氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展研究

文/裴馮來 高怡晨 郭則新

世界范圍內(nèi)，氫燃料電池汽車發(fā)展雖然已進(jìn)入商業(yè)化初期，卻受到氫源基礎(chǔ)設(shè)施（包括制氫、儲氫、加氫）、整車、系統(tǒng)、核心零部件及其材料全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)和商業(yè)水平的制約。具體到我國，在補(bǔ)貼政策不退坡和雙積分政策的利好下，氫燃料電池汽車已進(jìn)入發(fā)展的快車道。但跟國際先進(jìn)水平相比，目前我國在加氫站數(shù)量和制/儲氫水平、系統(tǒng)工程化程度、核心部件水平、材料關(guān)鍵技術(shù)及制備上仍存在著差距。本文將結(jié)合國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)狀況和第三方檢測機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫，從氫燃料電池汽車全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展水平出發(fā)，梳理其工程化、設(shè)計匹配、核心部件、測試方法與手段方面存在的主要問題，并為之后氫燃料電池汽車全產(chǎn)業(yè)鏈的進(jìn)一步商業(yè)化提出建議。

一、氫源基礎(chǔ)設(shè)施

作為燃料電池汽車商業(yè)化運營的保障，加氫基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)量和技術(shù)水平具有決定性的作用。根據(jù)Netinform網(wǎng)站實時加氫站的數(shù)據(jù)顯示，截至2017年11月，全球共有317座加氫站正在運營，計劃建設(shè)數(shù)量為121座，停止運營的加氫站有191座。正在運營的加氫站中歐洲有132座，亞洲116座，北美洲69座，南美洲2座，大洋洲1座。從全球加氫站數(shù)量可以看出，日、美、德發(fā)展水平無疑處于第一梯隊，并形成了初具規(guī)模的加氫站供應(yīng)鏈，這將為其氫燃料電池汽車的大規(guī)模商業(yè)化奠定堅實基礎(chǔ)；英、法等國家暫處于第二梯隊。

與國外大規(guī)模建站不同，我國現(xiàn)有加氫站數(shù)量稀少（如表1所示），建成且可運行的加氫站僅有7座，主要是為研發(fā)或示范用氫燃料電池乘用車、公交車或物流車等提供加注服務(wù)，無法滿足大規(guī)模商業(yè)示范需求。擬建中的加氫站有20余座，分別位于上海、北京、云浮、張家港、大連和中山等地，未來國內(nèi)市場對加氫站的需求很大。

表1 我國加氫站運營情況

從技術(shù)路線分析，城市加氫站可分為三類：電解水現(xiàn)場制氫、天然氣重整現(xiàn)場制氫和外部供氫技術(shù)。歐洲大多數(shù)加氫站采用更為環(huán)保的可再生能源（風(fēng)能、太陽能等）結(jié)合電解水現(xiàn)場制氫，利用電力將水分解成氫氣和氧氣，利用壓縮機(jī)將氫氣以高壓的形式儲存再儲罐中并通過加注機(jī)向燃料電池汽車加注。重整制氫技術(shù)采用氫氣純化技術(shù)，將天然氣重整純化后的氫氣通過壓縮機(jī)加壓儲存再儲罐中等待加注。外部供氫主要采取管道或者長管拖車將來自鋼鐵煤炭企業(yè)的副產(chǎn)業(yè)氫氣，運輸?shù)郊託湔荆还艿拦渲饕獫M足就近需求；以長管拖車，每車18個高壓瓶來算，每次可以以20 MPa壓力運輸4 000 Nm3的氫氣，同時其20 MPa的氫氣還能降低壓縮機(jī)的功耗。相比之下，我國的優(yōu)勢是有大量的廉價副產(chǎn)氫，全國副產(chǎn)氫近千萬噸，涉及焦?fàn)t煤氣、合成氨、甲醇、氯堿等，已甲醇為例，每噸甲醇，釋放氣量約為780標(biāo)方，其中氫氣的含量約為70%。

在標(biāo)準(zhǔn)方面，目前有GB 50516-2010《加氫站技術(shù)規(guī)范》、GB/T 34584-2017《加氫站安全技術(shù)規(guī)范》、GB/T 26990-2011《燃料電池電動汽車車載氫系統(tǒng)技術(shù)條件》和GB/T 34425-2017《燃料電池電動汽車加氫槍》等。

二、氫燃料電池汽車

燃料電池汽車，已經(jīng)成為燃料電池技術(shù)應(yīng)用的一個重要領(lǐng)域。目前，氫燃料電池汽車已經(jīng)建立了從整車的電安全、最高車速和電磁干擾等，到系統(tǒng)、零部件的性能、耐久和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等國家標(biāo)準(zhǔn)體系?；趪覚C(jī)動車產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心（上海）的公告標(biāo)準(zhǔn)測試和數(shù)據(jù)庫，可進(jìn)行相應(yīng)技術(shù)成熟度評價研究。

基于氫燃料電池汽車技術(shù)成熟度（TRL）的9級評價模型和第三方檢測數(shù)據(jù)庫（見圖1）分析。目前，氫燃料電池汽車整車技術(shù)基本處于TRL7級；國內(nèi)燃料電池系統(tǒng)、氫系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)核心零部件（空壓機(jī)、泵等）基本處于TRL3-TRL4級；堆內(nèi)部主要部件：質(zhì)子交換膜、催化劑處在TRL6級，電極材料處在TRL7級，氣體擴(kuò)散層處在TRL8級。

圖1 TRL技術(shù)成熟度9級評價模型

現(xiàn)階段，氫燃料電池汽車存在的主要問題是整車集成缺乏正向設(shè)計和開發(fā)，系統(tǒng)層面的集成度低、工程化程度低，如通過GB/T 31467.3-2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng) 第3部分:安全性要求與測試方法》中7.1條款的振動測試后，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破損，管路存在裂口、泄露等問題。同時，動力系統(tǒng)及零部件設(shè)計、選型，匹配經(jīng)驗少，兼顧能耗、性能和安全的多目標(biāo)優(yōu)化的能力管理、故障診斷與容錯控制技術(shù)，仍需要進(jìn)一步開發(fā)。另外，隨著GB/T 24554-2009《燃料電池發(fā)動機(jī)性能試驗方法》的修訂稿送審，發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的低溫冷啟動將納入公告測試項目，國外先進(jìn)水平如豐田等已經(jīng)實現(xiàn)了零下30 ℃的低溫啟動，國內(nèi)基本完成了其燃料電池發(fā)動機(jī)零下10 ℃～20 ℃的低溫冷啟動。

目前，從示范的角度，氫燃料電池汽車在國內(nèi)仍處于小規(guī)模示范運行階段，且由于加氫站的限制，只要集中在商用車（物流車、定班車等）和公交車的示范運行，以積累數(shù)據(jù)和驗證方法。這種百輛至千輛級的示范運行對于未來技術(shù)提升、保障方法和運營模式的探索起著至關(guān)重要的作用。

1.氫燃料電池系統(tǒng)

通過國家機(jī)動車產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心（上海）所建立的新能源汽車試驗數(shù)據(jù)庫，抽取不同類型的測試項目進(jìn)行梳理分析，列舉了主要的測試項目：包括燃料電池發(fā)動機(jī)性能、耐久性、可靠性、車載氫系統(tǒng)、核心零部件性能及耐久性、系統(tǒng)及零部件的環(huán)境適應(yīng)性、EMC可靠性等。其中，燃料電池發(fā)動機(jī)性能測試占所有測試中的51%，說明了目前系統(tǒng)集成商研發(fā)的側(cè)重；另一方面，非常重要的燃料電池發(fā)動機(jī)可靠性、耐久性，系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性和EMC相關(guān)測試相加不超過10%，說明了其發(fā)展處于初級階段，只有極少的企業(yè)進(jìn)行了實驗室或?qū)嶋H驗證。另，對不同功率級別的燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行信息統(tǒng)計，自從2017年2月中機(jī)函2號文發(fā)布后，30 kW級別的燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)測試占61%，側(cè)面顯示了現(xiàn)階段氫燃料電池發(fā)動機(jī)的功率級別側(cè)重；但是基于補(bǔ)貼導(dǎo)向的市場化傾向，還是要回歸技術(shù)需求，如豐田114 kW的全功率燃料電池乘用車，燃料電池功率大于80 kW的電混合燃料電池大巴車。

目前，國內(nèi)燃料電池發(fā)動機(jī)技術(shù)成熟度基本處于TRL3-TRL4級，在平臺和設(shè)計和關(guān)鍵技術(shù)方面，系統(tǒng)集成度低；動力系統(tǒng)及零部件設(shè)計、選型、匹配經(jīng)驗少；大功率電堆、DC-DC等關(guān)鍵部件工程化程度低；兼顧動態(tài)響應(yīng)、可靠耐久等多目標(biāo)優(yōu)化的系統(tǒng)控制技術(shù)需進(jìn)一步開發(fā)；在工程化方面，工藝水平較低，很難滿足IP67、振動沖擊可靠性、EMC和環(huán)境適應(yīng)性等需求。

國內(nèi)無論是燃料電池系統(tǒng)或氫系統(tǒng)，其整體發(fā)展程度均處于起步階段，急需一些有代表性和體量的企業(yè)出現(xiàn)，從關(guān)鍵技術(shù)、設(shè)計匹配和工程化程度方面追趕國際先進(jìn)水平。

2.電堆和BOP核心零部件

目前，氫燃料電池汽車采用的電堆主要分為兩種：一種依賴進(jìn)口，暫未解決國產(chǎn)化問題；一種依賴國內(nèi)國產(chǎn)企業(yè)，其可靠性、耐久性和大功率需求仍有待提升，國產(chǎn)電堆低，中電密下，電堆效率遠(yuǎn)低于國際先進(jìn)水平，電堆可靠性和耐久性能差。

對于輔助系統(tǒng)，目前國內(nèi)核心零部件國產(chǎn)化、選型和匹配優(yōu)化問題突出。其中，問題最大的包括空氣壓縮機(jī)、70 MPaⅣ型高壓儲氫瓶、氫循環(huán)泵、冷卻裝置等。

空氣壓縮機(jī)是氫燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)中的核心部件，為氫燃料電池提供氧氣供給，針對不同氫燃料電池的性能需求，通常有滑片式、螺桿式、離心性、渦旋式和羅茨式空壓機(jī)。然而，通過現(xiàn)階段試驗發(fā)現(xiàn)，空壓機(jī)的功率消耗占電堆總輸出的20%～30%，成本占?xì)淙剂想姵叵到y(tǒng)的20%，而我國空壓機(jī)的技術(shù)成熟度遠(yuǎn)低于國外先進(jìn)水平，沒有將電機(jī)和控制器進(jìn)行集成設(shè)計和優(yōu)化的能力，可靠性和耐久性得不到保障。空壓機(jī)基于GB/T 24554-2009的測試，通過記錄各部分輔助系統(tǒng)的電壓、電流和功耗，發(fā)現(xiàn)空壓機(jī)的功耗需求約占輔助系統(tǒng)功耗的85%，占系統(tǒng)體系的30%；通過對氫燃料電池發(fā)動機(jī)1 m外噪聲監(jiān)控發(fā)現(xiàn)，絕大部分噪聲來源于空氣壓縮機(jī)。

同時，由于我國現(xiàn)階段的技術(shù)法規(guī)將儲氫瓶的工作壓力規(guī)定為35 MPa，并使用Ⅲ型瓶，但儲氫系統(tǒng)的容積和壓力決定氫燃料電池的續(xù)航里程，保障單次充氫行駛500 km以上，儲氫系統(tǒng)的質(zhì)量儲氫率要達(dá)到5.5%以上，歐洲已經(jīng)先后將70 MPaⅣ型儲氫瓶作為車載氫系統(tǒng)裝車示范運行。相比之下，我國需要盡快完善70 MPaⅣ型（質(zhì)量儲氫密度更高、壽命更高和整體結(jié)構(gòu)更強(qiáng)）儲氫系統(tǒng)的研究并通過相應(yīng)的檢測，重新修訂標(biāo)準(zhǔn)閾值，減少與國外技術(shù)的差距。

3.核心材料及部件

氫燃料電池關(guān)鍵部件材料主要包括催化劑，質(zhì)子交換膜，膜電極（MEA）等。其中，質(zhì)子交換膜（PEM）是PEMFC的核心部件，現(xiàn)階段可分有全氟磺酸型質(zhì)子交換膜、Naf i on重鑄膜、非氟聚合物質(zhì)子交換膜和新型復(fù)合質(zhì)子交換膜等。目前，我國在此領(lǐng)域正逐漸縮短和國際水平的差距。

催化劑，目前主要以鉑為主，鉑資源主要由國外集團(tuán)掌控，國際先進(jìn)水平如豐田已采用了鉑-鈷（Pt-Co）合金催化劑，并通過優(yōu)化鉑鈷合金比，使催化劑的性能提高了80%。國內(nèi)尚處于研發(fā)階段，主要由一些企業(yè)（如貴研鉑業(yè)、新源動力）和一些研發(fā)機(jī)構(gòu)（如大連化學(xué)物理研究所、清華大學(xué)等）進(jìn)行一些新型催化劑的研發(fā)。國外企業(yè)對鉑的實際用量約0.4 g/kW，而國內(nèi)由于關(guān)鍵材料未能實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，催化劑的實際用量要高于國際水平，約為20 g/輛。

雙極板先進(jìn)技術(shù)主要有豐田的鈦板和歐美的金屬板；國內(nèi)目前相對落后，主要采用石墨板（模鑄雙極板、膨脹石墨雙極板），金屬雙極板處于實驗室研發(fā)階段。

在氫燃料電池材料級方面，我國與國際先進(jìn)水平相比有明顯差距，技術(shù)成熟度基本處于TRL6-TRL7級，技術(shù)和工程化與國際先進(jìn)水平存在代差，量產(chǎn)化產(chǎn)品較少。

三、氫燃料電池汽車全產(chǎn)業(yè)鏈商業(yè)化的發(fā)展方向和建議

1.完善國內(nèi)氫燃料電池全產(chǎn)業(yè)鏈

在產(chǎn)業(yè)鏈上游利用政策導(dǎo)向利好，結(jié)合各地優(yōu)勢形成相應(yīng)的示范運行地區(qū)，解決標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)、加氫設(shè)施等基礎(chǔ)問題，合理利用現(xiàn)有的副產(chǎn)氫，結(jié)合現(xiàn)有加油站、加氣站，完善配套設(shè)施的規(guī)劃和建設(shè)，同時建立相應(yīng)的售后服務(wù)體系；中游加強(qiáng)整車廠和系統(tǒng)集成商的正向研發(fā)和動力系統(tǒng)集成水平，結(jié)合國家補(bǔ)貼政策，促進(jìn)整車企業(yè)與高校科研機(jī)構(gòu)建立產(chǎn)學(xué)研聯(lián)盟，形成協(xié)同推進(jìn)平臺；下游聚集核心零部件供應(yīng)商，加強(qiáng)零部件國產(chǎn)化和技術(shù)水平，重點支持膜、催化劑、MEA及系統(tǒng)集成技術(shù)等研發(fā)；從配套設(shè)施、整車、系統(tǒng)、零部件到售后服務(wù)，形成相應(yīng)產(chǎn)業(yè)鏈閉環(huán)體系。

2.提升我國氫燃料電池汽車整體技術(shù)成熟度和基礎(chǔ)設(shè)施水平

我國氫燃料電池汽車整體技術(shù)成熟度和基礎(chǔ)設(shè)施仍未達(dá)到世界先進(jìn)水平，針對現(xiàn)階段的示范運行，建議主體依托客車和物流車等對加氫站依賴度低的車型；其次，通過大規(guī)模的示范運行，建立相應(yīng)的示范運行數(shù)據(jù)平臺，通過對大數(shù)據(jù)的分析，研究氫燃料電池汽車的技術(shù)提升方案、運營模式、發(fā)展路徑，以及氫燃料電池汽車、純電動汽車和燃油車運行成本差異，推廣氫燃料電池汽車商業(yè)化，并對氫燃料電池汽車的可靠性、耐久性進(jìn)行考核，提出改進(jìn)意見，確保氫燃料電池汽車商業(yè)化示范達(dá)到現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)水平。目前，氫燃料電池電動汽車仍處于產(chǎn)業(yè)化初期準(zhǔn)備階段，隨著整車企業(yè)陸續(xù)進(jìn)入，示范運行車輛數(shù)量不斷增多，相應(yīng)的核心零部件正逐漸擺脫國外進(jìn)口，最終將實現(xiàn)國產(chǎn)化；建議在2020年前的窗口期盡快實現(xiàn)先進(jìn)技術(shù)的國產(chǎn)化。

3.完善我國現(xiàn)有的零部件測評能力和方法

從標(biāo)準(zhǔn)體系來說，我國現(xiàn)有的零部件測評能力、方法和國外先進(jìn)水平相比，仍有差距，我國已結(jié)合國情推出了70余項氫燃料電池相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，建議繼續(xù)完善包含氫燃料電池汽車運行相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施、整車（氫/電安全、排放等）、系統(tǒng)（氫燃料電池發(fā)動機(jī)、氫系統(tǒng)等）、核心零部件（電堆、加氫口、加氫槍等）的性能/可靠性/環(huán)境適應(yīng)性等國家、地方和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。同時，進(jìn)一步加強(qiáng)國際交流，直接參與國際上的一些標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)的制定，有利于加快我國現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的制定進(jìn)度，促進(jìn)整個產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，為其提供技術(shù)保障。