大规模的氯碱化工,每年有大量的氢气副产物产出。
 
  经济角度,国家战略层面的扶持,对加氢站等基础设施的投入,包括巨额补贴,虽然是看不到回报(从商业角度看性价比极低)的,但能够起到杠杆效应,调动社会资源投入(FCV),由此推动技术进步,可能促成产业发展(类似于赌一把)。
 
  但是,客观规律,不以任何人的意志为转移。
 
  五、氢燃料电池产业的未来之我见
 
  前面提到,氢燃料电池的功能就是个小型发电机,其主要的用途,除了燃料电池汽车(FCV:Fuel Cell Vehicle)之外,也就是储能了。
 
  其潜在应用场景就是商用和乘用的FCV;军用如战地应急能源,无人作战装置,潜艇;金融机构及数据中心的灾备UPS等。
 
  军用领域对特殊性能要求比较高对成本倒不太看重,氢燃料电池的低噪音、低红外指征,快速补能的特点,使之能在特殊军事场景下具备竞争优势;
 
  作为灾备应急能源也有一定的应用潜力;
 
  此外,汽车领域则是电池最大的应用场景,但在我看来,FCV(燃料电池汽车)不具备与EV(充电电动汽车)竞争的优势和可能性。
 
  在部分商用车应用场景中,FCV相对EV有一定优势,能够在一定期限内(比如10年内)对后者形成补充,然而在这些领域,FCV面临传统能源车的竞争而不具备优势。
 
  另外基于第一性原理思考——
 
  FCV在能量密度与性能、能量转化效率方面未必能比EV更好;在续航和补能这个目前已非核心要素的方面有一定优势,但优势随着EV的技术进步会不断被缩小;在此情况下,却有极大的成本劣势,这种劣势不因未来的技术突破而有根本性的改变,哪怕是最关键的催化剂技术取得突破。
 
  成本劣势体现在两个方面,一是系统技术难度高和复杂性高所注定的高制造、维护成本;二是燃料本身因更多的转化流程带来的更高能源成本。而汽车产业,100多年来作为工业化的代表,恰恰对成本(价格)极度敏感。
 
  若成本无法碾压式的降低,绝对无法形成有效的产业变革。
 
  题外话,做相关研究时,我看到燃料电池的相关创业者,论证看哈奥燃料电池汽车成本会降低因而前景好的时候,竟然把政府补贴也考虑在内。
 
  就这思维水平,创业要能成功那就有鬼了。
 
  上述也正是为什么,Elon Musk被问到关于FCV看法时,他直接干脆利落地批评FCV很愚蠢(Fool Cell Vehicle)——既然电能制氢之后,还是要用来发电驱动汽车,为何不直接用电?
 
  还有很关键的一点,纯电动是实现智能汽车的前提。
 
  FCV还属于半机械半电气的汽车,只有EV能完全实现电气化。而后者与前者在体验上的差距,随着时间推移,很可能出现碾压。
 
  这点正如智能手机替代功能机一样,当智能机刚出世的时候,人们尚在谈论功能手机的性能如何如何;但当智能机以与生俱来的基因不断飞速进化的时候,功能手机终将被彻底抛诸脑后。
 
  再退一步说,即便忽略二者电气和制造上的差异,FCV最终也不是EV的对手,原因在于基础设施。
 
  建造一个加氢站的成本,目前高达2000-4000万人民币,是同规模加油站的4倍以上,基于氢气和汽柴油天然的特性可知,即便日后技术突破,加氢站的成本也注定高于建设加油站。
 
  而同样的投入,足够建10-40个充电桩。
 
  这意味着即便二者处于同样起跑线同样的速度发展,EV最终的补能设施密度,也是FCV的10-40倍。
 
  农村包围城市。
 
  类比一下就很容易理解了,以前手机的电经常不够用,因此买手机的时候会特意关注电池续航、待机时间等;大家肯定都还记得“超长待机”一度是手机的重要卖点吧。再后来就没怎么关注手机续航了,基本够用就行,但随身会习惯带个充电线或充电宝;而现在,充电宝也不怎么带了,哪怕手机续航虽然变短,但各大商场和餐饮店铺都可以随时租借到充电宝,续航还是问题吗?
 
  在基本满足日常需要的基础上,有固然是锦上添花,没有也不会重要痛点。
 
  这就是最简单的用户诉求。
 
  如今的时代,遵从互联网规则,赢者通吃。
 
  FCV和EV两个技术路线竞争,最终大概率只有一个胜出。
 
  六、总结
 
  综上,作为短线投机客,我可能会择机去参与燃料电池的题材炒作(毕竟想象空间大、相信的人多、证伪周期长)。
 
  但作为一个专注于长期股权项目的投资者,我不会去投资这个行业。
 
  氢能社会的理想国,也许会在充电汽车成为绝对主流之后,仅仅只停留在教科书上,和人们记忆的幻想中。
 
  客观规律,不以任何人的意志为转移。
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