規(guī)模漸成 短板猶存：2019年燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化怎樣搶位 ？

展望2019年,中國(guó)的車(chē)用燃料電池技術(shù)要在國(guó)際上具有競(jìng)爭(zhēng)力,重要的是要降低成本、提升電堆的工作電流密度和比功率、電池系統(tǒng)的可靠性和耐久性,需要科研院所與企業(yè)界聯(lián)合攻關(guān),大力完善發(fā)展燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈,加快促進(jìn)我國(guó)燃料電池汽車(chē)商業(yè)化。

目前我國(guó)政府非常重視新能源汽車(chē)的發(fā)展,燃料電池汽車(chē)具有動(dòng)力性能高、加氫快、充電快、續(xù)航里程長(zhǎng)、接近零排放等優(yōu)點(diǎn),成為新能源汽車(chē)的有力競(jìng)爭(zhēng)者,也迎來(lái)了難得的發(fā)展機(jī)遇。

2018年被稱(chēng)為氫燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化快速發(fā)展年,展望2019年,中國(guó)的車(chē)用燃料電池技術(shù)要在國(guó)際上具有競(jìng)爭(zhēng)力,重要的是要降低成本、提升電堆的工作電流密度和比功率、電池系統(tǒng)的可靠性和耐久性,需要科研院所與企業(yè)界聯(lián)合攻關(guān),大力完善發(fā)展燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈,加快促進(jìn)我國(guó)燃料電池汽車(chē)商業(yè)化。

步入產(chǎn)業(yè)導(dǎo)入期

過(guò)去十多年間,在國(guó)家科技計(jì)劃和產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新工程的支持下,我國(guó)開(kāi)展了氫能燃料電池汽車(chē)的研究、開(kāi)發(fā)、示范、運(yùn)營(yíng)工作,初步形成了從燃料電池電堆、電池系統(tǒng),到整車(chē)研發(fā)體系和制造的能力,開(kāi)展了系統(tǒng)的示范運(yùn)行。

2014年12月15日,日本豐田公司開(kāi)始銷(xiāo)售MIRAI汽車(chē),同時(shí)宣布專(zhuān)利可以無(wú)償使用,這對(duì)燃料電池汽車(chē)發(fā)展具有重大意義。從國(guó)際上看,燃料電池汽車(chē)已經(jīng)渡過(guò)技術(shù)開(kāi)發(fā)階段,進(jìn)入市場(chǎng)導(dǎo)入階段。從國(guó)內(nèi)來(lái)看,燃料電池關(guān)鍵材料的研究已達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平,全國(guó)政協(xié)副主席萬(wàn)鋼在長(zhǎng)春科協(xié)年會(huì)上指出,氫燃料電池在壽命、可靠性、適用性上基本達(dá)到了車(chē)輛使用要求,中國(guó)初步掌握了相關(guān)的核心技術(shù),基本建立了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)平臺(tái),未來(lái)主要是加強(qiáng)協(xié)同創(chuàng)新,加快推進(jìn)燃料電池產(chǎn)業(yè)的全面發(fā)展。

具體來(lái)看,在技術(shù)層面,氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)功率得到大幅度提升,用70兆帕氣瓶已經(jīng)可以跑500千米以上,基本上滿(mǎn)足零下30攝氏度啟停工況要求。在電堆方面,國(guó)際上燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)達(dá)到了四缸內(nèi)燃機(jī)的體積水平,去年本田宣布已經(jīng)達(dá)到了六缸內(nèi)燃機(jī)的水平,功率密度達(dá)到每立升3千瓦以上。目前,國(guó)內(nèi)裝車(chē)的電堆僅達(dá)到每立升2.0千瓦左右,比國(guó)外低了1/3左右。

在安全層面,燃料電池安全性比較高,但系統(tǒng)比鋰電池復(fù)雜,同時(shí)燃料電池的動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較慢。應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題,最有效的解決辦法就是采用電電混合動(dòng)力——燃料電池+二次電池(超級(jí)電容器)的方案。二次電池具有削峰填谷的作用,這樣就減少了燃料電池功率的變化速度和變化的幅度,在一定程度上彌補(bǔ)了燃料電池響應(yīng)較慢的缺點(diǎn),同時(shí)提高了燃料電池的壽命。因此,我國(guó)最先研發(fā)的氫燃料電池技術(shù)路線——電電混合技術(shù),也成為目前世界上的主流。

未來(lái),我國(guó)將大力推進(jìn)燃料電池在特殊領(lǐng)域的應(yīng)用,增強(qiáng)相關(guān)領(lǐng)域的實(shí)力;同時(shí),在民用領(lǐng)域?qū)⒓薪鉀Q壽命與成本兼顧問(wèn)題,從材料、部件、系統(tǒng)等三個(gè)層次進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)與創(chuàng)新,盡快推進(jìn)燃料電池商業(yè)化步伐,提供高能效、環(huán)境友好的燃料電池發(fā)電技術(shù),為建立清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系做出貢獻(xiàn)。

規(guī)模漸成 短板猶存

在具體應(yīng)用方面,由于燃料電池發(fā)電原理是電化學(xué),車(chē)用效率比較高,可以達(dá)到60%左右,因此與純電動(dòng)汽車(chē)和插電式混合動(dòng)力汽車(chē)相比,更適合于大功率、長(zhǎng)程的運(yùn)輸,應(yīng)用在公交車(chē)和重載車(chē)方面有明顯的優(yōu)勢(shì)。這也是燃料電池車(chē)代替柴油車(chē)的一個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域,早在2015年,由于燃料電池乘用車(chē)受加氫站的限制,日本豐田和日野合作開(kāi)發(fā)燃料電池大巴,準(zhǔn)備作為奧運(yùn)會(huì)的通勤車(chē)。最近日本豐田公司又開(kāi)始和美國(guó)肯沃斯合作開(kāi)發(fā)重載汽車(chē),準(zhǔn)備在美國(guó)加州投運(yùn)10輛氫燃料電池卡車(chē),加州空氣委員會(huì)為此提供了4500萬(wàn)美元的資助。

2018年,國(guó)內(nèi)在示范運(yùn)行層面已經(jīng)行動(dòng)起來(lái),比如上海方面表示,準(zhǔn)備投入400～500輛商用車(chē)示范運(yùn)行,還要建立動(dòng)力系統(tǒng)及零部件研發(fā)平臺(tái)、氫能產(chǎn)業(yè)公共服務(wù)平臺(tái)、燃料電池車(chē)運(yùn)營(yíng)保養(yǎng)中心三個(gè)平臺(tái)。在河北省張家口,有74輛燃料電池車(chē)開(kāi)始示范運(yùn)行,其運(yùn)行的意義在于證明寒冷條件下運(yùn)行的燃料電池車(chē)只要解決了啟動(dòng)問(wèn)題,會(huì)比鋰電池車(chē)更具優(yōu)越性,可以避免像鋰離子電池受溫度影響比較大的短板。

在企業(yè)層面,截至2018年,共有57家企業(yè)86個(gè)車(chē)型入選工信部銷(xiāo)售目錄,其中億華通有23款、廣東國(guó)鴻有20款,億華通與神力合作研制了3種類(lèi)型的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī),功率從30千瓦到60千瓦,都已實(shí)現(xiàn)裝車(chē)示范運(yùn)行。宇通客車(chē)已經(jīng)開(kāi)發(fā)了三代燃料電池車(chē),在鄭州開(kāi)始示范運(yùn)行。國(guó)鴻氫能引進(jìn)巴拉德技術(shù)后,已經(jīng)能夠推出30～80千瓦的燃料電池電堆,在廣東省云浮市裝載了70輛燃料電池大巴車(chē)投入運(yùn)行。

截至2018年底,我國(guó)共有2400多輛燃料電池車(chē)在運(yùn)行,但運(yùn)營(yíng)加氫設(shè)施與國(guó)外差距較大。從世界范圍來(lái)看,截至2017年底,全球運(yùn)行的加氫站有328座,亞洲119座,歐洲139座,北美68座,南美1座,澳洲1座。其中,日本第一,91座;德國(guó)第二,45座;美國(guó)第三,40座。到2018年7月,我國(guó)共建成加氫站12座并投入運(yùn)營(yíng),在建的加氫站有33座,距離2020年目標(biāo)建成100座還相差較大。

電堆、系統(tǒng)需兩手抓

2018年12月初,科技部發(fā)布《2019氫能等9大重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)申報(bào)指南征求意見(jiàn)稿》明確提出,將對(duì)氫能與燃料電池關(guān)鍵零部件進(jìn)行攻關(guān)。

目前,雖然燃料電池汽車(chē)整體應(yīng)用性能,包括續(xù)駛里程、舒適性、加氫時(shí)間、低溫適應(yīng)性,基本都達(dá)到了燃油汽車(chē)的水平,但面臨的問(wèn)題是沒(méi)有大批量的生產(chǎn)線,成本比較高,還要受加氫站的制約。這就需要盡快提高燃料電池體積、重量比功率,為燃料電池商用車(chē)應(yīng)用降低成本,為燃料電池乘用車(chē)應(yīng)用打好基礎(chǔ)。

要想降低燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的成本,特別是電堆成本,首先要研究提高單體電池的比功率,降低化學(xué)極化、歐姆極化和傳質(zhì)極化。同時(shí),燃料電池的壽命是電堆和系統(tǒng)雙方配合的結(jié)果,所以同時(shí)加強(qiáng)電堆部分、系統(tǒng)部分關(guān)鍵部件的研發(fā)是今后努力的方向。

具體措施包括:首先,完善燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈,盡快實(shí)現(xiàn)電池關(guān)鍵材料如電催化劑,質(zhì)子交換膜、MEA、雙極板等批量生產(chǎn),為降低電堆成本和提高電堆一致性奠定基礎(chǔ)。例如,建立擴(kuò)散層碳紙、催化劑、質(zhì)子交換膜、電極、MEA生產(chǎn)線等,研發(fā)生產(chǎn)空壓機(jī)、氫氣循環(huán)泵等。

其次,提高燃料電池電堆的體積、重量比功率,為開(kāi)發(fā)乘用車(chē)奠定基礎(chǔ)。開(kāi)拓燃料電池商用車(chē)市場(chǎng)也需要研發(fā)高體積、重量比功率的燃料電池電堆。這不僅是為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品體積小的需求,更是為了降低產(chǎn)品成本。要想提高燃料電池電堆體積、重量比功率,核心是要提高電堆工作電流密度。目前,國(guó)內(nèi)燃料電池電堆單池額定工況的工作電流密度已從每平方厘米0.5～1安培提高到了2～3安培,已經(jīng)有很大的進(jìn)步。但要改進(jìn)燃料電池電堆,電堆的工作電力密度要提高,包括制備零部件的一致性和組裝工藝的一致性,否則單片電壓提再高也沒(méi)有用。

再次,深入研發(fā)電堆的衰減機(jī)理,開(kāi)發(fā)抗腐蝕、穩(wěn)定的新材料,大幅度提高燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和耐久性?？煽啃院湍途眯允强肯到y(tǒng)和電堆共同來(lái)決定的,電堆進(jìn)步了能促進(jìn)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化,所以電堆和系統(tǒng)要相互配合,通過(guò)關(guān)鍵材料的進(jìn)步來(lái)簡(jiǎn)化電池系統(tǒng)。

此外,開(kāi)展超低鉑、非鉑電催化劑理論與應(yīng)用研究,從而進(jìn)一步將燃料電池鉑用量降低到小于0.1克/每千瓦,這是國(guó)際上燃料電池的基本要求。目前,從鉑用量來(lái)看,國(guó)際上在每千瓦0.2克,國(guó)內(nèi)0.4克左右,因此還需要做大量的工作。

最后,建立關(guān)鍵部件,包括電堆和電池系統(tǒng)的測(cè)試與耐久性快速評(píng)價(jià)方法。同時(shí)盡快建立中立性的檢測(cè)機(jī)構(gòu),這樣對(duì)推進(jìn)我國(guó)燃料電池技術(shù)進(jìn)步趕上世界先進(jìn)水平會(huì)有重大作用。

從商業(yè)化路線圖來(lái)看,在2020年前后,隨著技術(shù)進(jìn)步與規(guī)模效益的發(fā)展,燃料電池的成本將不斷下降,競(jìng)爭(zhēng)力會(huì)逐漸提升,燃料電池潛在市場(chǎng)也會(huì)逐步壯大。在國(guó)家大力支持下,通過(guò)加強(qiáng)與先進(jìn)國(guó)家合作,在2020～2025年,我們應(yīng)該能突破關(guān)鍵技術(shù),使燃料電池汽車(chē)能進(jìn)入S型曲線的起始階段,大幅度的產(chǎn)業(yè)化推廣估計(jì)要在2025～2030年間。