隨著《打贏(yíng)藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》的印發(fā)實(shí)施，國(guó)內(nèi)汽車(chē)市場(chǎng)對(duì)零排放解決方案的需求進(jìn)一步增長(zhǎng)。在2019年上海國(guó)際汽車(chē)工業(yè)展覽會(huì)上，各種新能源技術(shù)和產(chǎn)品受到了廣泛的關(guān)注和青睞，其中上汽大通、一汽紅旗、東風(fēng)汽車(chē)、格羅夫、漢騰汽車(chē)、眾泰汽車(chē)、慶鈴汽車(chē)等國(guó)內(nèi)車(chē)企所帶來(lái)的“氫能源”技術(shù)和新車(chē)型的高水準(zhǔn)展示引人矚目。4月19日，上海市市長(zhǎng)應(yīng)勇參訪(fǎng)上汽大通展臺(tái)，對(duì)上汽MAXUS氫燃料電池MPV G20FC進(jìn)行深入了解。氫燃料電池作為動(dòng)力，具有動(dòng)力強(qiáng)、加速快和加氫時(shí)間短、續(xù)航能力高等特點(diǎn)，而最關(guān)鍵的是氫動(dòng)力汽車(chē)的排放僅為水。本期，我們推送《動(dòng)力多樣化之氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)》以詳細(xì)解析目前國(guó)內(nèi)氫燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的情況。

《中國(guó)內(nèi)燃機(jī)工業(yè)年鑒》官方網(wǎng)站

大力發(fā)展新能源汽車(chē)是應(yīng)對(duì)全球能源短缺和環(huán)境污染的重大戰(zhàn)略舉措。在眾多的新能源汽車(chē)中，燃料電池汽車(chē)因其具有零排放、效率高、續(xù)航里程長(zhǎng)、燃料來(lái)源多元化、能源可再生等優(yōu)勢(shì)而被認(rèn)為是未來(lái)汽車(chē)工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要方向，是解決全球能源問(wèn)題和氣候變化的理想方案。

1 氫燃料電池汽車(chē)技術(shù)可行，優(yōu)點(diǎn)突出

1.1 氫燃料電池汽車(chē)優(yōu)點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)

與傳統(tǒng)汽車(chē)相比，氫燃料電池汽車(chē)使用氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)代替了傳統(tǒng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)，使用儲(chǔ)氫罐代替了油箱，通過(guò)燃料電池的氫氧電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電能通過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛。氫燃料電池汽車(chē)與其他類(lèi)型的汽車(chē)相比有如下優(yōu)點(diǎn)：①氫燃料電池汽車(chē)對(duì)環(huán)境（空氣、土壤等）沒(méi)有污染，只會(huì)向環(huán)境排放水，不產(chǎn)生溫室氣體；②燃料電池汽車(chē)運(yùn)行時(shí)相對(duì)安靜，噪聲值在55dB左右，有利于營(yíng)造一個(gè)更加舒適安靜的城市交通環(huán)境；③氫燃料電池汽車(chē)的能量轉(zhuǎn)化效率可達(dá)60%，為傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的2～3倍；④與電動(dòng)汽車(chē)相比，氫燃料電池汽車(chē)的續(xù)航里程更長(zhǎng)，充氫時(shí)間很短，與燃油車(chē)加油時(shí)間相當(dāng)，能夠提供更加優(yōu)良的用戶(hù)體驗(yàn)；⑤氫燃料來(lái)源廣泛，氫是宇宙中存量最豐富的元素，氫氣可以由石油化工、鋼鐵工業(yè)、氯堿工業(yè)等副產(chǎn)物、電解水、甲醇裂解、甲烷重整等多個(gè)渠道獲得。

氫燃料電池汽車(chē)的核心系統(tǒng)主要包括氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)和車(chē)載氫系統(tǒng)。氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)主要包括燃料電池電堆、空壓機(jī)、膜增濕器等，主要功能是為燃料電池汽車(chē)提供動(dòng)力來(lái)源。車(chē)載氫系統(tǒng)主要由高壓儲(chǔ)氫瓶和氫氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)等組成，主要功能是存儲(chǔ)氫氣，并為氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)適當(dāng)壓力、足夠流量的氫氣。

我國(guó)在氫燃料電池領(lǐng)域的技術(shù)已經(jīng)有一定的積累，能夠?yàn)槿剂想姵仄?chē)的發(fā)展提供一定的技術(shù)支撐。氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵組件如燃料電池電堆、空壓機(jī)等已有國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品，如新源動(dòng)力、億華通、廣順等品牌。車(chē)載氫系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的高壓儲(chǔ)氫瓶也已經(jīng)有國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品，如沈陽(yáng)斯林達(dá)、北京天海、北京科泰克等品牌。國(guó)內(nèi)部分氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)和車(chē)載氫系統(tǒng)廠(chǎng)商信息如表1所示。

表1 國(guó)內(nèi)部分燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)/

車(chē)載氫系統(tǒng)廠(chǎng)商

雖然較為關(guān)鍵的燃料電池電堆、空壓機(jī)和儲(chǔ)氫瓶已具有一定的國(guó)產(chǎn)化能力，但必須承認(rèn)的是國(guó)內(nèi)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)仍處于初期階段，其功率和耐久性的水平與國(guó)外的產(chǎn)品還存在一定差距。目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)裝車(chē)的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)普遍沒(méi)有采用功率密度較高的金屬雙極板，而是采用石墨板或復(fù)合板，前者功率密度是后者的2.5～3.0倍。此外，國(guó)內(nèi)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈配套有待完善，部分關(guān)鍵附件如膜增濕器等還不能批量生產(chǎn)高質(zhì)量的產(chǎn)品，而這些附件恰恰對(duì)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的耐久性至關(guān)重要，今后在這些方面需展開(kāi)攻關(guān)研究。

1.2 氫燃料電池整車(chē)發(fā)展情況

國(guó)內(nèi)氫燃料電池汽車(chē)已具有一定的集成裝配技術(shù)能力，多家整車(chē)廠(chǎng)已陸續(xù)推出氫燃料電池汽車(chē)。氫燃料電池汽車(chē)可以基于全新車(chē)型開(kāi)發(fā)，也可在燃油車(chē)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改型開(kāi)發(fā)：去除燃油車(chē)內(nèi)燃機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)部件，直接將燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行集成，改型難度相對(duì)較低。國(guó)內(nèi)已推出的氫燃料電池汽車(chē)主要以動(dòng)力系統(tǒng)改型為主，部分整車(chē)信息如表2所示。

表2 國(guó)內(nèi)已發(fā)布的部分氫燃料電池汽車(chē)

其中，上汽大通汽車(chē)有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“上汽大通”）自主開(kāi)發(fā)的氫燃料電池汽車(chē)FCV80已成功實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)（見(jiàn)圖1）。FCV80是國(guó)內(nèi)首款運(yùn)用工信部最新準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)的燃料電池輕客車(chē)型，也是國(guó)際首款燃料電池輕客車(chē)型。FCV80是上汽集團(tuán)在V80的基礎(chǔ)上改型開(kāi)發(fā)，采用的是氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)為主、動(dòng)力電池為輔的雙動(dòng)力源，續(xù)航里程可達(dá)430km。FCV80的加氫時(shí)間僅需3～5min，與燃油車(chē)加油時(shí)間相當(dāng)，與純電車(chē)較長(zhǎng)的充電時(shí)間相比，大幅度改善了用戶(hù)體驗(yàn)。FCV80燃料電池系統(tǒng)具備超壓保護(hù)、超溫保護(hù)、氫泄漏保護(hù)、碰撞保護(hù)等功能，確保用戶(hù)的用車(chē)安全。

圖1上汽大通FCV80燃料電池輕型客車(chē)

1.3 氫燃料電池汽車(chē)國(guó)標(biāo)體系趨近完善

經(jīng)過(guò)近年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)燃料電池汽車(chē)相關(guān)的國(guó)標(biāo)體系已經(jīng)趨近完善，主要涵蓋整車(chē)級(jí)的安全和技術(shù)要求，燃料電池系統(tǒng)級(jí)的安全、測(cè)試和技術(shù)要求，以及氫能產(chǎn)業(yè)（如加氫基礎(chǔ)設(shè)施和加氫設(shè)備等）相關(guān)的安全技術(shù)規(guī)范（見(jiàn)表3）。燃料電池汽車(chē)相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)主要由上汽集團(tuán)、中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心、同濟(jì)大學(xué)等國(guó)內(nèi)技術(shù)實(shí)力雄厚的單位起草和制定，對(duì)燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展起到了很好的指導(dǎo)作用。

表3 燃料電池汽車(chē)主要國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

雖然國(guó)內(nèi)的燃料電池標(biāo)準(zhǔn)體系已經(jīng)基本建立，但是不難發(fā)現(xiàn)，還存在一些需要完善的地方，如70MPa級(jí)的燃料電池汽車(chē)及系統(tǒng)的安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)還未出臺(tái)，現(xiàn)行國(guó)標(biāo)中的測(cè)試方法的可實(shí)施性還有待提高，部分標(biāo)準(zhǔn)中的技術(shù)要求低于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求等，后續(xù)須在這些方面進(jìn)一步開(kāi)展工作。

2 政策支持發(fā)展氫燃料電池汽車(chē)

近年來(lái)，國(guó)家相繼出臺(tái)了《節(jié)能與新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012—2020年）》《中國(guó)制造2025》《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016—2030年）》《國(guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略綱要》《“十三五”國(guó)家戰(zhàn)略性創(chuàng)新新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》及《汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》等政策，明確要求重點(diǎn)發(fā)展氫能與燃料電池技術(shù)。

2018年財(cái)政部和工信部發(fā)布了《關(guān)于調(diào)整完善新能源汽車(chē)推廣應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)貼政策的通知》（財(cái)建〔2018〕18號(hào)），通知對(duì)燃料電池汽車(chē)補(bǔ)貼力度保持不變，燃料電池乘用車(chē)按燃料電池系統(tǒng)的額定功率進(jìn)行補(bǔ)貼，燃料電池客車(chē)和專(zhuān)用車(chē)采用定額補(bǔ)貼方式。鼓勵(lì)技術(shù)水平高、安全可靠的產(chǎn)品推廣應(yīng)用，并要求乘用車(chē)燃料電池系統(tǒng)的額定功率不小于10kW，商用車(chē)燃料電池系統(tǒng)的額定功率不小于30kW。

2014年財(cái)政部發(fā)布了《關(guān)于新能源汽車(chē)充電設(shè)施建設(shè)獎(jiǎng)勵(lì)的通知》（財(cái)建[2014] 692號(hào)），對(duì)符合加氫站國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，且每天加氫不少于200kg的加氫站將給予400萬(wàn)的補(bǔ)貼。目前財(cái)政部等四部委正根據(jù)新能源車(chē)推廣應(yīng)用規(guī)模和充電設(shè)施建設(shè)運(yùn)營(yíng)成本等情況，對(duì)獎(jiǎng)勵(lì)政策進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，積極引導(dǎo)加氫站的建站技術(shù)發(fā)展，全面配合氫燃料電池汽車(chē)的商業(yè)推廣。

2015年開(kāi)始，國(guó)內(nèi)各省/自治區(qū)/直轄市也積極布局和推廣燃料電池產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)生了巨大的引領(lǐng)效應(yīng)，逐步形成了以上海、北京、佛山、江蘇（如皋）為代表的燃料電池汽車(chē)示范運(yùn)營(yíng)區(qū)域。

2018年5月21日，上海市發(fā)布了《上海市燃料電池汽車(chē)推廣應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)助方案》，按中央財(cái)政補(bǔ)助1∶0.5給予本市財(cái)政補(bǔ)助。當(dāng)燃料電池功率不小于60kW,或燃料電池與驅(qū)動(dòng)電池額定功率之比不低50%的，按中央財(cái)政補(bǔ)助1∶1給予本市財(cái)政補(bǔ)助。2018年6月14日，廣東省人民政府發(fā)布了《關(guān)于加快新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的意見(jiàn)》，明確要求2018—2020年新能源汽車(chē)推廣應(yīng)用省級(jí)財(cái)政補(bǔ)貼資金中30%用于氫燃料電池汽車(chē)的推廣。2018年3月19日，蘇州市發(fā)改委發(fā)布了《蘇州市氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展指導(dǎo)意見(jiàn)（試行）》，意見(jiàn)提出到2025年，氫能產(chǎn)業(yè)鏈年產(chǎn)值突破500億元，建成40座加氫站，批量投放超過(guò)10000輛氫燃料電池公交車(chē)、物流車(chē)、市政環(huán)衛(wèi)車(chē)和乘用車(chē)。國(guó)內(nèi)主要的氫燃料電池產(chǎn)業(yè)地方政策如表4所示。

表4 國(guó)內(nèi)主要?dú)淙剂想姵禺a(chǎn)業(yè)地方政策

3 氫能良好的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)支持氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展

支持氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)快速發(fā)展的另一大因素是氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)良好。氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)涉及的氫能產(chǎn)業(yè)主要包括制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)氫和加氫等環(huán)節(jié)。

3.1 制氫產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)

根據(jù)氫氣產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀，工業(yè)制氫技術(shù)已經(jīng)非常成熟，主要制氫方法有三大類(lèi)。第一類(lèi)是化石原料制氫，包括煤制氫、天然氣重整制氫、甲醇裂解制氫等。這一類(lèi)方法技術(shù)成熟度最高，原料也易于獲得，我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)是“富煤貧油少氣”，煤制氫未來(lái)會(huì)是比較適合我國(guó)國(guó)情的一種方式，而且隨著潔凈煤技術(shù)的發(fā)展，將使煤制氫更加環(huán)境友好。

第二類(lèi)方法是水電解制氫，水電解制氫的主要問(wèn)題是耗電量較大，電力成本昂貴，是化石原料制氫的3～5倍；水電解制氫的電力來(lái)源也可以是電網(wǎng)的廢電以及風(fēng)電、水電等可再生能源，從而使水電解制氫的經(jīng)濟(jì)性得到改善。

第三類(lèi)方法是工業(yè)廢氫的提純，氯堿工業(yè)、石化行業(yè)、鋼鐵行業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的廢氫，以往主要用于鍋爐燃燒或直接火炬燃燒排放；隨著對(duì)氫能需求的日益凸顯，很多廠(chǎng)家注意到工業(yè)廢氫是一種有價(jià)值的資源，可以直接通過(guò)變壓吸附的方式進(jìn)行提純得到高純氫，給燃料電池車(chē)用或其他工業(yè)用途。這種制氫方式，變廢為寶，一次性投資成本和生產(chǎn)成本均較低，但是一定程度上會(huì)受上游產(chǎn)業(yè)的制約。

總之，氫氣來(lái)源廣泛，目前我國(guó)可以用于氫能的氫氣產(chǎn)能已經(jīng)超過(guò)700億立方/年，其中煤制氫和副產(chǎn)氫氣提純的成本很低，大約在11元/kg,百公里氫耗成本可以媲美燃油車(chē)百公里油耗成本，為氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)后續(xù)的大規(guī)模商業(yè)化運(yùn)行提供了有力的經(jīng)濟(jì)性支撐。

3.2 成熟的氫氣存儲(chǔ)

氫氣存儲(chǔ)包括物理壓縮、液氫、化合物儲(chǔ)氫、物質(zhì)吸附等多種方式，目前比較成熟的商用存儲(chǔ)方式為壓縮氫氣存儲(chǔ)和液氫存儲(chǔ)。壓縮氫氣存儲(chǔ)是將氫氣壓縮到15MPa或20MPa的壓力，存儲(chǔ)在鋼瓶或高壓管束中，適用于少量的氫氣存儲(chǔ)；液氫存儲(chǔ)是通過(guò)壓縮、膨脹、換熱等過(guò)程將氫氣液化，存儲(chǔ)于真空絕熱儲(chǔ)罐中，可以實(shí)現(xiàn)大量氫氣的存儲(chǔ)，但由于熱損失客觀(guān)存在，所以存儲(chǔ)過(guò)程中會(huì)有一定的氫氣蒸發(fā)損失。

3.3 多樣化的氫氣運(yùn)輸方式

氫氣的運(yùn)輸比較靈活，可以滿(mǎn)足各種類(lèi)型的使用需求。總體而言，氫氣運(yùn)輸方式主要有壓縮氫氣運(yùn)輸、氫氣管道輸送、液氫運(yùn)輸。壓縮氫氣運(yùn)輸是指通過(guò)鋼瓶或管束車(chē)進(jìn)行運(yùn)輸，適用于短距離、相對(duì)少量的氫氣需求，目前國(guó)內(nèi)的加氫站氫氣來(lái)源主要是管束車(chē)；氫氣管道輸送的方式是指在制氫工廠(chǎng)將氫氣增壓通過(guò)管道的方式直接輸送至終端用戶(hù)，適用于化工園區(qū)這種用戶(hù)相對(duì)集中的場(chǎng)合，管道輸送方式初期投資高，后續(xù)使用、維護(hù)成本低；液氫運(yùn)輸是指通過(guò)低溫槽車(chē)來(lái)運(yùn)輸液氫，單車(chē)運(yùn)輸量較大，適用于運(yùn)輸距離長(zhǎng)和需求量大的場(chǎng)合，而且液氫增壓的能耗比氫氣增壓的能耗低很多，目前國(guó)外液氫在加氫站中的使用非常廣泛。

3.4 加氫站建設(shè)

國(guó)內(nèi)加氫站的建設(shè)正在大力開(kāi)展中，預(yù)計(jì)到2020年國(guó)內(nèi)預(yù)計(jì)將建成100座加氫站，到2030年國(guó)內(nèi)預(yù)計(jì)將建成1000座加氫站，全力配合氫燃料電池汽車(chē)的商業(yè)化推廣。目前國(guó)內(nèi)加氫站的主要情況如表5所示。

表5 國(guó)內(nèi)主要加氫站統(tǒng)計(jì)

為了支持氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用和運(yùn)行，氫能領(lǐng)域還有如下問(wèn)題亟待解決：①早日建立液氫作為一種民用能源的標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)體系，為日后大規(guī)模、低成本、高效率地使用氫能源奠定基礎(chǔ)；②簡(jiǎn)化加氫站的審批流程，降低加氫站建設(shè)土地申請(qǐng)的難度，參考國(guó)際加氫站的標(biāo)準(zhǔn)降低加氫站建站的防火間距等要求，進(jìn)一步推進(jìn)國(guó)內(nèi)加氫站的建設(shè)速度。

4 總結(jié)和展望

目前國(guó)內(nèi)外氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)和整車(chē)發(fā)展迅猛，我國(guó)的氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)應(yīng)用及氫能產(chǎn)業(yè)正處于快速發(fā)展的上升期，國(guó)家和地方發(fā)布了多項(xiàng)政策和標(biāo)準(zhǔn)以推動(dòng)發(fā)展，相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈和技術(shù)也在不斷完善。社會(huì)對(duì)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的愿景不會(huì)改變，零排放的氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)和清潔的氫能源是實(shí)現(xiàn)人類(lèi)美好家園的重要選擇。但發(fā)展的過(guò)程中也需要認(rèn)識(shí)到，國(guó)內(nèi)氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)和整車(chē)技術(shù)還需要不斷研發(fā)和探索，氫能基礎(chǔ)設(shè)施也有待完善，后續(xù)在這些領(lǐng)域須有進(jìn)一步創(chuàng)新和突破。