高工氢电聚焦 | 燃料电池汽车的“古往今来”
目前，燃料电池汽车技术尚不够成熟，但各国重视程度在不断提高，呈现出加大力度推进的态势 。日本、美国、欧盟和韩国等都投入了大量资金和人力开展燃料电池汽车的研究。丰田、本田、通用、福特、奔驰、现代等公司都 ...
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文/清华大学汽车安全与节能国家重点实验室 刘宗巍 史天泽 郝瀚 赵福全 1. 前言 目前，燃料电池汽车技术尚不够成熟，但各国重视程度在不断提高，呈现出加大力度推进的态势 [5-13]。日本、美国、欧盟和韩国等都投入了大量资金和人力开展燃料电池汽车的研究。丰田、本田、通用、福特、奔驰、现代等公司都已经开发出燃料电池车型并进行示范运行，进入初步应用阶段。 对于中国来说，随着汽车保有量不断攀升，来自汽车产业的能源与环境压力不断增大：
氢能热值较高，储量丰富，来源多样，应用广泛，特别是具有极佳的环境友好度，代表着人类能源「脱碳入氢」、彻底避免碳排放的可能前景，是理想的长期替代能源候选对象之一。 有鉴于此，本文对燃料电池汽车核心技术、关键问题、发展现状等进行了梳理，特别分析探讨了中国燃料电池汽车产业的特点，并提出了现阶段有针对性的发展建议。 2. 燃料电池汽车技术的应用进展 2.1 燃料电池汽车技术简介  图 1 燃料电池及燃料电池汽车技术发展 燃料电池（Fuel Cell，FC）是一种以电化学反应方式将燃料（氢气）与氧化剂（空气）的化学能转变为电能的能量转换装置 [4]。19 世纪 30 年代，人们提出了燃料电池的初步构想。此后，随着技术的发展，不同级别的燃料电池问世，并逐步由军用推广至民用领域，如图 1 所示。 燃料电池汽车以车载氢气为能量源，经燃料电池将氢气的化学能量转化为电能，再以电机驱动车辆行驶。显然，这涉及燃料电池汽车本身以及氢能供应两方面的全新内容：
从整个产业链条看，燃料电池汽车的推广和应用涉及面广，无论对车辆本身还是对氢的制备、储运、应用等，都有较高要求：
 图 2 燃料电池汽车产业链 而燃料电池汽车本身，则是机械、化学、材料、电控等诸多领域的交叉学科，如图 2 所示。各国正致力于逐步提高性能、降低成本，以加快推广应用 [17-18]。 2.2 各国燃料电池汽车技术及其产业化 基于燃料电池汽车的良好前景，各国对其的关注程度正在不断提升（见表 1）。日本将氢能利用作为国家战略方向之一，对氢能及燃料电池相关产业的发展高度重视。政府、科研机构和企业对燃料电池及燃料电池汽车技术的开发和应用，持续进行了大量投入，丰田汽车公司研制的 Mirai、本田汽车公司的 Clarity，都是处于国际领先水平的燃料电池轿车产品。 表 1 全球燃料电池汽车产业发展总览  美国对燃料电池及燃料电池汽车技术的发展也较为重视，早在 2005 年，即已将氢能列入「主流能源」选择之一，并陆续发布了氢能与燃料电池计划。美国主要推动了燃料电池汽车在物料运输等特殊领域的应用，至 2015 年，已有 34 家企业 8000 多辆燃料电池叉车投入运行，取得了较好的商业化推广，同时道路示范车辆也有一定应用 [6]。 欧盟在欧洲工业委员会和欧洲研究社团等组织的推动下，在燃料电池及燃料电池汽车方面开展了大量研究与示范应用，同时，对用于燃料电池和燃料电池汽车的资金投入、燃料电池车队推广项目以及加氢站建设等进行了系统的规划。 总体而言，燃料电池汽车正处在由技术研发向商业化推广过渡的阶段，各国对该技术的重视不断升温，投入持续增加。相比之下，日本政府对燃料电池及燃料电池汽车技术的推动力度更大，技术水平也更高，其先进的燃料电池乘用车车型已经初步实现了商业化，在燃料电池汽车领域走在了世界前列。 3. 全球燃料电池汽车发展的共性问题 当前，燃料电池汽车尚未达到大规模推广应用的阶段，其根本问题在于关键技术还不够成熟。燃料电池汽车是涉及化学、材料、机械、电子等多个领域复杂技术的交叉载体，且所需技术水平较高，并给技术成本带来了很大的挑战。 例如，组成燃料电池单体的交换膜、催化层、渗透层、双极板对材料、工艺提出了极高要求；又如，燃料电池电堆的成组、系统的集成与控制等，都必须适应汽车运行中频繁变动的工况。正是由于关键技术尚未取得根本性突破，燃料电池汽车的推广还面临着几个重大瓶颈，这些共性问题制约着全球燃料电池汽车产业的快速发展。 3.1 成本 燃料电池的成本依然偏高，这是推广燃料电池汽车必须解决的首要问题。代表性的燃料电池汽车产品，如丰田 Mirai 售价 6.9 万美元（约合 45 万元人民币），本田 Clarity 售价 6 万美元（约合 39 万元人民币），远高于其他动力形式的同级别车辆。 表 2 燃料电池各部件要求及应对技术  造成燃料电池汽车高成本的主要原因在于燃料电池系统各部件成本较高，尤其是大量应用贵金属 Pt 的催化层。为了保证电池性能，燃料电池各部件都有其特别要求（见表 2），目前虽有各种应对方法，但始终无法避免较高的成本增量。因此，高性能、高可靠性、低成本的燃料电池组件，已成为燃料电池技术发展的重要方向。  图 3 燃料电池汽车成本构成 [19] 美国能源部（Department of Energy，DOE）对燃料电池汽车的成本问题进行了系统分析，对整车、电堆、电池层层分解，得出了各部分成本的具体比例 [19]，如图 3 所示。根据 DOE 的研究，目前燃料电池系统成本已从 2006 年的每千瓦 120 美元（约合 790 元人民币）降低到了每千瓦 55 美元（约合 360 元人民币，假定达到 50 万台规模），未来通过技术进步和更大批量生产，还有望进一步降低成本，实现每千瓦 30 美元（约合 200 元人民币）的长期目标。中国燃料电池系统的实际成本目前约为每千瓦 5000 元人民币，差距明显，不过中国也制定了 2030 年达到每千瓦 200 元人民币的目标，则与美国 DOE 的预估接近。 另据美国橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）估计 [20]，在形成 20000 辆规模的前提下，燃料电池汽车的整车成本有望达到约 48000 美元（约合 315000 元人民币），其中燃料电池系统约占一半，即 24000 美元（约合 157000 元人民币）左右。而如果考虑储氢系统、辅助电池等，整个燃料电池动力总成的成本高达 36200 美元（约合 237000 元人民币），占总成本的 75% 以上。 从目前的情况来看，尽管有所改善，但燃料电池动力系统的高昂成本，仍然使其与其他动力形式相比处于明显的竞争劣势，这是燃料电池汽车大规模推广的最大瓶颈。 3.2 耐久性 车用燃料电池的耐久性是制约其商业化的主要技术挑战之一，对于乘用车而言，目前普遍认可的指标是在性能衰减 10% 的水平下运行 5000 h。 近年来，世界各大汽车厂商积极致力于燃料电池技术研究，使电池耐久性有了较大提升，但距理想的商业化目标仍有一定差距。DOE 的研究报告指出 [19]，自 2006 年以来，美国燃料电池乘用车平均耐久性已由 1000 h 逐步提升至约 2500 h，同时，单车最佳耐久性纪录提升更快，2015 年有车辆达到 5605 h 的连续运行纪录。 在商用车方面，近期的耐久性目标为 18000 h。美国 UTC 公司示范的大型客车是长寿命燃料电池系统的典型案例，在 2010 年该示范性商用车已连续运行 7000 h，到 2015 年已在实际路况条件下运行 19000 h [21]。 目前，中国燃料电池轿车寿命不足 2000 h，客车的寿命约为 3000 h，明显低于国外先进水平。总体来看，车用燃料电池耐久性正不断提升，逐步接近商业化目标。 提高耐久性的关键技术在于控制燃料电池性能衰减，而性能衰减的主要影响因素是车辆运行工况的频繁变动。目前主要从两方面解决此问题：
具体来讲，提高耐久性的重点技术包括：
在这些方面，中国都存在一定差距。 3.3 基础设施 完善的基础设施同样是燃料电池汽车大范围推广的前提。有资料显示，一座加氢站的投入大约为 2000 万元，大大高于加油站的建设成本，其中约 60% 的成本用于站点维持 [22]。因此，现阶段加氢站的建设和运营必须依靠政府的财政补贴。 3.4 氢能产业链的系统规划 为实现燃料电池汽车的大规模推广，除了加氢环节外，还必须有「制氢-运氢-储氢-用氢」全产业链的完善配套设施。同时，需要对氢能产业链的每个环节都进行深入研究和分析，站在全生命周期的角度评价和控制氢能利用的整体效益，例如采取碳排放较高的制氢和运氢方式，可能导致氢能利用在整体上并不节能环保。目前针对各种制氢方法、运输方式等都有一些研究工作 [23-27]，但从「制氢-运氢-储氢-用氢」全过程视角出发，研究全局性的设计与规划尚不多见。 此外，当前虽有较成熟的制氢技术，如甲醇裂解制氢、煤气化制氢、水电解制氢等方式，但大都是针对工业用氢。针对未来车载氢能的大规模制备、储运和使用，还需进一步研究：请加微信公众号：工业智能化(robotinfo) 马云都在关注
总之，燃料电池汽车的推广，实际上是氢能在汽车产业大规模应用的问题，唯有对整个氢能产业链和汽车产业链进行综合评估和系统规划，方能在实现推广目标的同时真正满足社会的多元需求。 4. 中国燃料电池汽车发展现状及差距分析 4.1 中国燃料电池汽车产业的发展现状 在国家「863」计划「十五」电动车重大科技专项、「十一五」节能与新能源汽车重大项目、「十二五」及「十三五」电动车关键技术与系统集成等重大项目的支持下，通过产学研联合研发团队的攻关，中国燃料电池汽车技术取得了一定的进展，初步掌握了燃料电池电堆和关键材料、动力系统与核心部件、整车集成和氢能基础设施等核心技术，基本建立了具有自主知识产权的燃料电池轿车及城市客车动力系统技术平台，也初步形成了燃料电池发动机、动力电池、DC/DC 变换器、驱动电机、储氢系统等关键零部件的配套研发体系，并具备了百辆级燃料电池汽车及其动力系统的生产能力 [6]。 当前，中国已有 3 款燃料电池客车、5 款燃料电池轿车样车推出，并先后在北京奥运会、上海世博会、全球环境基金与联合国发展计划署（GEF/UNDP）共同支持的燃料电池城市客车商业化示范活动、新加坡青奥会等开展了示范运行。基础设施方面，中国建有加氢站 6 座，分别位于北京、上海、郑州等地。制氢方面，中国主要采用煤气化制氢，小规模的分散用氢主要靠甲醇蒸汽重整、水电解和氨气裂解等方式提供，而未来的发展方向则是可再生能源制氢以及化石能源的高效清洁利用。 总体而言，中国燃料电池汽车产业尚处于起步阶段，仅有少量企业进行了开发示范样车的尝试，但后续量产计划并未跟进，没有形成前后接续、有序推进的态势。 4.2 中国燃料电池汽车产业的主要差距与自身特点 经过多年的发展，与国际先进水平相比，中国燃料电池汽车在整车总体布置、动力性、氢气消耗量等基本性能方面已经差距不大，在动力系统的集成和控制方面也有明显进步，但在关键材料及工艺、关键零部件、整车集成以及耐久性等方面，仍有明显差距 [6]，如表 3 所示。 表 3 国内外燃料电池汽车技术差距 [28]  总体上，核心组件如质子交换膜、催化剂、碳纸、碳布、膜电极、双极板等，中国虽进行了基础研发及小规模量产，但其性能、成本与国外先进水平相比均有不足。国外已可实现关键零部件的大规模生产，中国多处在试生产、小规模生产阶段。集成技术的差距，使中国燃料电池发动机功率明显低于国际水平，例如，中国典型燃料电池轿车的电池功率约为 35~50 kW，而国际先进水平可达 90~100 kW。 与此同时，中国燃料电池汽车产业有其自身特点，切实把握这些「独特」属性，才能有效地梳理出最适宜的发展策略：
总之，除全球燃料电池汽车产业面临的共性瓶颈外，中国燃料电池汽车的加快推广还必须克服目前明显的技术差距，并有效结合自身特点，这在客观上增加了燃料电池汽车产业在中国发展的困难和变数。但从推行能源多元化、降低风险的角度出发，同时考虑到氢能作为未来主要能源候选对象的战略地位，中国不宜忽视燃料电池及其在汽车领域应用的技术研发与产业化推进，必须采取适宜措施，有针对性、有计划地予以重点实施。 5. 中国燃料电池汽车的发展策略建议 5.1 中国发展燃料电池汽车的战略定位 首先，必须站在全球产业升级和能源革命的大背景下审视燃料电池汽车。当前，全球能源与环境压力与日俱增，各国汽车节能减排的步伐不断加快，发展新能源汽车已呈大势所趋。各国一方面不断加严燃油消耗法规，另一方面持续加大对新能源汽车支持力度，以谋求交通领域的可持续发展。以日本丰田、本田、德国大众等为代表的多家全球顶级汽车企业更相继宣布了停产传统燃油车的时间表，这意味着推进新能源汽车、实现汽车电气化成为了公认的发展趋势。目前新能源汽车有两大主要发展方向，即纯电动车与燃料电池汽车。全球汽车强国都致力于这两类电驱动车型的开发，包括乘用车和商用车。不仅纯电动车，燃料电池乘用车和商用车也不断有新产品问世。这对致力于建设汽车强国的中国是战略选择的很好参照。 其次，必须充分理解中国作为全球第一汽车大国，发展新能源汽车战略需求的迫切性。一方面，中国石油对外依存度逐年攀升，2016 年已超过 65%，能源安全成为事关国运的重大挑战；另一方面，日益严重的雾霾引发全民关注，履行低碳承诺和改善环境质量已是中国最大的政治任务之一。汽车产业作为石油消耗大户，自然应承担重要责任。也就是说，中国亟需在能力所及的范围内，以最快速和最有效的手段，加紧普及新能源汽车，以早日实现能源替代和碳排放降低。 正是从这种战略需求出发，中国选择了以全面推动电动车为主的新能源汽车发展策略，这也是权衡电动车和燃料电池汽车发展状态后做出的选择。先从基础设施建设角度分析，中国地域辽阔，如果同时承担加油站、充电站、加氢站建设，投入将非常巨大，且难以配置充足的资源（尤其是大型城市稀缺的土地资源），可行性较低。而比较充电站和加氢站，前者相对成熟，正处在快速普及的状态，后者尚有技术和成本等问题需要解决，且制氢、运氢和储氢都还有很多技术及产业化难题。显然，优先布置充电站更为现实。再就电动车和燃料电池汽车本身来看，相比于燃料电池汽车，电动车更接近于大规模产业化：
5.2 中国燃料电池汽车产业的发展策略 前文已阐明燃料电池汽车对于中国能源和汽车产业的重要性，而要在总体落后的情况下，以相比电动车次要的投入，快速推进燃料电池汽车的技术进步和产业发展，就更需要科学精准的发展路径以及相关方面的有效协同。为此，本文经过认真梳理和研究分析，提出了中国燃料电池汽车产业的三大发展策略：即商用车先导、政府持续支持、企业认真储备。
从全球共性问题和情况看，主要有以下几个方面的考虑：
也就是说，对于大型商用车而言，电动车是性价比较低的新能源技术选项，而燃料电池汽车恰可弥补其短。再从中国自身特点和情形分析：
本文建议政府应从五个方面入手，支持燃料电池汽车的技术攻关和产业发展： 其一，必须明确肯定燃料电池汽车的战略定位，作为新能源汽车的重要技术路径和未来汽车动力可能的终极解决方案之一，燃料电池汽车不是可有可无，而是不容有失。中国当前选择以电动车为突破口加快发展新能源汽车无可非议，但国家同时必须有力支持燃料电池汽车的技术研发和产业化，包括全功率的燃料电池乘用车，因为作为汽车大国，我们承受不起未来汽车动力源可能发生突变带来的战略风险，理应加紧推进、认真储备，力争抢占先机。 其二，必须进行前瞻布局，系统规划重点区域。既要避免各地都只关注电动车而忽视燃料电池汽车，也要避免燃料电池汽车的重复投入，更要保证真正具有优势条件的区域及企业得到有针对性的重点扶持。 其三，通常新兴产业的形成、发展和成熟都要经历从「政府主导」到「准市场过渡」再到「市场主导」的轨迹，而当前以及今后相当一段时间内，由于技术成熟度不足，燃料电池汽车都将继续处在「政府主导」阶段，为此政府必须持续给予直接的支持，包括投入基础研发、财政补贴产品和基建、扶持重点企业以及开展示范工程等。 其四，必须加紧出台并不断完善相关政策保障体系，确保氢能的生产供给、车辆的研发制造、基础设施的建设运营等不同环节都有据可依，从而能够有序开展相关工作。 其五，要认真总结电动汽车前期推广的经验与教训，确保在燃料电池汽车的基础研发及产业化推广上少走弯路。
对于企业来说，应根据自身实际情况，将燃料电池汽车作为重要的技术选项，纳入未来节能减排技术路线的综合评估之中，进行相应的技术攻关与储备，并积极推动燃料电池汽车的产业化发展。必须强调的是，燃料电池汽车商业化的核心还是关键技术的进步。 根据本文的梳理，建议企业可按以下重点方向进行技术攻关，以促进燃料电池汽车加快走向大规模应用：
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