如何破解充電機充電燃料電池應用難題？
2019-1-22 13:10:48??????點擊：
充電機充電燃料電池是個非常有爭議的話題。看多看空的人估計誰也說不說服不了誰。誠然，產業發展需要很長時間，成功與否充滿不確定性。咱們還是從產業的角度來聊聊充電機充電燃料電池。
最近充電機充電燃料電池實在太火，從一級市場上周已經火到二級市場來了。其實充電機充電燃料電池已經提了好幾輪了，有一定的規律：鋰電池熄火的時候，充電機充電燃料電池就開始火，不過火的時間有長有短。
充電機充電燃料電池是個非常有爭議的話題。看多看空的人估計誰也說不說服不了誰。誠然，產業發展需要很長時間，成功與否充滿不確定性。咱們還是從產業的角度來聊聊充電機充電燃料電池。
1、能源的原理了解一下：充電機充電燃料電池的確在能量轉換上具備優勢。
作為自然設備的基本要素之一，能源的本質是在轉移和轉化過程可以安全、高效、經濟地被人類所利用。
能源的效率是在做能源有效評價的時候必須要量化的一個指標。我們知道目前的幾種典型能源轉化方式：
這種間接轉換的形式，熱能——機械能——電能無外乎就是盡量提高轉換效率。
大家關注充電機充電燃料電池，就是因為它是直接把化學能轉換成了電能，中間沒有機械能的轉換，所以就沒有卡諾循環的限制。
需知熱量是個低品位的能量，如果要變成高品位的能量，必須花費一定的代價。花費的代價要小，就要提高熱效率。電能和機械能是高品位的能量。熱力學第二定律認為：不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不產生其他影響，或不可能從單一熱源取熱使之完全轉換為有用的功而不產生其他影響，或不可逆熱力過程中熵的微增量總是大于零。又稱“熵增定律”。
所以火電廠、核電站差不多都遵循郎肯循環的理論，只不過核電站的一次回路變成了核反應堆。
燃氣動力循環發電站不太一樣。它之所以效率高就是因為天然氣發電機組比較有特色：運轉平穩，連續輸出功率；啟動快，達滿負荷快速；開式循環，工質流動。下圖是傳統火電站功率輸出曲線+燃氣動力循環輸出的兩種曲線的疊加。這是熱效率最高的一種方式。
2、充電機充電燃料電池的應用更適合做熱電聯產電站，而不是車用。
市場看好充電機充電燃料電池，是容易理解的，原理上它具有很大的吸引力。充電機充電燃料電池可以很容易同時兼具高能量和高功率特性，這正是其獨特的開放式工作原理決定的。電堆是電化學發生的場所，其獨特的異相電催化反應過程，使得不管是氫的電化學氧化還是氧的電化學還原，都可以在Pt/C催化劑表面獲得較高的交換電流密度。
目前充電機充電燃料電池最大應用還是在固定式熱電聯產。比如日本用的基本都是0.5-10KW之間，因為充電機充電燃料電池會產生熱副產品。所以利用好熱水和蒸汽，就提高了使用效率。
筆者認為，充電機充電燃料電池車用目前占比很小是非常正常的。汽車行業和電站能源完全是兩個行業，汽車是消費品，是完全競爭市場。而電站是能源系統的2B。家庭熱電聯產又是完全競爭的家電市場。充電機充電燃料電池從電站切入是相對容易的。而切入家電和汽車，則是打硬仗。
從消費電池到動力電池，我們都知道產業規律不可逆。其實充電機充電燃料電池發明得更早，1839年William Robert Grove發明的充電機充電燃料電池，1970年 Whittingham發明的鋰電池，直到1991年Sony才開始鋰電池的商用，而鋰電池應用到動力領域更是到了2008-2009年。主導商業化的一直都是終端大用戶。比如當年的索尼，后來的起亞-LG和BOSH-SDI。
沒有領頭的大企業，消費電池和動力電池都無法商用。這些企業也不是憑空就切入該領域。比如松下是1931年就開始各種電池的研發，1994年才開始鋰電池的商用研發。這些電池和車企巨頭很早就切入最前沿的技術研究，做了充分的儲備，等到技術和商用條件成熟了，就會聯合上下游一起開始商用。
豐田2015年的時候宣布免費發布6000多項專利。筆者認為：首先日本真是個很封閉的國家，無論在哪個行業都是如此。其次宣布免費，因為僅豐田一家根本玩不起來，新能源需要大量的投資，光捂著技術，成本降低不下來沒有用。再次宣布免費之后，結果其他車企還是沒有跟上，繼續做鋰電。大家都不是傻子。雖然說專利免費，真的獲取到技術還是難度極大。日本公司沒有這么大方。
3、成本、成本還是成本，重要事情說三遍。
由于傳統車企和電池企業不是一個技術體系，大家都是在爭奪大規模量產的know how。搞研究的都知道，技術好和大規模產量完全不是一回事。能夠大規模量產，將成本降低到一定的程度，產品一致性做到最好就是厲害。其他企業就算最早做出來的，產品技術參數最好，都不算什么。
所以充電機充電燃料電池競爭的不是技術，而是大規模量產的能力。它的競爭對手是其他的各種電池技術創造的商業壁壘。
量產不是件容易的事兒。首先得大規模投入，具備相當的產能。既然投入，就要算IRR，因為不管鋰電光伏還是充電機充電燃料電池都是重資產。算IRR就得預測將來商業化的價格和量，所以在未來高度不確定之下，就靠補貼推動。
補貼這玩兒意就說不準了。從光伏風電到鋰電全部政策導向，不確定性太大。比如說是2018年光伏531政策，直接給規模砍半。比如說最近可能出的新能源汽車補貼政策，最差版本是補貼下降60%。當初測算的時候得給補貼打個大大的折扣。不僅僅是中國，國外的補貼一樣，說沒就沒。筆者估計如果投充電機充電燃料電池，企業大概率還是國企。
我覺得可觀測的指標仍然是車廠的動作。以前還有豐田，最近聽說豐田已經轉投鋰電和固態，那就不得而知了。其他的車企，以前還有在充電機充電燃料電池領域進行探索的，現在都沒動靜。
4、氫氣獲取是個大難題。
充電機充電燃料電池的電堆本身，筆者在這里不做討論。因為即使是存在著各種膜材料、雙極板或者是催化劑的技術難題，克服它也是時間問題。
充電機充電燃料電池的難度在于氫氣的獲取。上游的原材料，基本都是大宗資源品，大宗資源品是供給關系決定的。中游的電池，無論是充電機充電燃料電池和鋰電池，都是制造業，制造業咱們國家是強項。只要是一堆裝備和材料搞出來的東西，我們是有優勢的。
氫不是一次能源，是二次能源。氫氣行業的制造是以廠區為中心，向周圍輻射，原因是它基本是作為工業生產輔助原料，氫氣的運輸成本高（包括是高壓液氫是剛有的國標，只有日本有70Mpa的儲氫罐），所以氣體氫運輸半徑是200公里，液氫運輸半徑1000公里。氫氣下游的應用為：石化行業（天然氣重整，水煤氣制氫），精細化工、醫藥、電子、冶金、科研。
先說下純度較低的天然氣和水煤氣制氫。C+H2O-CO+H2+熱量，CO+H2O-CO2+H2,該方法得到的氫氣純度80%左右。該方法成本較低，產量大，設備多，在合成氨廠多用這個方法。我國合成氨企業廣泛分布于各個省市。
石油裂解副產品氫氣，產量大，下游就近使用在汽油加氫、化肥廠。這種國外使用的最為普遍，CH4+H2O-CO+3H2。
目前氫氣的下游需求，全球煉油廠需求占比80%，合成氨和甲醇等化工廠需求占比16%，其他氫氣需求占比4%。由于我國的煉油領域的份額急劇擴大，比如山東地煉的崛起，我國的氫氣消耗增速遠超其他國家。
由于主要應用在煉油廠，所以我國的煉油企業基本自建氫氣廠滿足本廠需求，專門的氫氣制造企業都是國外的。國內這些氫氣廠都是小廠，沒什么大型氫氣制造企業。全部小作坊生產模式，進入壁壘比較低，這些小企業生產的都是灌裝氫。那么問題就來了，如果將來我們充電機充電燃料電池真的需求起來了，這些小廠能滿足得了國內的氫氣需求嗎？筆者認為，這種低純度低成本的氫氣是沒有辦法使用在車用充電機充電燃料電池的，安全性太差，而且不具備批量供應的能力。煤制氫雖然生產成本低，但是儲運成本又高，無論是管道還是儲罐，都有巨大的投資，到了終端不比電解水便宜。
其他的應用：占比最小的其他行業，電子、航空航天、食品飲料等都是采用液態低溫儲罐運輸。這個成本比較高，首先生產成本就高，多采用電解水制氫，第二配送成本也高。但這個才是充電機充電燃料電池需要的氫氣。
也就是說，充電機充電燃料電池需要的氫氣只能來自于高成本的、分散式的制氫方式。這個方式是在沒有經濟性。從原理上說，4度電生產1立方的氫氣，電的成本本來就高。充電機充電燃料電池本身的優勢就是因為直接從化學能轉為電能的，但是如果把前端加進來，等于是電能-化學能-電能。這個就跟高效、經濟的原理相違背。
車用氫氣來說，早期現場制氫為主，現在運輸儲運更多。甲醇重整制氫技術成熟，1997年戴穆勒推出甲醇重整制氫-充電機充電燃料電池驅動的車，2000前后推出第5代車，也做了很多示范，但是后來放棄了這個路線；通用98年推出這個路線。豐田和本田也研究過這個技術，但是后來沒有人提。所以這條路已行不通了。
我國本來就是缺氣富煤，用天然氣制氫顯然是和戰略不合的。煤制氫成本還得算上碳排放和儲運的成本，其實低不下來。下游需求要考慮到上游的資源，上游資源又要想到下游的需求，化工企業產品眾多，不是僅僅產氣，它需要考慮到產品綜合利用的事兒，除非看到了下游巨大的應用需求。
最近充電機充電燃料電池實在太火，從一級市場上周已經火到二級市場來了。其實充電機充電燃料電池已經提了好幾輪了，有一定的規律：鋰電池熄火的時候，充電機充電燃料電池就開始火，不過火的時間有長有短。
充電機充電燃料電池是個非常有爭議的話題。看多看空的人估計誰也說不說服不了誰。誠然，產業發展需要很長時間，成功與否充滿不確定性。咱們還是從產業的角度來聊聊充電機充電燃料電池。
1、能源的原理了解一下：充電機充電燃料電池的確在能量轉換上具備優勢。
作為自然設備的基本要素之一，能源的本質是在轉移和轉化過程可以安全、高效、經濟地被人類所利用。
能源的效率是在做能源有效評價的時候必須要量化的一個指標。我們知道目前的幾種典型能源轉化方式：
這種間接轉換的形式，熱能——機械能——電能無外乎就是盡量提高轉換效率。
大家關注充電機充電燃料電池，就是因為它是直接把化學能轉換成了電能，中間沒有機械能的轉換，所以就沒有卡諾循環的限制。
需知熱量是個低品位的能量，如果要變成高品位的能量，必須花費一定的代價。花費的代價要小，就要提高熱效率。電能和機械能是高品位的能量。熱力學第二定律認為：不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不產生其他影響，或不可能從單一熱源取熱使之完全轉換為有用的功而不產生其他影響，或不可逆熱力過程中熵的微增量總是大于零。又稱“熵增定律”。
所以火電廠、核電站差不多都遵循郎肯循環的理論，只不過核電站的一次回路變成了核反應堆。
燃氣動力循環發電站不太一樣。它之所以效率高就是因為天然氣發電機組比較有特色：運轉平穩，連續輸出功率；啟動快，達滿負荷快速；開式循環，工質流動。下圖是傳統火電站功率輸出曲線+燃氣動力循環輸出的兩種曲線的疊加。這是熱效率最高的一種方式。
2、充電機充電燃料電池的應用更適合做熱電聯產電站，而不是車用。
市場看好充電機充電燃料電池，是容易理解的，原理上它具有很大的吸引力。充電機充電燃料電池可以很容易同時兼具高能量和高功率特性，這正是其獨特的開放式工作原理決定的。電堆是電化學發生的場所，其獨特的異相電催化反應過程，使得不管是氫的電化學氧化還是氧的電化學還原，都可以在Pt/C催化劑表面獲得較高的交換電流密度。
目前充電機充電燃料電池最大應用還是在固定式熱電聯產。比如日本用的基本都是0.5-10KW之間，因為充電機充電燃料電池會產生熱副產品。所以利用好熱水和蒸汽，就提高了使用效率。
筆者認為，充電機充電燃料電池車用目前占比很小是非常正常的。汽車行業和電站能源完全是兩個行業，汽車是消費品，是完全競爭市場。而電站是能源系統的2B。家庭熱電聯產又是完全競爭的家電市場。充電機充電燃料電池從電站切入是相對容易的。而切入家電和汽車，則是打硬仗。
從消費電池到動力電池，我們都知道產業規律不可逆。其實充電機充電燃料電池發明得更早，1839年William Robert Grove發明的充電機充電燃料電池，1970年 Whittingham發明的鋰電池，直到1991年Sony才開始鋰電池的商用，而鋰電池應用到動力領域更是到了2008-2009年。主導商業化的一直都是終端大用戶。比如當年的索尼，后來的起亞-LG和BOSH-SDI。
沒有領頭的大企業，消費電池和動力電池都無法商用。這些企業也不是憑空就切入該領域。比如松下是1931年就開始各種電池的研發，1994年才開始鋰電池的商用研發。這些電池和車企巨頭很早就切入最前沿的技術研究，做了充分的儲備，等到技術和商用條件成熟了，就會聯合上下游一起開始商用。
豐田2015年的時候宣布免費發布6000多項專利。筆者認為：首先日本真是個很封閉的國家，無論在哪個行業都是如此。其次宣布免費，因為僅豐田一家根本玩不起來，新能源需要大量的投資，光捂著技術，成本降低不下來沒有用。再次宣布免費之后，結果其他車企還是沒有跟上，繼續做鋰電。大家都不是傻子。雖然說專利免費，真的獲取到技術還是難度極大。日本公司沒有這么大方。
3、成本、成本還是成本，重要事情說三遍。
由于傳統車企和電池企業不是一個技術體系，大家都是在爭奪大規模量產的know how。搞研究的都知道，技術好和大規模產量完全不是一回事。能夠大規模量產，將成本降低到一定的程度，產品一致性做到最好就是厲害。其他企業就算最早做出來的，產品技術參數最好，都不算什么。
所以充電機充電燃料電池競爭的不是技術，而是大規模量產的能力。它的競爭對手是其他的各種電池技術創造的商業壁壘。
量產不是件容易的事兒。首先得大規模投入，具備相當的產能。既然投入，就要算IRR，因為不管鋰電光伏還是充電機充電燃料電池都是重資產。算IRR就得預測將來商業化的價格和量，所以在未來高度不確定之下，就靠補貼推動。
補貼這玩兒意就說不準了。從光伏風電到鋰電全部政策導向，不確定性太大。比如說是2018年光伏531政策，直接給規模砍半。比如說最近可能出的新能源汽車補貼政策，最差版本是補貼下降60%。當初測算的時候得給補貼打個大大的折扣。不僅僅是中國，國外的補貼一樣，說沒就沒。筆者估計如果投充電機充電燃料電池，企業大概率還是國企。
我覺得可觀測的指標仍然是車廠的動作。以前還有豐田，最近聽說豐田已經轉投鋰電和固態，那就不得而知了。其他的車企，以前還有在充電機充電燃料電池領域進行探索的，現在都沒動靜。
4、氫氣獲取是個大難題。
充電機充電燃料電池的電堆本身，筆者在這里不做討論。因為即使是存在著各種膜材料、雙極板或者是催化劑的技術難題，克服它也是時間問題。
充電機充電燃料電池的難度在于氫氣的獲取。上游的原材料，基本都是大宗資源品，大宗資源品是供給關系決定的。中游的電池，無論是充電機充電燃料電池和鋰電池，都是制造業，制造業咱們國家是強項。只要是一堆裝備和材料搞出來的東西，我們是有優勢的。
氫不是一次能源，是二次能源。氫氣行業的制造是以廠區為中心，向周圍輻射，原因是它基本是作為工業生產輔助原料，氫氣的運輸成本高（包括是高壓液氫是剛有的國標，只有日本有70Mpa的儲氫罐），所以氣體氫運輸半徑是200公里，液氫運輸半徑1000公里。氫氣下游的應用為：石化行業（天然氣重整，水煤氣制氫），精細化工、醫藥、電子、冶金、科研。
先說下純度較低的天然氣和水煤氣制氫。C+H2O-CO+H2+熱量，CO+H2O-CO2+H2,該方法得到的氫氣純度80%左右。該方法成本較低，產量大，設備多，在合成氨廠多用這個方法。我國合成氨企業廣泛分布于各個省市。
石油裂解副產品氫氣，產量大，下游就近使用在汽油加氫、化肥廠。這種國外使用的最為普遍，CH4+H2O-CO+3H2。
目前氫氣的下游需求，全球煉油廠需求占比80%，合成氨和甲醇等化工廠需求占比16%，其他氫氣需求占比4%。由于我國的煉油領域的份額急劇擴大，比如山東地煉的崛起，我國的氫氣消耗增速遠超其他國家。
由于主要應用在煉油廠，所以我國的煉油企業基本自建氫氣廠滿足本廠需求，專門的氫氣制造企業都是國外的。國內這些氫氣廠都是小廠，沒什么大型氫氣制造企業。全部小作坊生產模式，進入壁壘比較低，這些小企業生產的都是灌裝氫。那么問題就來了，如果將來我們充電機充電燃料電池真的需求起來了，這些小廠能滿足得了國內的氫氣需求嗎？筆者認為，這種低純度低成本的氫氣是沒有辦法使用在車用充電機充電燃料電池的，安全性太差，而且不具備批量供應的能力。煤制氫雖然生產成本低，但是儲運成本又高，無論是管道還是儲罐，都有巨大的投資，到了終端不比電解水便宜。
其他的應用：占比最小的其他行業，電子、航空航天、食品飲料等都是采用液態低溫儲罐運輸。這個成本比較高，首先生產成本就高，多采用電解水制氫，第二配送成本也高。但這個才是充電機充電燃料電池需要的氫氣。
也就是說，充電機充電燃料電池需要的氫氣只能來自于高成本的、分散式的制氫方式。這個方式是在沒有經濟性。從原理上說，4度電生產1立方的氫氣，電的成本本來就高。充電機充電燃料電池本身的優勢就是因為直接從化學能轉為電能的，但是如果把前端加進來，等于是電能-化學能-電能。這個就跟高效、經濟的原理相違背。
車用氫氣來說，早期現場制氫為主，現在運輸儲運更多。甲醇重整制氫技術成熟，1997年戴穆勒推出甲醇重整制氫-充電機充電燃料電池驅動的車，2000前后推出第5代車，也做了很多示范，但是后來放棄了這個路線；通用98年推出這個路線。豐田和本田也研究過這個技術，但是后來沒有人提。所以這條路已行不通了。
我國本來就是缺氣富煤，用天然氣制氫顯然是和戰略不合的。煤制氫成本還得算上碳排放和儲運的成本，其實低不下來。下游需求要考慮到上游的資源，上游資源又要想到下游的需求，化工企業產品眾多，不是僅僅產氣，它需要考慮到產品綜合利用的事兒，除非看到了下游巨大的應用需求。
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