中國(guó)氫燃料電池汽車技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及前景

黃亞娟

摘 要：氫燃料電池汽車是我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)一條重要的技術(shù)路線，由于部分核心技術(shù)、成本、產(chǎn)業(yè)鏈、基礎(chǔ)設(shè)施等諸多問題尚未解決，嚴(yán)重限制了氫燃料電池汽車的發(fā)展與推廣前景。基于此，以下首先對(duì)氫燃料電池技術(shù)原理與應(yīng)用展開闡述，其次研究國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，探討中國(guó)氫燃料電池行業(yè)和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，以供參考。

關(guān)鍵詞：氫燃料電池汽車技術(shù);發(fā)展現(xiàn)狀;發(fā)展前景

1 前言

氫燃料電池汽車技術(shù)由于其清潔無污染、續(xù)航里程長(zhǎng)、加注時(shí)間短等優(yōu)勢(shì)，各國(guó)都在開展相關(guān)技術(shù)的研究，我國(guó)在氫燃料電池汽車研究方面與國(guó)外尚有較大差距。因此，研究氫燃料電池汽車的技術(shù)原理、行業(yè)現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)我國(guó)氫燃料電池汽車技術(shù)發(fā)展具有重要意義。

2 氫燃料電池核心技術(shù)原理與主要應(yīng)用

2.1 核心原理

所謂氫燃料電池技術(shù)，是指將燃料之中蘊(yùn)含的化學(xué)能由電化學(xué)變成電能的一種發(fā)電設(shè)備[1]。單體電池結(jié)構(gòu)由燃料、氧化劑兩種正負(fù)電極、電解質(zhì)構(gòu)成，其中電解質(zhì)兩側(cè)具有兩個(gè)隔膜，可以分別起到氫氧化、氫還原兩種反應(yīng)，再由電子經(jīng)過外負(fù)載時(shí)形成電力能源。此技術(shù)具有熱機(jī)與電池兩方面優(yōu)點(diǎn)，不僅轉(zhuǎn)換速度快，污染小，無噪音，還能在低溫情況下工作。如果僅將氫氣作為燃料，通過化學(xué)反應(yīng)得到水，可實(shí)現(xiàn)零排放。而且氫氣變水主要原理為放熱反應(yīng)，在轉(zhuǎn)換過程中形成蒸汽與熱水，除了供應(yīng)電力能源，還能起到供暖效果。氫燃料電池被認(rèn)為是未來清潔環(huán)保的理想技術(shù)，是終極新能源動(dòng)力解決方案。從理論上講，燃料電池在轉(zhuǎn)換能量過程中效率幾乎可達(dá)90%左右，但在實(shí)踐過程中受多種因素影響，現(xiàn)階段燃料電池實(shí)際能量轉(zhuǎn)換效率基本在50%左右。

常用的燃料電池按其電解質(zhì)不同，可分為：PEMFC（質(zhì)子交換膜）、SOFC（固體氧化物）、MCFC（熔融碳酸鹽）、AFC（堿性）及PAFC（磷酸）等。其中質(zhì)子交換膜燃料電池因操作溫度低、啟動(dòng)速度快，是一種環(huán)保、高效與高功率密度的發(fā)電方式，廣泛適用于各個(gè)領(lǐng)域，包括交通、備電和移動(dòng)設(shè)備領(lǐng)域，特別是在零排放交通動(dòng)力應(yīng)用方面具有極其誘人的前景;其他幾種燃料電池技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域相對(duì)單一，例如：MCFC和PAFC適用于固定式燃料電池電站、家用熱電聯(lián)產(chǎn);SOFC主要用于固定式和便攜式電源;甲醇重整燃料電池（DMFC）多用于移動(dòng)設(shè)備、小型交通工具和小型備用電源設(shè)施。質(zhì)子交換膜燃料電池結(jié)構(gòu)單元主要由膜電極組件和雙極板構(gòu)成，其中膜電極組件是由質(zhì)子交換膜、催化劑與氣體擴(kuò)散層組合而成，是反應(yīng)發(fā)生的場(chǎng)所;雙極板是帶流道的金屬或石墨薄板。

氫燃料電池系統(tǒng)以電堆為核心發(fā)電單元，電堆是氫氣和氧氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)及產(chǎn)生電能的場(chǎng)所，是燃料電池基本原理得以實(shí)現(xiàn)的核心物質(zhì)載體。鑒于單個(gè)燃料電池單元輸出功率較小，通常將多個(gè)燃料電池單元以串聯(lián)方式層疊組合、各個(gè)單體之間嵌入密封件以構(gòu)成電堆來提高整體輸出功率。除電堆以外，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)還需要一系列輔助系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)其功能。燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)主要由燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)、電壓變換器（DC/DC）、車載氫系統(tǒng)（車載高壓儲(chǔ)氫瓶和配套閥件）等構(gòu)成，其中燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)主要包括電堆、發(fā)動(dòng)機(jī)控制器、氫氣供給系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、水熱管理系統(tǒng)等。相較于傳統(tǒng)燃油車或純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

2.2 主要應(yīng)用領(lǐng)域

燃料電池最初的應(yīng)用在航天領(lǐng)域，20世紀(jì)60年代，NASA（美國(guó)國(guó)家航空航天局）將燃料電池應(yīng)用于雙子星航天飛船。20世紀(jì)70年代，石油危機(jī)引起能源恐慌，氫能作為一種新興清潔能源開始受到各國(guó)政府關(guān)注。20世紀(jì)90年代，國(guó)際知名車企奔馳、福特等紛紛推出燃料電池概念車。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著燃料電池汽車技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，豐田Mirai，本田Clarity，奔馳F-cell，現(xiàn)代Nexo等燃料電池量產(chǎn)車型先后上市，燃料電池汽車進(jìn)入落地階段[2]。

3 氫燃料電池汽車現(xiàn)狀分析

在全世界氫燃料電池技術(shù)專利排名中，中國(guó)位居第五，主要因?yàn)橹袊?guó)這方面專利大都是由高校或研究院所申請(qǐng)，企業(yè)專利申請(qǐng)數(shù)量較低。從技術(shù)類型看，中國(guó)更加注重PEMFC（質(zhì)子交換膜）燃料電池類型，從技術(shù)內(nèi)容看，中國(guó)更加注重催化劑與電極細(xì)節(jié)，但總體核心技術(shù)專利數(shù)量較少?，F(xiàn)階段中國(guó)與日本等燃料電池技術(shù)領(lǐng)先國(guó)家相比技術(shù)差距較大，尤其是在燃料電池乘用車技術(shù)方面差距明顯。中國(guó)目前主要還停留在研發(fā)過程階段，在安全、可靠、功率等量產(chǎn)相關(guān)性能方面以及部分核心部件、材料產(chǎn)業(yè)化方面尚有諸多技術(shù)需要攻克[3]。

從國(guó)內(nèi)外燃料電池乘用車性能參數(shù)對(duì)比情況來看，國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品技術(shù)差距較大。國(guó)外產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)領(lǐng)先且具備一定的商品化能力，當(dāng)前研發(fā)重點(diǎn)在于降低成本、提升性能、提高使用便捷性，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品尚處于前期研發(fā)階段。日本、韓國(guó)在整車性能方面優(yōu)勢(shì)明顯，在電堆的功率密度、耐久性、輸出功率等指標(biāo)方面處于領(lǐng)先。

日韓政府及產(chǎn)業(yè)界對(duì)燃料電池未來期望較高。TOYOTA是當(dāng)之無愧的領(lǐng)頭羊，相關(guān)研究起步早，測(cè)試驗(yàn)證資源積累多，掌握了大量燃料電池核心技術(shù)，當(dāng)前重點(diǎn)研發(fā)方向是小型化、集成化、低成本，并提出下一代燃料電池系統(tǒng)性能提升20-30%，成本減半的目標(biāo)，其推廣的重點(diǎn)是擴(kuò)大燃料電池在大巴、叉車、卡車、火車、家庭儲(chǔ)能等領(lǐng)域應(yīng)用，通過尋求跨行業(yè)合作的商業(yè)模式創(chuàng)新，逐步擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域?，F(xiàn)代汽車于2013年在現(xiàn)代蔚山工廠下線第一輛量產(chǎn)版燃料電池車，2018年搭載現(xiàn)代第四代燃料電池的現(xiàn)代Nexo發(fā)布，現(xiàn)代氫燃料電池汽車技術(shù)整體處于國(guó)際先進(jìn)水平，并計(jì)劃開放氫燃料電池系統(tǒng)，以擴(kuò)大商業(yè)化規(guī)模，加快該技術(shù)的應(yīng)用推廣。

由于研發(fā)成本高、產(chǎn)業(yè)化周期長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)外主流車企主要采取合作結(jié)盟方式分?jǐn)偝杀尽，F(xiàn)代與奧迪就氫燃料電池電動(dòng)汽車組件和技術(shù)，簽訂了多年期專利交叉許可協(xié)議;本田與戴姆勒、福特聯(lián)合簽署燃料電池車商用化計(jì)劃基礎(chǔ)上，2017年與通用在美國(guó)成立合資公司合作生產(chǎn)氫動(dòng)力燃料電池系統(tǒng);豐田與寶馬簽署“共同開發(fā)燃料電池系統(tǒng)”協(xié)議基礎(chǔ)上，2018年，與本田、日產(chǎn)等11家企業(yè)合資成立Japan H 2 Mobility（JHyM）的合資公司，合建加氫站。

從國(guó)內(nèi)來看，上汽氫燃料電池汽車研發(fā)起步相對(duì)較早，通過開展合資合作布局，投資培育了新源動(dòng)力、廣順、斯林達(dá)等核心配套企業(yè)，近兩年依托大通、申沃在加大燃料電池客車的開發(fā)力度。長(zhǎng)城計(jì)劃構(gòu)建600人氫燃料電池團(tuán)隊(duì)，2022年WEY品牌推出首款氫燃料電池量產(chǎn)車型。廣汽集團(tuán)也提出了2020年燃料電池汽車示范運(yùn)行的目標(biāo)。除此之外，一汽、東風(fēng)、北汽等國(guó)內(nèi)其他主機(jī)廠也都在開展燃料電池技術(shù)的開發(fā)。

4 氫燃料電池汽車行業(yè)趨勢(shì)分析

未來世界能源系統(tǒng)將向清潔低碳轉(zhuǎn)型，氫能具備長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的前景。中國(guó)氫能來源廣泛，既有大量的工業(yè)副產(chǎn)氫，又有大量的棄風(fēng)棄光電、低谷電等可供制氫的存量資源，發(fā)展利用氫能可有效應(yīng)對(duì)能源環(huán)境問題。但由于氫能-燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前景受制于燃料電池的技術(shù)進(jìn)步、成本下降、規(guī)模增加、氫源供應(yīng)的豐富化、加氫站數(shù)量等因素影響，氫經(jīng)濟(jì)的實(shí)現(xiàn)相對(duì)漫長(zhǎng)。發(fā)達(dá)國(guó)家普遍瞄準(zhǔn)2030-2040年后實(shí)現(xiàn)氫經(jīng)濟(jì);中國(guó)將實(shí)現(xiàn)氫經(jīng)濟(jì)作為中長(zhǎng)期目標(biāo)。2016年10月，中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》指出，到2020年，燃料電池汽車在公共服務(wù)領(lǐng)域的示范應(yīng)用要達(dá)到5000輛規(guī)模;到2025年，實(shí)現(xiàn)氫燃料電池汽車的推廣應(yīng)用，規(guī)模達(dá)到5萬輛;到2030年，實(shí)現(xiàn)氫燃料電池汽車的大規(guī)模推廣應(yīng)用，氫燃料電池汽車規(guī)模超過一百萬輛。《中國(guó)制造2025》也提出，“到2025年，燃料電池堆系統(tǒng)可靠性和經(jīng)濟(jì)性大幅提高，和傳統(tǒng)汽車、電動(dòng)汽車相比具有一定的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)和市場(chǎng)化推廣?！?/p>

從能源利用效率、系統(tǒng)成本及技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析，氫燃料電池汽車?yán)m(xù)航里程長(zhǎng)、加氫快、兼顧環(huán)保，可以成為電動(dòng)化的有益補(bǔ)充。氫燃料電池汽車更適宜商用車/大型長(zhǎng)距離乘用車。氫燃料電池汽車預(yù)計(jì)將首先在公共領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破，在政策支持下，短中期將以商用車的區(qū)域性示范運(yùn)營(yíng)為主。當(dāng)前中國(guó)燃料電池汽車發(fā)展路徑，前期通過商用車發(fā)展，規(guī)模化降低燃料電池和氫氣成本，同時(shí)帶動(dòng)加氫站配套設(shè)施建設(shè)，后續(xù)逐步拓展到私人用車領(lǐng)域。

從政策法規(guī)趨勢(shì)來看，氫燃料電池汽車的發(fā)展短中期將以政策驅(qū)動(dòng)為主。當(dāng)前燃料電池技術(shù)和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)薄弱，預(yù)計(jì)短中期較難實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的突破，仍需依靠政府補(bǔ)貼、雙積分引導(dǎo)、科研項(xiàng)目等扶持政策推動(dòng)。

此外，氫燃料電池汽車的發(fā)展具有區(qū)域性的特點(diǎn)。從政策導(dǎo)向、集群效應(yīng)、成本約束等方面看，氫燃料電池汽車的發(fā)展將受到區(qū)域性氫經(jīng)濟(jì)的限制，按照有關(guān)部門2016年提出的《中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍(lán)皮書》來看，2020年中國(guó)各地加氫站數(shù)量可在100以上，2025年達(dá)到1000之上[4]，短中期難以全面鋪開。

5 燃料電池汽車技術(shù)趨勢(shì)分析

總體來看，氫燃料電池汽車技術(shù)還需大幅提升。國(guó)際上正在開展新一輪技術(shù)研發(fā)，力爭(zhēng)突破發(fā)電效率、成本、耐久性、環(huán)境適應(yīng)性、儲(chǔ)氫等關(guān)鍵技術(shù)，而國(guó)內(nèi)在關(guān)鍵材料、關(guān)鍵零部件和整車集成等方面仍有較大差距。

從技術(shù)趨勢(shì)來看，整車方面，將逐步實(shí)現(xiàn)全功率、高續(xù)航，并不斷提升動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、耐久性、環(huán)境適應(yīng)性并減低成本;儲(chǔ)氫系統(tǒng)方面，將逐步實(shí)現(xiàn)70MPa高壓儲(chǔ)氫，實(shí)現(xiàn)更高的質(zhì)量?jī)?chǔ)氫率和體積儲(chǔ)氫密度;電堆方面，將逐步降低鉑載量、提高可靠性和耐久性、提高功率密度和低溫啟動(dòng)性能等。

從成本方面來看，氫燃料電池汽車整車成本短中期仍高于電動(dòng)車。燃料電池系統(tǒng)占整車成本約50%，其中電堆占系統(tǒng)成本的60%，未來通過規(guī)模、技術(shù)突破、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等降本，預(yù)計(jì)成本會(huì)有一定的降低，但短期內(nèi)成本低于電動(dòng)車難度較大，未來成本控制是市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵，通過擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域（如公共交通、應(yīng)急發(fā)電、家庭儲(chǔ)能等），開展聯(lián)盟合作，實(shí)現(xiàn)規(guī)模效應(yīng)和降低研發(fā)成本是趨勢(shì)。

從氫能產(chǎn)業(yè)鏈來看，氫能產(chǎn)業(yè)鏈（制氫、氫氣儲(chǔ)運(yùn)和加氫站等）的發(fā)展對(duì)燃料電池汽車的推廣普及至關(guān)重要，但我國(guó)氫能-燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈總體處于起步階段，尚未形成系統(tǒng)規(guī)模。氫能來源廣泛，但相關(guān)體系尚未形成，仍需統(tǒng)籌規(guī)劃制氫產(chǎn)業(yè);設(shè)備供應(yīng)鏈逐漸完善，但加氫站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)欠缺，相關(guān)法規(guī)也有待完善，此外還存在國(guó)內(nèi)部分關(guān)鍵材料技術(shù)空白等系列問題需要解決。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上，未來世界能源系統(tǒng)將向清潔低碳轉(zhuǎn)型，氫能具備長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展前景，中國(guó)將實(shí)現(xiàn)氫經(jīng)濟(jì)作為中長(zhǎng)期發(fā)展目標(biāo)。氫燃料電池汽車技術(shù)在技術(shù)、成本、產(chǎn)業(yè)鏈、基礎(chǔ)設(shè)施等方面仍有諸多問題需要突破，由此，企業(yè)在制定相關(guān)戰(zhàn)略時(shí)應(yīng)充分考慮國(guó)家、地方政策導(dǎo)向，設(shè)立階段目標(biāo)分步推進(jìn)，此外，要重視合作與結(jié)盟，通過合作共享資源、降低投入成本，共同推動(dòng)燃料電池汽車時(shí)代的到來。

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