氫燃料電池汽車的現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢

何家海

摘 要：為了提高系統(tǒng)的能源靈活性和延長燃料電池的使用壽命，目前使用氫燃料電池的汽車主要采用以燃料電池為基礎(chǔ)的混合能源系統(tǒng)，提供備用電力作為輔助能源。如何分配有源能源和輔助能源是需要解決的一個優(yōu)先問題，這是整個能源管理戰(zhàn)略的中心內(nèi)容。在此基礎(chǔ)上，分析了改進氫燃料電池汽車整體能源管理策略的途徑。目的通過氫燃料管理和提高生命周期節(jié)約能源策略，提高氫燃料電池汽車系統(tǒng)部件的使用壽命，實現(xiàn)能源之間的最佳能量分配，促進氫燃料電池汽車行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：氫電池 汽車 現(xiàn)狀 發(fā)展

Abstract：In order to improve the energy flexibility of the system and extend the service life of fuel cells， the current vehicles using hydrogen fuel cells mainly use fuel cell-based hybrid energy systems， providing backup power as auxiliary energy. The allocation of active and auxiliary energy is a priority issue that needs to be addressed， which is central to the overall energy management strategy. On this basis， the ways to improve the overall energy management strategy of hydrogen fuel cell vehicles are analyzed. Through hydrogen fuel management， the life cycle energy saving strategies is improved， improving the service life of hydrogen fuel cell vehicle system components， achieving optimal energy distribution between energy sources， and promoting the sustainable development of hydrogen fuel cell automotive industry.

Key words：hydrogen battery， automobile， current situation， development

1 引言

在全球向綠色低碳技術(shù)轉(zhuǎn)型的趨勢下， 氫作為一種清潔高效的可再生能源，已成為能源技術(shù)發(fā)展的新方向。世界各國正在加速形成以氫能為核心的全球產(chǎn)業(yè)鏈。氫動力汽車是一種具有廣闊發(fā)展前景的新型能源汽車。雖然氫動力汽車的發(fā)展前景廣闊，但在核心部件的研究和開發(fā)方面存在一些問題，氫燃料電池的生產(chǎn)難度大，許多關(guān)鍵技術(shù)沒有突破。氫燃料電池是在催化劑的作用下，將化學反應(yīng)產(chǎn)生的能量直接轉(zhuǎn)化為電能，可以實現(xiàn)高能量轉(zhuǎn)換效率而無污染，保持了生態(tài)平衡。

2 氫能源的分類及優(yōu)勢

2.1 分類

可再生能源的主要來源是電力和氫氣，它們在節(jié)能和儲能方面相輔相成，是無碳工業(yè)不可或缺的原材料。中國可再生能源裝機容量居世界第一。為高純度碳氫化合物的發(fā)展提供了巨大機遇。李毅部長說“灰色氫是不可取的，藍色氫是可以利用的，殘留氫是可以回收的，綠色氫是方向。”目前，能源鏈中90%的氫能源來自傳統(tǒng)的干氣制氫和天然氣礦物燃料制氫，避免大量的二氧化碳排放量。藍氫占不可再生能源產(chǎn)生的氫能源的9%，但已達到低二氧化碳排放閾值。藍氫的生產(chǎn)有望在未來持續(xù)增長。1%的氫能屬于綠氫，來自風能、太陽能等可再生能源。綠氫實現(xiàn)了零二氧化碳排放的最終目標。

2.2 優(yōu)勢

目前，國內(nèi)氫能工業(yè)雖然處于發(fā)展初期，但已取得積極進展。氫能的優(yōu)勢首先是技術(shù)優(yōu)勢。氫能利用技術(shù)可分為上游制氫技術(shù)、中游儲氫輸送技術(shù)、下游加氫技術(shù)和最終應(yīng)用。2020年是全球氫能加速發(fā)展的一年，二氧化碳排放量達到峰值。根據(jù)碳中和戰(zhàn)略進行中和是中國氫能發(fā)展的第一推動力。這為加快氫能利用技術(shù)的研究和氫能最終應(yīng)用的開發(fā)提供了良好的基礎(chǔ)。氫燃燒產(chǎn)物是水，是世界上最清潔的能源，符合低碳排放的要求。氫可以適應(yīng)寒冷的氣候，并且不受電網(wǎng)的影響，不受電池壽命的影響。在工業(yè)中，氫氣的效率不受負荷的影響，可以快速加入能源。

（1）充電時間短。目前，普通可充電電動汽車充電到滿載狀態(tài)需要30分鐘，車輛能夠行駛幾個小時。對于氫燃料電力機車，它不需要充電，只需要充氫。充氫瓶所需時間小于5分鐘，大大縮短了充氫時間。

（2）更長的耐力。目前，根據(jù)寶馬的結(jié)論，氫動力汽車可以行駛480公里。如果傳統(tǒng)可充電電動汽車的續(xù)航里程達到480公里，電池的容量必須大大超過氫儲存罐的容量。因此，在相同體積下，會提供更長的航行時間。

（3）不怕霜凍，性能更穩(wěn)定。眾所周知，電池損耗是一個不可逆轉(zhuǎn)的過程。隨著充放電次數(shù)的增加，電池的峰值性能將越來越低。在北方的朋友，無論是在電力機車上還是在手機上工作，都會感覺到，而且他們的性能大大降低，甚至無法正常放電。然而，氫燃料電力機車不會受到這兩種情況的影響。寶馬iX5氫燃料版本已經(jīng)在北極圈進行了測試，結(jié)果表明iX5在-20°C的低溫下保持了最佳性能。

3 我國現(xiàn)有氫燃料電池汽車行業(yè)發(fā)展概述

中國發(fā)展氫燃料電池汽車起步較晚，但經(jīng)過多年的努力和國家有關(guān)部門在政策、資金等方面的大力支持，中國在氫燃料電池汽車的發(fā)展上取得了長足的進步。目前，中國市場的氫燃料電池汽車也開始規(guī)?；?，形成了系統(tǒng)完善的產(chǎn)業(yè)鏈。一是在政策支持方面，有關(guān)部門高度重視發(fā)展以新能源為基礎(chǔ)的汽車，出臺了一系列政策支持文件。與此同時，中國加大了對氫燃料電池汽車的補貼力度，從這個角度來看，中國相關(guān)部委和政策機構(gòu)已經(jīng)做出了巨大努力。此外，從整體市場產(chǎn)業(yè)發(fā)展的角度來看，目前我國以氫燃料電池汽車為主的產(chǎn)業(yè)鏈，已經(jīng)具備了自主完成從制氫到儲氫，以及燃料電池和車輛的系統(tǒng)生產(chǎn)鏈的能力。通過系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，我國在氫燃料電池汽車市場上具有一定的規(guī)模經(jīng)濟優(yōu)勢，目前仍有許多綜合性企業(yè)通過金融并購股票的方式，在氫燃料電池汽車中逐步向前發(fā)展，不斷完善和豐富我們在該行業(yè)的布局和空間規(guī)劃。三是在技術(shù)支撐領(lǐng)域，氫燃料汽車行業(yè)的發(fā)展，只有擁有自主所有權(quán)和相關(guān)技術(shù)專利，才能在未來掌握這一領(lǐng)域的關(guān)鍵競爭力，目前我國在這一領(lǐng)域取得了新的突破，在此基礎(chǔ)上形成了自主知識產(chǎn)權(quán)，與國際領(lǐng)先水平與發(fā)展動態(tài)相匹配。

4 新能源汽車發(fā)展現(xiàn)狀

我國氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起步較晚，但經(jīng)過多年的努力和國家有關(guān)部門在政策和資金方面的大力支持，我國氫能源電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展取得了長足進步。目前，中國市場上的氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)已開始規(guī)?；纬闪讼到y(tǒng)完整的產(chǎn)業(yè)鏈。

4.1 新能源汽車在市場消費中存在不平衡的問題

我國新能源汽車消費在區(qū)域消費中存在著不平衡性。主要表現(xiàn)在東部新能源消費活躍，西部新能源消費低，城市新能源消費高，農(nóng)村新能源消費緩慢。一是東部地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平較高，基礎(chǔ)設(shè)施相對完善，環(huán)保消費意識明顯增強，新能源汽車在東部地區(qū)占有一定的市場地位。由于經(jīng)濟發(fā)展滯后和基礎(chǔ)設(shè)施不足，新能源消費受到限制。第二，在有充電站的城市，使用新能源發(fā)動機不是一個主要問題，而是在農(nóng)村地區(qū)。由于生活條件差，交通落后，新能源汽車在農(nóng)村無法得到很好的發(fā)展。

4.2 燃料電池技術(shù)發(fā)展水平有待提高

目前，我國氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的技術(shù)、知識產(chǎn)權(quán)和專利主要集中在整體汽車制造及相關(guān)行業(yè)，而與氫燃料電池相關(guān)的基礎(chǔ)研究也存在相對落后的方面。對于新型燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，燃料電池和汽車動力部件是關(guān)鍵和核心。在這方面，中國與世界領(lǐng)先水平仍有差距。例如，目前我國氫燃料電池的生產(chǎn)能力約為2kW，而國外先進水平已超過3.1kW。因此，下一步需要對氫燃料電池和電池組的基礎(chǔ)研究進行更多的研究和探索。

4.3 氫燃料電池汽車生產(chǎn)成本有待降低

與傳統(tǒng)能源電池和傳統(tǒng)汽車相比，氫燃料電池的釋放基于更環(huán)保和高效的資源。然而，如何更有效地控制氫燃料電池的生產(chǎn)成本，降低汽車的整體生產(chǎn)成本，提高汽車的整體盈利能力，也值得關(guān)注。目前，中國自主生產(chǎn)的氫燃料電池汽車的生產(chǎn)成本接近總成本的65%，這一比例仍然較高。

4.4 氫能源供應(yīng)體系有待健全

對于使用氫燃料電池的車輛，僅完成車輛的綜合生產(chǎn)和銷售是遠遠不夠的。更重要的是如何實現(xiàn)系統(tǒng)的后期改進和氫氣的輕松供應(yīng)。盡管我國在氫資源的生產(chǎn)和運輸方面取得了長足進展，但市場上現(xiàn)有的加氫站不僅規(guī)模小，而且缺乏統(tǒng)一的市場監(jiān)管體系，導致氫氣質(zhì)量不符合使用要求或成本高，這嚴重阻礙了氫燃料電池汽車的發(fā)展和運營。

5 氫燃料電池汽車的關(guān)鍵技術(shù)

5.1 整車總體設(shè)計

氫燃料電池汽車采用新的動力傳動系統(tǒng)和電反饋制動系統(tǒng)。根據(jù)氫燃料電池混合動力汽車的特點，需要對車輛的設(shè)計進行調(diào)整。最常見的設(shè)計思想是未來的汽車設(shè)計方法和現(xiàn)有的汽車設(shè)計方法。目前的車輛設(shè)計方法較為完善，主要側(cè)重于燃料電池技術(shù)的開發(fā)和整體部署優(yōu)化、動力系統(tǒng)的整體匹配、車輛管理、通信等關(guān)鍵技術(shù)。首先是安全，主要是連續(xù)性，以確保一致性。尤其是從整機設(shè)計到整機參數(shù)的確定，車身設(shè)計、三維底盤配置、干涉和運動控制是設(shè)計的核心。流程清晰，設(shè)計合理。

5.2 動力系統(tǒng)參數(shù)匹配

發(fā)動機的最大功率應(yīng)滿足爬山加速時的功率要求。在此過程中，作為發(fā)電機的發(fā)動機還必須滿足整個車輛管理政策中的過充電功率保護需求。在設(shè)計最大和最小傳動比時，必須考慮車輛的升力、離合器系數(shù)和最小穩(wěn)定速度。根據(jù)車輛的最大升力和最小穩(wěn)定速度計算最大傳動系數(shù)。系統(tǒng)的最小傳動比足以滿足氫燃料電池的最大速度要求。變速箱和終傳動之間的傳動比已確定。為了結(jié)合發(fā)動機轉(zhuǎn)速以確保其抗升力能力、中間級增壓特性和上層的最大速度功率，減速器和最終減速器的傳動比必須正確匹配。

6 氫燃料電池汽車的發(fā)展方向

6.1 完善基礎(chǔ)建設(shè)

新能源的使用，如果設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)施不完善，將直接影響用戶的感知。因此，為了提高新能源的市場準入質(zhì)量，我們必須首先解決消費者問題，從而配置供應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施。首先要觀察氫燃料電池的運行現(xiàn)狀，在城市新建加氫站，方便用戶在新能源使用過程中找到加氫能源，減少用戶在使用過程中出現(xiàn)的能源短缺問題。

6.2 加強加氫站產(chǎn)業(yè)建設(shè)

在低碳環(huán)保的條件下，各行各業(yè)都在經(jīng)歷技術(shù)變革、觀念變革、節(jié)能環(huán)保。低碳綠色是未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢，新能源汽車產(chǎn)業(yè)符合低碳綠色產(chǎn)品的發(fā)展方向。加氫站的建設(shè)是中國氫能工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。中國的“加氫站”規(guī)劃主要集中在經(jīng)濟發(fā)達的城市，尚未形成大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)規(guī)劃。一方面，中國的產(chǎn)業(yè)規(guī)劃很少。另一方面，國家尚未制定一套完整的行業(yè)標準和技術(shù)規(guī)范，以滿足現(xiàn)階段加氫站建設(shè)的需要。目前，與加氫站配套的備用壓力機和儲能罐以及供氫設(shè)備主要進口。加氫站內(nèi)部參數(shù)為35MPa，建設(shè)成本約為1500萬至2000萬美元人民幣。氫能工廠建設(shè)中的主要問題是目前無法獨立生產(chǎn)主要部件。加氫站建設(shè)具有施工時間長、短期利潤低和運輸成本高等特優(yōu)點。施工審批過程復雜且不一致。國家應(yīng)該出臺相關(guān)政策支持打造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新平臺。2022年初，國家發(fā)改委和教育部發(fā)布了《華北廣播電視大學國家儲能技術(shù)創(chuàng)新平臺項目可行性研究報告》。隨后，華北廣播電視大學氫技術(shù)創(chuàng)新中心正式成立。創(chuàng)新平臺和創(chuàng)新中心圍繞電化學儲能、氫能、電網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。本專業(yè)包括能源與工程物理、化學工程、制氫有機結(jié)合、儲氫、氫氣安全、氫能等氫能模塊，這將為我國能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型和氫能工業(yè)的發(fā)展提供良好的智力支持。

6.3 投資研發(fā)氫燃料電池

高度重視發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)，積極推進新能源汽車、氫燃料電池、氫能等領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新。探索“十四五”期間確定的創(chuàng)新技術(shù)任務(wù)，制定技術(shù)路線，實現(xiàn)高效制氫、儲氫、儲能等任務(wù)。通過專項資金和科技創(chuàng)新資金支持相關(guān)研發(fā)活動、核心活動、基礎(chǔ)科學研究和國家重點實驗室。企業(yè)和其他創(chuàng)新實體將首先投資于各種科技活動，然后在獲得補貼后進行投資。幫助企業(yè)成為技術(shù)創(chuàng)新、研發(fā)投資、科研機構(gòu)和成果的真正決策者。大規(guī)模制氫、高密度儲氫、大規(guī)模氫氣輸送、燃料電池生產(chǎn)、氫氣安全監(jiān)測測試設(shè)備、基礎(chǔ)研究、全鏈條集成、系統(tǒng)集成、關(guān)鍵技術(shù)示范應(yīng)用。加強科研和聯(lián)合生產(chǎn)，建立強大的企業(yè)聯(lián)盟，推動下一代技術(shù)進步?！笆奈濉逼陂g，科技部將在前期工作的基礎(chǔ)上，以滿足能源革命、交通運輸、能源等關(guān)鍵技術(shù)的基本需求為重點，制定國家氫能源關(guān)鍵技術(shù)研究開發(fā)計劃。我們還將與相關(guān)部門合作，設(shè)計并積極組織研發(fā)，包括相關(guān)規(guī)劃和部署優(yōu)先事項。

6.4 加強氫燃料電池汽車的后期維護

近年來，氫燃料電池汽車的誕生時間相對較短，其發(fā)展還有許多不成熟的地方。許多大品牌汽車制造商和公司將建立相應(yīng)的培訓體系，以促進氫燃料電池汽車的日常維護順利進行。維護前，必須進行必要的準備。首先，檢查控制器和電池是否有問題，能否正常工作。其次，檢查輸電線，如真空管等輸送電氣管道是否處于良好狀態(tài)，并檢查控制系統(tǒng)。最后，必須檢查制動系統(tǒng)，以便機器能夠正常工作。在維修氫燃料電池汽車時，維修人員應(yīng)不斷總結(jié)經(jīng)驗，訓練反應(yīng)能力。車輛發(fā)生故障后，他們應(yīng)及時確定發(fā)生了什么問題并進行維護，這可以促進新能源汽車的發(fā)展，并為用戶提供良好的售后服務(wù)。

7 促進氫燃料電池汽車發(fā)展措施

7.1 強化關(guān)鍵核心技術(shù)創(chuàng)新與引進工作

目前，我國氫燃料電池汽車工業(yè)的發(fā)展還存在核心技術(shù)與世界領(lǐng)先的差距。要有效縮小這一差距，不僅要繼續(xù)開展國家科技創(chuàng)新，還要加強與國際相關(guān)先進機構(gòu)的合作。創(chuàng)新和技術(shù)發(fā)展以多種方式進行。具體而言，首先要進行三個主要領(lǐng)域的升級，首先是燃料電池的基礎(chǔ)研究，深入研究如何進一步提高汽車燃料電池的成本效益和效率。二是規(guī)模配套零件的生產(chǎn)。例如壓縮機、循環(huán)泵等。第三個方面是氫燃料電池反應(yīng)堆的相關(guān)技術(shù)，在催化劑、兩極板等關(guān)鍵元件的更多元化功能和更可控成本之間取得平衡。通過內(nèi)外關(guān)系正?；行Щ?，建立國家重點科研實驗室，建立專項科研計劃。

7.2 進一步加大政府政策資金支持

目前氫燃料電池汽車在關(guān)鍵核心技術(shù)和氫燃料電池開發(fā)等領(lǐng)域存在的問題，部分原因是政府政策和資金支持不符合市場需求。有鑒于此，政府還需要進一步加大政策、資金等領(lǐng)域的支持力度，在氫燃料電池汽車基礎(chǔ)設(shè)施開發(fā)、基礎(chǔ)研究等領(lǐng)域建立特別政策優(yōu)惠和資金支持，以促進企業(yè)在相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。此外，需要進一步研究和探索通過稅收優(yōu)惠進一步擴大氫燃料電池生產(chǎn)規(guī)模和進口關(guān)鍵核心技術(shù)和零部件的可行性。使這一產(chǎn)業(yè)鏈內(nèi)的市場發(fā)展機制多樣化，充分發(fā)揮政策支持、政策激勵和政策引導的關(guān)鍵作用。

7.3 建立健全氫能源供應(yīng)系統(tǒng)

在這方面，我們認識到目前氫燃料電池汽車的后續(xù)發(fā)展過程中出現(xiàn)了市場標準不規(guī)則和不協(xié)調(diào)等問題。在下一個發(fā)展階段，一方面國家有關(guān)部門要制定規(guī)范統(tǒng)一市場標準，實行科學管理方法，在有條件的地區(qū)建設(shè)加氫站并進行質(zhì)量控制；另一方面，需要進行更深入的科學研究，改進與氫能有關(guān)的專門技術(shù)，并提供更方便科學的服務(wù)。此外，還需要從市場角度進行合理的商業(yè)規(guī)劃和商業(yè)布局，進一步推動氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的市場發(fā)展和進步。

8 結(jié)語

總的來說，在大力倡導能源保護的市場環(huán)境下，氫燃料電池汽車符合時代發(fā)展軌跡，是未來長期發(fā)展的重要產(chǎn)品。因此，必須重視氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為技術(shù)發(fā)展、政策支持和市場完善做好充分準備。結(jié)合現(xiàn)代氫燃料電池技術(shù)，重點將放在使用氫氣的車輛上。目前氫能的大規(guī)模使用將有助于中國走上以氫為基礎(chǔ)的自給自足能源社會的建設(shè)道路，并促進氫燃料電池汽車的可持續(xù)發(fā)展。

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