基于氫能規(guī)劃的氫動力技術(shù)及交通領(lǐng)域應(yīng)用場景分析

李可 郭哲輝

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300000）

0 引言

在全球著力推進(jìn)實現(xiàn)碳中和目標(biāo)背景下，利用清潔高效的氫能，已成為越來越多國家的共識。全球主要國家先后規(guī)劃出臺國家層面的氫能戰(zhàn)略，如歐盟燃料電池與氫能聯(lián)合組織（FCH JU）發(fā)布《歐洲氫能路線圖》[1]，將氫能視為交通、工業(yè)特定行業(yè)實現(xiàn)大規(guī)模脫碳的最佳選擇。美國燃料電池和氫能協(xié)會發(fā)布了《美國氫能經(jīng)濟(jì)路線圖》[2]，提出氫能對于實現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)低碳的重要性。日本發(fā)布《氫能與燃料電池戰(zhàn)略路線圖》[3]，制定具體的氫能行動目標(biāo)和實現(xiàn)路徑。韓國發(fā)布《氫能經(jīng)濟(jì)發(fā)展路線》[4]，涉及交通、發(fā)電、生產(chǎn)、儲存和安全領(lǐng)域。通過政府層面的戰(zhàn)略，鼓勵氫能在化工、電子、冶金、能源、航空航天以及交通[5]領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，氫能也因具有高熱值、多來源的特點，成為能源轉(zhuǎn)型的重要載體。

因此，制定明晰的氫能發(fā)展戰(zhàn)略、適宜的氫能動力技術(shù)路線，助力實現(xiàn)氫能全產(chǎn)業(yè)鏈綠色低碳，交通領(lǐng)域深度脫碳十分必要。本文通過解析我國氫能規(guī)劃的重點方向，分析當(dāng)下氫能動力的技術(shù)路線、氫能發(fā)展路徑與潛在的應(yīng)用場景，闡述我國氫能產(chǎn)業(yè)與應(yīng)用端發(fā)展現(xiàn)狀并給予趨勢研判、發(fā)展建議。

1 我國出臺氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)劃

2022 年3 月，我國發(fā)布《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035 年）》[6]，是貫徹落實黨中央、國務(wù)院策略部署的重要體現(xiàn)，在推進(jìn)我國氫能產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展方面將發(fā)揮戰(zhàn)略引領(lǐng)作用。該規(guī)劃總體框架為“戰(zhàn)略定位、總體要求、4大舉措、1項保障”，內(nèi)容重點關(guān)注氫能定位、可再生能源與氫、擴(kuò)大氫能示范應(yīng)用場景及技術(shù)創(chuàng)新4大方面。

1.1 明確氫能定位、助力交通領(lǐng)域綠色發(fā)展

目前，我國終端碳排放中15%來源于交通領(lǐng)域，年均增速超過5%[7]。煤炭、石油、天然氣及氫能多種能源中，氫能因無含碳量，成為助力交通領(lǐng)域深度脫碳、促進(jìn)電力與建筑、交通運輸和工業(yè)互連的重要能源。歐美日韓中等全球各國氫能規(guī)劃目的依據(jù)各國國情各不相同，但各國都將氫能視為未來國家能源體系的重要組成部分，助力交通領(lǐng)域減排、綠色發(fā)展是氫能的普遍戰(zhàn)略定位。

1.2 堅持低碳目標(biāo)、打造“可再生能源+氫”的良好產(chǎn)業(yè)環(huán)境

根據(jù)國際能源署（IEA）等機構(gòu)綜合分析可知，2020年灰氫、藍(lán)氫及綠氫成本分別為9.17元（1.3 美元）/kg、14.10元（2.0 美元）/kg、33.84 元（4.8 美元）/kg，利用可再生能源制取氫氣成本高昂成為制約其發(fā)展的重要原因。綜合分析當(dāng)前電解水制氫技術(shù)與裝置特點可知，質(zhì)子交換膜電解水技術(shù)運行靈活、可支持快速變載，具有較高的電流密度[8]（1~4 A/cm2）、可以更好適應(yīng)風(fēng)電等可再生能源發(fā)電波動性的特點，通過裝置優(yōu)化升級、成本降低，更有技術(shù)優(yōu)勢。未來利用工業(yè)副產(chǎn)氫過渡，在風(fēng)光水電資源豐富地區(qū)，開展可再生能源制氫示范，逐步擴(kuò)大示范規(guī)模、促進(jìn)可再生能源制氫加氫一體化加氫站基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)措施，實現(xiàn)到2025 年，可再生能源制氫量達(dá)到10~20 萬t/年的規(guī)劃目標(biāo)，最終實現(xiàn)“可再生能源+氫”的產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境。

1.3 擴(kuò)大示范應(yīng)用，以燃料電池技術(shù)為主要突破口，實現(xiàn)多元化終端場景

以燃料電池為重要的氫動力技術(shù)路線，結(jié)合5 大燃料電池示范城市群工作目標(biāo)及現(xiàn)狀（表1），截至2022 年12 月，新能源汽車國家監(jiān)測與管理平臺累計接入氫燃料電池汽車10 564輛，加氫站已累計建成超過274座。未來，在國家與地方政策及市場雙驅(qū)動下，逐步建立燃料電池與純電動互補發(fā)展模式，積極探索航空、船舶等更多領(lǐng)域應(yīng)用場景，形成交通、儲能、發(fā)電等多元化發(fā)展體系。

表1 第一、二批燃料電池示范城市群情況

1.4 鼓勵技術(shù)創(chuàng)新，構(gòu)建國產(chǎn)化、高水平、安全可控的氫能利用體系

國家在氫能戰(zhàn)略規(guī)劃中，重點提出氫能技術(shù)、可再生能源技術(shù)及氫能應(yīng)用端上下游技術(shù)創(chuàng)新。與“十三五”初期產(chǎn)品相比，氫燃料電池電堆功率提升37%，低溫冷啟動溫度提升60%，最高能效提升9%[9]。未來，在燃料電池電堆及材料技術(shù)水平、批量生產(chǎn)技術(shù)、燃料電池系統(tǒng)壽命和可靠性耐久性方面將繼續(xù)攻破技術(shù)壁壘，實現(xiàn)燃料電池全產(chǎn)業(yè)鏈國產(chǎn)化，向大功率、高功率密度產(chǎn)品發(fā)展。

2 我國氫能動力技術(shù)主要路線

當(dāng)前對氫能的利用主要以燃料電池技術(shù)為主，但由于成本高昂，包括催化劑貴金屬、氫氣制取等方面材料與技術(shù)的制約，氫燃料電池技術(shù)還未能在多場景中應(yīng)用中普及。與此同時，利用氫氣可燃性通過內(nèi)燃機燃燒的氫動力內(nèi)燃機技術(shù)路線逐漸受到關(guān)注，氫氣與燃料電池、氫內(nèi)燃機這2條主要技術(shù)路線在應(yīng)用場景中各有利弊，如表2所示。

表2 氫動力主要技術(shù)路線特性對比

2.1 我國氫燃料電池國產(chǎn)化進(jìn)程

我國燃料電池電堆及系統(tǒng)技術(shù)整體較“十三五”期間有較大發(fā)展，但主要零部件與國際先進(jìn)水平差距各不相同。質(zhì)子交換膜作為膜電極核心材料之一，國產(chǎn)化率不斷提高，2020 年國產(chǎn)質(zhì)子交換膜需求量為44 000 m2，其中，國產(chǎn)質(zhì)子交換膜市場占有率為7.5%[10]。當(dāng)前國內(nèi)單車Pt 用量約為0.3 g/kW，與國際先進(jìn)水平存在一定差距。針對Pt 資源有限，原料成本高昂的問題，催化劑綜合性能需要進(jìn)一步提升。國內(nèi)石墨雙極板較成熟，金屬和復(fù)合材料雙極板在我國研究起步較晚，技術(shù)和國產(chǎn)化程度仍有提升空間。

2.2 氫內(nèi)燃機需建立適應(yīng)氫氣特性的體系

氫內(nèi)燃機在結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)內(nèi)燃機差距不大，其生產(chǎn)可以依托現(xiàn)有工業(yè)體系，進(jìn)行低成本批量生產(chǎn)，但車載儲氫、爆燃及回火問題仍需關(guān)注[11]。一方面，將氫氣引入發(fā)動機中，需要技術(shù)與裝備支持，解決在有限空間儲存足量氫氣，以保證氫燃料供應(yīng)面臨的挑戰(zhàn)；另一方面，由于氫內(nèi)燃機自身特點而產(chǎn)生的爆燃、回火安全問題有待解決。若能建立適應(yīng)氫氣特性的內(nèi)燃機體系，氫內(nèi)燃機在短期內(nèi)將有力支撐交通減碳。

3 氫動力應(yīng)用場景

3.1 我國氫燃料電池乘商用車發(fā)展階段不同

目前我國已經(jīng)形成涵蓋宏觀政策、財政優(yōu)惠、技術(shù)創(chuàng)新多方面的氫燃料電池汽車政策體系，隨著2020 年國家“以獎代補”和示范城市群陸續(xù)公布，氫燃料電池汽車相關(guān)政策數(shù)量快速增加，2022 年一季度超過200 項，相關(guān)地方政策規(guī)劃數(shù)量仍在上升中。各產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)企業(yè)積極布局氫燃料電池，探索商業(yè)化模式，結(jié)合示范政策、市場發(fā)展現(xiàn)狀和2022 年北京冬奧會等重大活動的需求，我國形成了氫燃料電池商用車先行的布局，尤其是中重型商用車，包括客車和重型載貨車，其采購量和投放量增加，并在全國各地陸續(xù)開展示范運營，應(yīng)用場景主要涵蓋環(huán)衛(wèi)、物流、港口運輸、城際貨運、礦石和渣土運輸。對于氫燃料電池乘用車國內(nèi)企業(yè)積極研發(fā)布局，但尚未形成示范運行格局。

2022年10月，工信部發(fā)布《關(guān)于2018—2020年度新能源汽車推廣應(yīng)用補助資金清算審核終審和2020—2022 年度補助資金預(yù)撥情況的公示》[12]，2018—2020年期間，共計有10家車企的2 317輛燃料電池汽車通過了專家審核，共獲得國家財政補貼資金累計為10.241 億元，平均每輛車可獲得補貼金額為44.20萬元。本批次通過終審的車型均為燃料電池商用車，其中，燃料電池廂式貨車和燃料電池客車占比分別為51%、49%，具體情況如圖1所示。

圖1 2018—2020年度燃料電池汽車獲補車型數(shù)量及占比

同時，2022年前3季度工信部發(fā)布的燃料電池汽車產(chǎn)品公告中，累計上榜284款燃料電池商用車，總占接近100%，燃料電池乘用車車型僅為3 款，如北汽和重慶長安燃料電池乘用車型（圖2、圖3）。

圖2 北汽燃料電池車BJ7000C5FFCEV

圖3 長安燃料電池車SC7006AAAFCEV

根據(jù)終端上牌數(shù)據(jù)，2022 年1—9 月燃料電池汽車?yán)塾媽嶄N2 589 輛，其中燃料電池貨車和客車?yán)塾嬩N量2 508 輛，占比96.87%，燃料電池乘用車?yán)塾嬩N量81 輛，占比3.13%[13]。結(jié)合各類數(shù)據(jù)乘商用燃料電池車型占比情況可知，當(dāng)前，我國燃料電池汽車商用車先行，形成初步發(fā)展規(guī)模，乘用車、商用車發(fā)展階段不同。

3.2 我國新能源驗證飛機試飛

航空領(lǐng)域CO2排放量占全球CO2排放總量的2%以上[14]，而氫燃料飛機具有很多優(yōu)勢，如液態(tài)氫燃料不會產(chǎn)生過多排放污染物，與推力相同燃用傳統(tǒng)化石燃料的航空發(fā)動機相比，其燃燒產(chǎn)物主要為水，同時氫燃料所具有的熱值較高，約為傳統(tǒng)航空燃油的280%[15]。因此，隨著氫燃料電池新能源技術(shù)的發(fā)展，全球主要國家紛紛布局研制新能源飛機。2015年，德國航空航天中心推出全球首架氫燃料電池飛機HY4 的研制計劃。美歐積極倡導(dǎo)氫能動力飛機，布局出臺了一系列計劃。歐盟“潔凈天空3”計劃中強調(diào)，環(huán)保型綠色飛機需在2035年投入使用。2020年9月，空客公司發(fā)布ZEROe 氫能概念機，預(yù)計搭載120~200 名乘客，航程為3 700 km左右[16]。2021年年初，英國啟動了開發(fā)新型氫燃料電池動力系統(tǒng)的氫電混合動力系統(tǒng)（H2GEAR）項目（圖4），初期應(yīng)用于19座通勤飛機，后將拓展到79~90座支線客機[17]。

圖4 H2GEAR項目氫動力系統(tǒng)示意[17]

在2017 年1 月，由中科院大連化物所與遼寧通用航空研究院聯(lián)合研制的我國首架雙座氫燃料電池試驗機在沈陽試飛成功[18]，目前遼寧通用航空研究院正在開展4 座氫燃料電池飛機的研制。2019 年3 月，中國商飛“靈雀H”新能源驗證飛機（圖5）在鄭州機場試飛成功[19]，探索飛機動力、氫燃料電池技術(shù)、動力系統(tǒng)集成、安全保障技術(shù)在飛機上的融合發(fā)展。未來，隨著相關(guān)政策與標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)和氫燃料飛機相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計、基礎(chǔ)設(shè)施關(guān)鍵問題的完善，氫能動力飛機將進(jìn)一步發(fā)展。

圖5 我國“靈雀H”新能源試驗飛機[19]

圖6 我國“仙湖1號”游船[23]

3.3 我國氫能船舶處于起步階段

在航運領(lǐng)域，柴油機動力船舶伴生的能耗與環(huán)境問題日漸突出，如2020年我國航運業(yè)二氧化碳排放量約占交通運輸領(lǐng)域排放量的12.6%，水運交通運載工具綠色化是水運行業(yè)未來的發(fā)展趨勢[18]，在此背景下，全球主要國家積極開展氫動力船舶研發(fā)。國外氫動力船舶產(chǎn)業(yè)發(fā)展相對成熟，應(yīng)用場景已涵蓋湖泊、內(nèi)河、近海場景[20]，如德國Alsterwasser 內(nèi)河氫燃料電池游船，配備2 套燃料電池系統(tǒng)，每套峰值功率48 kW，最大載客量為100 人[21]，美國WATER-GO-ROUND，配備功率為360 kW 的燃料電池系統(tǒng)，載客80 人[22]。2021 年，我國“仙湖1 號”游船[23]利用30 kW 質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)，載客達(dá)20~30 人，同年“三峽氫舟1號”方案設(shè)計通過審查，將利用500 kW質(zhì)子交換膜燃料電池和電池系統(tǒng)實現(xiàn)最高航速達(dá)28 km/h。未來，我國氫動力船舶應(yīng)用場景，可按照先內(nèi)河、湖泊，再近海，最后遠(yuǎn)洋的發(fā)展順序[20]，通過加大氫能利用范圍和規(guī)模，打造氫能航運產(chǎn)業(yè)生態(tài)，促進(jìn)重點地區(qū)氫能產(chǎn)業(yè)鏈全面發(fā)展。

3.4 我國企業(yè)布局研發(fā)氫內(nèi)燃機產(chǎn)品

與傳統(tǒng)內(nèi)燃機相比，氫內(nèi)燃機具有節(jié)能環(huán)保、輸出功率高的特點，至今已有幾十年的發(fā)展歷史，早在2000 年，如福特汽車、寶馬等車企就開始了氫內(nèi)燃機的研究，國內(nèi)如長安汽車曾投入資金進(jìn)行氫內(nèi)燃機研發(fā)。我國在2009 年，由北京理工大學(xué)氫內(nèi)燃機團(tuán)隊成功開發(fā)出我國第一輛氫內(nèi)燃機轎車，并成功行駛超過10 000 km，目前北京理工大學(xué)氫內(nèi)燃機團(tuán)隊基本搭建氫內(nèi)燃機的整套試驗臺系統(tǒng)[24]。2022 年，一汽、濰柴、廣汽先后發(fā)布?xì)鋬?nèi)燃機相關(guān)產(chǎn)品。2022年6 月8 日，一汽解放自主設(shè)計研發(fā)的國內(nèi)首款重型商用車缸內(nèi)直噴氫氣發(fā)動機成功點火并穩(wěn)定運行[25]，該款氫氣發(fā)動機基于13 L 重型發(fā)動機進(jìn)行設(shè)計，額定功率為372 kW，指示熱效率達(dá)到55%，性能指標(biāo)國內(nèi)領(lǐng)先。

4 氫能動力建議及展望

4.1 繼續(xù)加強頂層設(shè)計，推廣氫能產(chǎn)業(yè)示范應(yīng)用

在國家氫能戰(zhàn)略的推動下，明確氫能發(fā)展目標(biāo)、技術(shù)路線、重點內(nèi)容，通過燃料電池城市群的示范作用，吸取經(jīng)驗與不足，逐步完善氫能政策體系和標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)，融合政府、行業(yè)、企業(yè)多方力量，依托我國超大規(guī)模市場優(yōu)勢，培育壯大龍頭企業(yè)，逐步降低燃料電池制造成本，實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)。

4.2 鼓勵技術(shù)創(chuàng)新，深度挖掘氫能動力應(yīng)用場景潛力

通過設(shè)立氫能相關(guān)技術(shù)研究課題等形式、鼓勵技術(shù)重點突破，不斷創(chuàng)新。同時以燃料電池技術(shù)為主要發(fā)展路線，以氫燃料電池汽車為突破口，逐步擴(kuò)大氫能在飛機、船舶交通領(lǐng)域的應(yīng)用，明晰適應(yīng)我國國情的氫能動力技術(shù)應(yīng)用場景，結(jié)合國外先進(jìn)經(jīng)驗，實現(xiàn)交通全領(lǐng)域的深度脫碳和綠色發(fā)展。

5 結(jié)論

本文通過解析我國氫能戰(zhàn)略，分析了當(dāng)前氫能動力主要利用形式及應(yīng)用場景的發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢。未來，隨著示范城市的推進(jìn)，我國氫能在政策和市場方面都將進(jìn)一步完善，燃料電池電堆及相關(guān)部件關(guān)鍵技術(shù)繼續(xù)優(yōu)化，實現(xiàn)國產(chǎn)化替代及超越，最終燃料電池產(chǎn)品實現(xiàn)更大功率、更高功率密度以及更優(yōu)可靠性和耐久性。同時，氫能動力應(yīng)用場景將以燃料電池商用車為先，積累示范應(yīng)用經(jīng)驗，逐步擴(kuò)大到乘用車、船舶和飛機的陸、海、空交通領(lǐng)域，助力氫能實現(xiàn)交通行業(yè)的深度脫碳，推動我國雙碳目標(biāo)有效達(dá)成。