我國(guó)氫燃料電池汽車發(fā)展前景探究

馬麗 孫鵬 張秋

吉利學(xué)院 四川成都 641402

1 前言

當(dāng)前汽車工業(yè)己經(jīng)成為世界各國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，采取清潔能源燃料的問(wèn)題成為當(dāng)務(wù)之急。一方面，由于目前大部分汽車采用柴油、汽油等石油衍生燃料作為動(dòng)力來(lái)源，汽車的大規(guī)模發(fā)展導(dǎo)致了化石燃料的需求增加，石化能源出現(xiàn)告急；另一方面，化石燃料的燃燒對(duì)環(huán)境造成破壞，霧霾現(xiàn)象、溫室效應(yīng)等環(huán)境問(wèn)題都與汽車尾氣排放直接相關(guān)，世界各國(guó)正計(jì)劃全面禁止銷售傳統(tǒng)燃油汽車。

因此，深入研究和探索今后汽車行業(yè)的發(fā)展方向，以及發(fā)展的同時(shí)如何降低對(duì)環(huán)境的破壞，值得我們深入探討和研究。

2 氫燃料電池汽車的優(yōu)劣勢(shì)

新型燃料資源的研發(fā)對(duì)汽車行業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展尤為關(guān)鍵。以氫氣為能源燃料的氫燃料電池汽車（Fuel Cell Electric Vehicle，簡(jiǎn)寫FCEV）是一種新興的清潔能源汽車，其工作原理是氫氣和氧氣通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，輸出的電能通過(guò)電機(jī)高效轉(zhuǎn)換為機(jī)械能驅(qū)動(dòng)汽車行駛，其優(yōu)點(diǎn)是使用過(guò)程中是零尾氣排放且產(chǎn)物只有水，環(huán)保性能佳且氫燃料利用效率高。

相比傳統(tǒng)燃油汽車，氫燃料電池汽車具有排放物無(wú)污染的優(yōu)勢(shì)；相比電動(dòng)汽車，氫燃料電池汽車具有更長(zhǎng)的續(xù)航里程以及更短的充能時(shí)間等優(yōu)勢(shì)[1]。它的缺點(diǎn)是氫氣不像氮?dú)夂脱鯕馐强諝庵械淖钪饕M成：首先，氫氣可以通過(guò)電解水，但這個(gè)方法不太經(jīng)濟(jì)，能量損失極大；其次，在氫燃料電池發(fā)電的過(guò)程中會(huì)用貴金屬鉑作為催化劑，大規(guī)模生產(chǎn)氫燃料電池的成本極高；此外，儲(chǔ)氫和運(yùn)輸過(guò)程中存在安全隱患。

3 國(guó)外氫燃料電池汽車發(fā)展現(xiàn)狀

目前國(guó)外氫燃料電池汽車比較發(fā)達(dá)的國(guó)家和區(qū)域主要集中在歐美、日韓等國(guó)家和地區(qū)，他們投入了大量資金進(jìn)行研發(fā)，已經(jīng)在關(guān)鍵技術(shù)上取得了一系列重大突破[2,3]，并在意識(shí)層面、技術(shù)層面以及上下游產(chǎn)業(yè)鏈和整體配套設(shè)施等方面較為領(lǐng)先。日本豐田Mirai、韓國(guó)現(xiàn)代NEXO是目前燃料電池乘用車的主流車型，燃料電池技術(shù)、儲(chǔ)氫技術(shù)隨著車型的更新均有提升。德國(guó)奔馳戴姆勒、日本豐田、加拿大New Flyer、美國(guó)Van Hool等生產(chǎn)的氫燃料客車都已上路。寶馬、本田、起亞、雷克薩斯等汽車生產(chǎn)商都積極參與到氫燃料電池汽車的研發(fā)中。世界主要國(guó)家與地區(qū)相繼更新并出臺(tái)了氫能源發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，預(yù)計(jì)到2030年各國(guó)燃料電池乘用車的保有量有明顯增長(zhǎng)，燃料電池乘用車將在新能源汽車市場(chǎng)占據(jù)可觀份額。

2020年9月16日，戴姆勒卡車發(fā)布了其車型電動(dòng)化的技術(shù)戰(zhàn)略，關(guān)注應(yīng)用在長(zhǎng)途運(yùn)輸領(lǐng)域的氫燃料電池卡車技術(shù)，梅賽德斯-奔馳GenH2概念卡車的全球首發(fā)，標(biāo)志著燃料電池驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)展進(jìn)入新階段。德國(guó)車企寶馬也積極投資燃料電池汽車及其相關(guān)技術(shù)，從豐田借用氫燃料技術(shù)來(lái)生產(chǎn)低容量燃料電池版X5 SUV，并將于2022年投產(chǎn)。

目前，美國(guó)擁有世界上超過(guò)一半的燃料電池汽車，超過(guò)25 000輛燃料電池運(yùn)輸車輛。截至2019年，其燃料電池乘用車和燃料電池叉車保有量都居世界第一。美國(guó)南加州Hyperion公司于2020年8月12日發(fā)布了一款使用氫燃料的超級(jí)跑車Hyperion XP-1，將于2022年在美國(guó)限量生產(chǎn)300輛，其續(xù)航里程為1 609 km，加氫時(shí)間僅需5 min，可在2.2 s內(nèi)達(dá)到96.56 km/h的速度，極端溫度也不會(huì)影響到XP-1的氫儲(chǔ)存系統(tǒng)。這款超級(jí)跑車是200多名研究員和科學(xué)家近10年來(lái)對(duì)氫技術(shù)的研究、開發(fā)和測(cè)試的巔峰之作，旨在引領(lǐng)汽車技術(shù)的新前沿。通用汽車旗下的雪佛蘭Equinox氫燃料電池汽車采用通用汽車第四代燃料電池系統(tǒng)，儲(chǔ)氫罐可承受約700 bar的壓力，最大可存儲(chǔ)4.2 kg的氫燃料，最大行駛里程約為240 km，它表明通用公司在汽車燃料電池技術(shù)研發(fā)上取得的進(jìn)展具有里程碑意義。

韓國(guó)政府制定了氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略并出臺(tái)了相關(guān)的支持政策，依托現(xiàn)代汽車等企業(yè)，初步建立了氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)體系。2019年11月20日，現(xiàn)代商用車氫燃料重卡在法國(guó)里昂舉辦的交通運(yùn)輸展覽會(huì)上（Solutrans），榮獲了2020年度卡車（IToY, International Truck of the Year）創(chuàng)新獎(jiǎng)（Truck Innovation Award）?，F(xiàn)代商用車計(jì)劃向瑞士提供的氫燃料電池重卡中，并列搭載了兩個(gè)190 kW級(jí)新型氫燃料電池系統(tǒng)和7個(gè)大型氫氣罐，一次可充35 kg的氫氣，行駛里程可達(dá)400 km。未來(lái)，現(xiàn)代商用車計(jì)劃以瑞士市場(chǎng)為基礎(chǔ)，在德國(guó)、荷蘭、奧地利、挪威等歐洲市場(chǎng)尋求合作伙伴，開拓歐洲環(huán)保商用車市場(chǎng)。

4 我國(guó)燃料電池汽車發(fā)展現(xiàn)狀

作為最大的潛在氫燃料電池汽車消費(fèi)市場(chǎng)之一，我國(guó)已掌握部分氫能基礎(chǔ)設(shè)施與一批燃料電池相關(guān)技術(shù)，具備一定的產(chǎn)業(yè)裝備及燃料電池整車的生產(chǎn)能力[4]。氫燃料電池是燃料電池汽車的主要?jiǎng)恿υ矗鼘淙剂匣瘜W(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，能量轉(zhuǎn)化率高達(dá)90%。在電池功率上，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)功率密度較早期有大幅提升，已達(dá)到傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的水平。目前國(guó)外燃料電池乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率在80～100 kW，本田Clarity的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)功率可達(dá)130 kW，國(guó)內(nèi)典型燃料電池轎車的電池功率為35～50 kW。在電池壽命方面，燃料電池壽命已能滿足商用要求。在使用環(huán)境方面，車用燃料電池能夠適應(yīng)-30的氣候條件，達(dá)到傳統(tǒng)汽車的水平。

目前，我國(guó)的燃料電池汽車商業(yè)運(yùn)營(yíng)主要集中在公交和物流領(lǐng)域，與現(xiàn)階段燃料電池汽車在中重載、高強(qiáng)度方面的定位相符，代表企業(yè)有福田、宇通、上汽、飛馳、長(zhǎng)城等。

公交領(lǐng)域，與地方政府推動(dòng)應(yīng)用為主。物流配送領(lǐng)域，以新成立的燃料電池汽車運(yùn)營(yíng)服務(wù)商推動(dòng)為主，租賃給京東、申通、盒馬、宜家等物流公司。福田汽車已開啟商業(yè)化運(yùn)營(yíng)，且成績(jī)顯著?，F(xiàn)有產(chǎn)品覆蓋8～12 m城市/城間客車，面向2022年冬奧會(huì)，續(xù)駛里程超過(guò)450 km的第四代氫燃料電池客車2020年底可實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，燃料電池重卡也正在研究過(guò)程中。截至目前，北汽福田已累計(jì)銷售氫燃料電池客車達(dá)190輛，累計(jì)運(yùn)行里程超過(guò)300萬(wàn)km，25輛氫燃料電池物流車已經(jīng)量產(chǎn)上市。福田汽車與豐田、億華通合作發(fā)展氫燃料電池客車，形成了較為完善的氫燃料電池車產(chǎn)品布局，大規(guī)模示范運(yùn)營(yíng)的重要機(jī)遇在冬奧會(huì)。

中國(guó)重汽的產(chǎn)品布局重點(diǎn)在載貨車，主要指向港口、環(huán)衛(wèi)等專用領(lǐng)域，應(yīng)進(jìn)一步拓展長(zhǎng)途車型。目前東風(fēng)汽車的燃料電池商用車產(chǎn)品主要由東風(fēng)特汽推出的搭載“甲醇重整氫燃料電池系統(tǒng)”。該系統(tǒng)是通過(guò)甲醇和水的混合液的重整化學(xué)反應(yīng)供應(yīng)氫氣，有別于傳統(tǒng)的高壓罐儲(chǔ)氫方式，氫氣再進(jìn)入燃料電池電堆發(fā)電，做到氫氣的“即產(chǎn)即用”，效率高且成本低。

東風(fēng)汽車在新能源技術(shù)研發(fā)方面，秉承的是商乘協(xié)同、多元路線覆蓋，新一代燃料電池的動(dòng)力系統(tǒng)正在加速開發(fā)。在產(chǎn)品的布局方面，也是商乘并舉，不斷豐富和完善新能源乘用車、新能源商用車等產(chǎn)品。結(jié)合東風(fēng)整體的新能源布局，燃料電池車也將會(huì)得到進(jìn)一步投入，但是與部分企業(yè)相比，步伐仍需提速。

2018年，慶鈴汽車與博世宣布在燃料電池領(lǐng)域進(jìn)行合作，共同推進(jìn)燃料電池技術(shù)在商用車領(lǐng)域的應(yīng)用。它于2019年亮相上海車展，最高時(shí)速為100 km/h，續(xù)航里程能達(dá)到500 km，加氫時(shí)間不到3 min，適用城市內(nèi)、城郊運(yùn)輸為主的中短途物流。慶鈴汽車的戰(zhàn)略已經(jīng)落地，氫能源車的布局已開啟，是少有的發(fā)布?xì)淠馨l(fā)展戰(zhàn)略的商用車企業(yè)。

宇通自2009年開始研發(fā)燃料電池客車，是行業(yè)內(nèi)最早研發(fā)燃料電池客車的企業(yè)之一。已突破燃料電池電——電混合等多項(xiàng)核心技術(shù)，完成了三代燃料電池客車開發(fā)。采用60 kW燃料電池系統(tǒng)和動(dòng)力電池的混合動(dòng)力系統(tǒng)方案，續(xù)航里程達(dá)500 km，于2017年12月進(jìn)入工信部第302批《道路機(jī)動(dòng)車輛生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品公告》，開始走入市場(chǎng)。2018年8月開啟商業(yè)化運(yùn)營(yíng)，2輛宇通12 m燃料電池公交車F12在河南鄭州公交正式投運(yùn)；加氫時(shí)間為10 min，續(xù)駛里程超過(guò)500 km。

2019年5月29日，吉利新能源商用車集團(tuán)（吉利控股集團(tuán)子旗下公司）在北京發(fā)布一款氫燃料電池客車F12，意味著吉利汽車集團(tuán)的“藍(lán)色行動(dòng)”計(jì)劃中又加入了一位成員，吉利汽車集團(tuán)在氫燃料電池領(lǐng)域也開始了戰(zhàn)略布局，目前吉利汽車集團(tuán)已經(jīng)在新能源汽車的電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車、氫燃料汽車領(lǐng)域中全面布局。尤其是在商用車領(lǐng)域，吉利新能源商用車集團(tuán)依托吉利遠(yuǎn)程汽車技術(shù)研究院的工程師及國(guó)家級(jí)的試驗(yàn)驗(yàn)證中心，開發(fā)出來(lái)的F12客車在續(xù)航里程的研發(fā)上，采用氫燃料電堆技術(shù)，通過(guò)了三高測(cè)試，證明了F12客車的環(huán)境適應(yīng)性，百公里燃料消耗僅為7.5 kg氫氣。吉利遠(yuǎn)程汽車技術(shù)研究院同時(shí)團(tuán)隊(duì)在乘用車的基礎(chǔ)上拓展商用車的業(yè)務(wù)，使應(yīng)用在F12氫燃料客車上的高功率燃料電池系統(tǒng)、燃料供給和水熱管理等方面的關(guān)鍵技術(shù)共享轉(zhuǎn)化到乘用車領(lǐng)域，并融合全球的商用車研發(fā)資源，開發(fā)符合中國(guó)道路動(dòng)態(tài)工況的燃料電池乘用車。

5 國(guó)內(nèi)燃料電池技術(shù)的發(fā)展方向

與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)在燃料電池技術(shù)研發(fā)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等方面仍有一定差距，核心技術(shù)和關(guān)鍵零部件仍受制于國(guó)外領(lǐng)軍企業(yè)[5]。

一些世界知名車企將其研發(fā)的燃料電池汽車引入我國(guó)市場(chǎng)，如日本豐田就打算將其生產(chǎn)的鎳氫燃料電池汽車打入我國(guó)市場(chǎng)，德國(guó)大眾及寶馬和美國(guó)福特等汽車企業(yè)則采取與我國(guó)車企合資的方式打開我國(guó)的市場(chǎng)大門。因此，為促進(jìn)以氫燃料電池汽車快速發(fā)展，亟需加強(qiáng)我國(guó)的氫燃料電池汽車核心技術(shù)研發(fā)能力，制定出合理、科學(xué)的發(fā)展戰(zhàn)略，通過(guò)自主創(chuàng)新提升產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，爭(zhēng)取在未來(lái)氫燃料電池汽車的競(jìng)爭(zhēng)中掌握主動(dòng)權(quán)。

目前，氫燃料電池汽車企業(yè)的布局分散，缺少區(qū)域產(chǎn)業(yè)協(xié)同總體規(guī)劃，企業(yè)間無(wú)法有效合作，各環(huán)節(jié)的研發(fā)趨于封閉，資源無(wú)法共享?；谥袊?guó)2016年發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》，以商用車為核心的氫燃料電池汽車（FCEV）市場(chǎng)正加速度發(fā)展擴(kuò)大。

2020年6月5日，中國(guó)一汽、廣汽集團(tuán)、東風(fēng)、北京億華通、北汽集團(tuán)、豐田汽車六家企業(yè)舉行發(fā)布會(huì)并計(jì)劃成立“聯(lián)合燃料電池系統(tǒng)研發(fā)(北京)有限公司”，其主要業(yè)務(wù)是在中國(guó)開展商用車燃料電池系統(tǒng)的研發(fā)，通過(guò)協(xié)商共同規(guī)劃產(chǎn)品，一條龍式地開展?jié)M足中國(guó)市場(chǎng)需求的技術(shù)研發(fā)工作。這將加快氫燃料電池汽車在中國(guó)商用車市場(chǎng)的普及，開發(fā)出具備成本更低、競(jìng)爭(zhēng)力更強(qiáng)的燃料電池系統(tǒng)及其主要組件。

此外，各高?？蒲袆?chuàng)新團(tuán)隊(duì)及科研院所也在進(jìn)行燃料電池汽車方面的創(chuàng)新性研究與測(cè)試，但是這些成果還僅停留在實(shí)驗(yàn)室階段。因此，鼓勵(lì)企業(yè)、高校和科研院所共同合作建立開放式的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和技術(shù)創(chuàng)新中心等機(jī)構(gòu)，建立“產(chǎn)-學(xué)-研”一體的自主創(chuàng)新體系，這將有助于推動(dòng)中國(guó)燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。