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氫燃料電池汽車發(fā)展現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)及未來(lái)方向! 摘要：作為在應(yīng)用環(huán)節(jié)里真正意義上零排放的清潔能源，氫燃料電池有其獨(dú)到優(yōu)勢(shì)。燃料電池汽車具備綠色環(huán)保、加氫時(shí)間短、續(xù)航里程長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但發(fā)展關(guān)鍵在于氫能產(chǎn)業(yè)和氫能供給體系的建立。新能源汽車的發(fā)展不僅僅影響出行方式，同時(shí)更是國(guó)家能源戰(zhàn)略的重要組成。國(guó)內(nèi)氫供給體系在能源戰(zhàn)略中的輔助定位，使得在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，氫燃料電池汽車恐難以像純電動(dòng)汽車一樣快速大規(guī)模推開，而更適合應(yīng)用于區(qū)域交通等特定場(chǎng)景。
一、燃料電池原理概述 與普通電池儲(chǔ)能應(yīng)用不同的是，燃料電池是一種能量轉(zhuǎn)化裝置，通過反應(yīng)過程轉(zhuǎn)化產(chǎn)生能量。由于反應(yīng)物質(zhì)從外界而非電池內(nèi)部供給，因此被稱為“燃料”。氫燃料電池使用的反應(yīng)物質(zhì)為氫氣和氧氣，其發(fā)電的基本原理可以理解為電解水的逆反應(yīng)，氫氣作為燃料與氧氣反應(yīng)后生成電能與水。相較內(nèi)燃機(jī)中燃燒過程而言，氫燃料電池的能量轉(zhuǎn)化效率更高（>80%），更加清潔環(huán)保。 氫燃料電池中，工作于60℃-120℃的低溫燃料電池因其安靜高效，工作溫度適宜，主要應(yīng)用于汽車。而質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）又是最為主流的技術(shù)方向。它利用聚合物質(zhì)子交換膜如全氟磺酸樹脂膜作為其中的電解質(zhì)隔膜，用以分隔氫氧并同時(shí)傳導(dǎo)質(zhì)子，通常情況下使用鉑炭作為催化劑。工作時(shí)氫氣于電池陽(yáng)極分解為質(zhì)子和電子，質(zhì)子通過隔膜到達(dá)陰極，電子在外部電路運(yùn)行產(chǎn)生電能，電子、質(zhì)子和氧氣在陰極反應(yīng)生成水。由于單體電池的放電電壓僅為0.6-0.75V，需要將一定數(shù)量的單體電池串聯(lián)形成電堆使用。 二、燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)狀 （一）燃料電池系統(tǒng) 燃料電池系統(tǒng)包括電堆、供氫系統(tǒng)、進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、加注系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。目前國(guó)產(chǎn)燃料電池的水平距國(guó)外尚有差距，其中核心部件是電堆。國(guó)內(nèi)電堆生產(chǎn)企業(yè)如北京氫璞、威力克、新源動(dòng)力等，在關(guān)鍵指標(biāo)如壽命、衰減功率上都不及加拿大巴拉德（大洋電機(jī)入股，國(guó)內(nèi)建有合資公司）、美國(guó)Plug Power（亞馬遜入股）和豐田的TFSC（全封閉體系）。因此部分車型采用系統(tǒng)集成國(guó)產(chǎn)化，電堆極板等進(jìn)口，其他部件采用國(guó)產(chǎn)件。 從技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀看，制約燃料電池應(yīng)用的瓶頸包括：（1）電堆耐久性差，國(guó)內(nèi)多數(shù)在售產(chǎn)品的耐久性在3000-5000小時(shí)之間，國(guó)外產(chǎn)品在8000小時(shí)左右。這意味著在長(zhǎng)時(shí)間使用情境下如公交車，有可能2-3年就需要更換電堆。（2）生產(chǎn)成本過高。目前燃料電池系統(tǒng)占整車成本的65%左右，而電堆成本又超過電池系統(tǒng)的60%，其中質(zhì)子交換膜、鉑催化劑等都造價(jià)不菲。此外氫氣容易滲漏對(duì)密封性要求極為嚴(yán)格，造成維護(hù)困難，啟動(dòng)需要預(yù)熱時(shí)間等都影響了燃料電池的商業(yè)化進(jìn)程。 （二）整車生產(chǎn) 根據(jù)2017年中國(guó)新能源汽車目錄統(tǒng)計(jì)，共有10家車企、11個(gè)品牌的22款燃料電池車。其中客車19款，專用車3款。所有車型續(xù)航里程在300km至600km之間，最高車速在69km／h至110km／h之間。2017年燃料電池車共有8個(gè)品牌的10款車型在產(chǎn)，總產(chǎn)量為1272輛，其中燃料電池專用車992輛，占比78％，燃料電池客車280輛，占比22％。較2016年燃料電池車總產(chǎn)量629輛同比增長(zhǎng)了102％。 表1. 2017年燃料電池汽車產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)
數(shù)據(jù)來(lái)源：動(dòng)力電池應(yīng)用分會(huì) 國(guó)內(nèi)燃料電池車全部為專用車和客車，一方面是因?yàn)槌擞密噷?duì)于技術(shù)和成本的要求更高，且面向個(gè)人用戶銷售使用的條件尚不具備；另一方面國(guó)內(nèi)燃料電池車處于政策扶持階段，專用車和客車面向園區(qū)和公共交通，符合政策試點(diǎn)推廣的需求，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施要求也相對(duì)較低。根據(jù)燃料電池公共汽車在上海世博園區(qū)道路運(yùn)行試點(diǎn)結(jié)果，氫氣消耗量約為12kg/100km，單車行駛累計(jì)超過3000km，運(yùn)輸乘客超過1.5萬(wàn)人次，基本可以滿足公共交通需求。 乘用車方面中最為知名當(dāng)屬豐田Mirai，自2014年底上市以來(lái)，被認(rèn)為是最接近商業(yè)化的乘用車型。該車最大輸出功率為114kW，10s內(nèi)可以完成百公里加速，加氫6kg續(xù)航里程超過500km，售價(jià)為44萬(wàn)元。據(jù)統(tǒng)計(jì)上市以來(lái)累計(jì)銷量超過2000輛。此外乘用車還有本田 Clarity、現(xiàn)代 ix35 FC等車型。 （三）氫能產(chǎn)業(yè)與基礎(chǔ)設(shè)施 從燃油供給體系到電力網(wǎng)絡(luò)充電設(shè)施，交通車輛一直與能源供給體系協(xié)同發(fā)展，因此燃料電池汽車的發(fā)展關(guān)鍵在于氫能產(chǎn)業(yè)和氫能供給體系的建立。 國(guó)內(nèi)氫氣主要用于工業(yè)生產(chǎn)，交通用氫可忽略不計(jì)。氫能產(chǎn)業(yè)鏈主要包括制氫、儲(chǔ)運(yùn)和加氫等環(huán)節(jié)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)純度≥99%的氫氣年產(chǎn)量約為700億m3，其中90%從各類含氫氣體中提純獲得，另有2%-4%通過電解水獲取。在氫氣儲(chǔ)存環(huán)節(jié)，主要方式有高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、液態(tài)儲(chǔ)氫和固態(tài)氫化物儲(chǔ)氫。液態(tài)氫儲(chǔ)罐和拖車已在國(guó)內(nèi)制造并應(yīng)用于航天領(lǐng)域，而管道氫氣輸送尚處于基礎(chǔ)研究階段?？傮w而言小規(guī)模儲(chǔ)運(yùn)有解決方案，但是規(guī)?；斔瓦€不成熟，需解決提高密度、減少蒸發(fā)、降低成本等問題。 截止到2017年12月，我國(guó)加氫站已有19座。國(guó)內(nèi)外運(yùn)行的加氫站，基本都采用的是現(xiàn)場(chǎng)制氫加氫模式，避免了輸運(yùn)環(huán)節(jié)諸多問題，也適應(yīng)現(xiàn)階段試點(diǎn)運(yùn)行的少量需求。國(guó)內(nèi)加氫站建設(shè)成本超過1000萬(wàn)元（200kg/天，不含征地成本和補(bǔ)貼），現(xiàn)場(chǎng)制氫價(jià)格40-50元。未來(lái)如果要進(jìn)一步降低成本并滿足燃料電池汽車大規(guī)模使用需求，必須解決規(guī)模化制氫和經(jīng)濟(jì)安全輸運(yùn)的問題。 三、能源戰(zhàn)略視角下的燃料電池汽車發(fā)展 當(dāng)前很多關(guān)于新能源汽車的討論僅僅圍繞電池和汽車本身展開。但實(shí)際上，新能源汽車不僅僅影響出行方式，同時(shí)更是國(guó)家能源戰(zhàn)略的重要組成，判斷其發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)當(dāng)結(jié)合宏觀角度下的能源構(gòu)成和應(yīng)用特點(diǎn)加以考量。 如果不考慮能源戰(zhàn)略這一層面，就很難理解以豐田為代表的日本車企為何一度在純電動(dòng)汽車領(lǐng)域猶豫不決，而試圖堅(jiān)持從混動(dòng)到燃料電池汽車這一獨(dú)有的發(fā)展路線，這與日本政府確立的“氫能社會(huì)”目標(biāo)密不可分。在2014年日本的《能源基本計(jì)劃》中，將氫能源定位為與電力和熱能并列的核心二次能源。二次能源是由自然界一次能源轉(zhuǎn)化而來(lái)，是現(xiàn)代社會(huì)中能源得以作為商品輸送和應(yīng)用的載體，無(wú)論電力、燃油或者氫能，這些二次能源的配置比重將深刻影響能源應(yīng)用結(jié)構(gòu)，同時(shí)也與本國(guó)的能源分布、獲取方式、地域人口等特點(diǎn)密不可分。日本人口密度大，一次能源匱乏，也不具備大規(guī)模修建光伏風(fēng)電水電的條件。因此日本政府考慮在海外利用伴生氫、原油伴生氣和褐煤等利用率較低的能源制造氫再運(yùn)送到日本國(guó)內(nèi)，并通過推廣家庭燃料電池實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供，減少了能源損失。日本的氫能供應(yīng)體系是隨著整個(gè)社會(huì)能源體系而建立，其技術(shù)發(fā)展也不僅僅應(yīng)用于汽車，氫燃料電池汽車對(duì)于將氫能定位為核心二次能源的日本也就順理成章。 反觀中國(guó)與日本的能源國(guó)情大不相同，廣袤的國(guó)土和不均衡的能源分布，使得電力成為最主要的二次能源形式，并通過推廣特高壓等輸電通道和智能電網(wǎng)建設(shè)加以強(qiáng)化。如果將火電用于制氫，實(shí)際是增加了能量轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，不可避免的帶來(lái)能源損失。而建立全國(guó)性的氫輸運(yùn)體系，成本極高也沒有意義。合理模式一是圍繞氫氣制備企業(yè)一定距離內(nèi)開展區(qū)域化供給；二是將氫能作為未能上網(wǎng)電能（如部分風(fēng)光電或水電密集區(qū)域）或波谷電能的消納方式，實(shí)現(xiàn)能源消納轉(zhuǎn)移。這樣可以解決部分新能源上網(wǎng)困難，以及能源時(shí)間/空間分布不均衡導(dǎo)致的浪費(fèi)等問題。 因此我國(guó)的能源戰(zhàn)略決定了電力是二次能源的核心主體，這為推廣純電動(dòng)汽車提供了堅(jiān)實(shí)保障。反過來(lái)純電動(dòng)汽車規(guī)模越大，在能源戰(zhàn)略中所能夠發(fā)揮的調(diào)節(jié)作用和影響也就越大。國(guó)內(nèi)氫供給體系在能源戰(zhàn)略中的輔助定位，使得在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，氫燃料電池汽車恐難以像純電動(dòng)汽車一樣快速大規(guī)模推開，而更適合應(yīng)用于區(qū)域交通等特定場(chǎng)景。 四、結(jié)語(yǔ) 作為在應(yīng)用環(huán)節(jié)里真正意義上零排放的清潔能源，氫燃料電池有其獨(dú)到優(yōu)勢(shì)。具備綠色環(huán)保、加氫時(shí)間短、續(xù)航里程長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)的燃料電池汽車，得到了有力的政策扶持。在《中國(guó)制造2025》中明確指出，到2025年，制氫、加氫等基礎(chǔ)設(shè)施要基本完善，燃料電池汽車實(shí)現(xiàn)區(qū)域性規(guī)模運(yùn)行。國(guó)家發(fā)改委、能源局發(fā)布的《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016－2030年）》中把氫能源與燃料電池技術(shù)創(chuàng)新研究列為15項(xiàng)重點(diǎn)任務(wù)之一。我國(guó)的新能源汽車政策中給予燃料電池汽車補(bǔ)貼支持，上海等地也出臺(tái)了多項(xiàng)地方性產(chǎn)業(yè)政策。 下一階段，提高核心技術(shù)水平，降低成本和加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)將是發(fā)展重點(diǎn)。根據(jù)《國(guó)家節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》的規(guī)劃，電堆耐久性2020年達(dá)到5000小時(shí)，2025年達(dá)到6000小時(shí)；電池的系統(tǒng)成本2020年降至5000元/kW，2025年降至2000元/kW；加氫站2020年超過100座，2025年超過300座；燃料電池汽車到2020年銷量5000輛，2025年銷量50000輛。通過政策技術(shù)雙驅(qū)動(dòng)消除瓶頸，規(guī)模效應(yīng)降成本，推動(dòng)燃料電池汽車最終實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，成為我國(guó)未來(lái)新能源汽車戰(zhàn)略中的重要組成。 ?上海鴻鈞碳素材料有限公司官網(wǎng)wap.asliuxian.cn
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