我國燃料電池汽車產業加速發展的對策研究

張朝許

摘要：燃料電池具有高效、清潔、低碳、綠色的特點，是汽車未來的發展方向，文章分析了我國燃料電池汽車產業的現狀與豐田燃料電池汽車技術的特點，提出了多方合作提升技術、國家政策提供支持、市場推廣降低制造成本等對策，對我國燃料電池汽車產業今后的發展具有指導意義。

關鍵詞：燃料電池;汽車;車載用氫;安全技術

1? 燃料電池汽車是汽車未來的發展方向

目前，全球汽車產業正在經歷一場深刻的變革，一方面，以新一代信息技術、新材料、大數據、人工智能等為代表的技術變革改變了傳統汽車設計、驗證、制造，成為正向引領汽車技術進步的內生動力;另一方面，汽車的爆炸式增長帶來的能源、環境、擁堵、安全等社會問題日益嚴峻，促使汽車發展必須向綠色、低碳、便捷、高效轉型發展，在能源和環境革命的大背景下，清潔可再生能源占能源體系的比例不斷提升。在車用安全、大容量、高壽命的電池技術以及高效、清潔燃料電池等技術帶動下，新能源汽車正在大規模增長。未來，高效、清潔、低碳、綠色的能源供應將是重點發展方向，新能源化將是汽車技術進步和產業發展的主要趨向。

在電動化、智能化、共享化和網聯化，環保要求愈發嚴格的趨勢下，電動化是汽車未來發展的方向之一。近兩年隨著技術進步以及禁售燃油車等相關政策的推動，純電動更是成為各大車企研發的重點。由于對環境影響相對傳統汽車較小，其前景被廣泛看好。但從環保方面考慮，燃料電池汽車車才是汽車未來的發展方向。近年來，國家積極推廣燃料電池車。數據顯示，2019年我國燃料電池汽車產銷分別完成2833輛和2737輛，同比分別增長85.5%和79.2%，截至2019年底我國燃料電池車累計數量為6000輛。2020年政策利好，燃料電池汽車猶如站上風口，從我國的發展情況來看，仍有很大的增長空間。2019年7月25日，襄陽市人民政府、國家電投集團科學技術研究院有限公司、東風汽車股份有限公司、武漢理工大學共同簽署戰略合作協議，各方聯合開展氫燃料電池汽車的車型開發與推廣，大力推動氫能及燃料電池技術在公交、物流等場景的廣泛應用，共同培育氫能裝備制造產業。2020年6月5日，豐田汽車公司、中國第一汽車股份有限公司、東風汽車集團有限公司、廣州汽車集團股份有限公司、北京汽車集團有限公司、北京億華通科技股份有限公司等六家簽署合營合同，成立商用車燃料電池系統研發公司，公司全名為“聯合燃料電池系統研發（北京）有限公司”。

2? 我國燃料電池在汽車領域應用存在的問題

燃料電池動力系統是卡車和公路客車等商用汽車的最佳選擇，也是乘用汽車的發展方向，但目前燃料電池在汽車領域的全面推廣也面臨著許多問題。我國目前在運行的燃料電池商用車有2000輛左右，是燃料電池商用車領域的領先國家。我國近幾年燃料電池發展非常迅速，CCM、膜電極、電堆、全產業鏈已經打通，全球資源向中國匯集。面向2035的發展目標，我國在燃料電氣技術、規模化應用、氫燃料供應等方面均可滿足需求。目前燃料電池整體發展也面臨很多問題：一是氫儲運的問題。以現在儲氫 20MPa壓力情況下，無法支撐氫能大規模發展。需要轉型為30Mpa，并逐步提升至50MPa，以減少運輸成本;同時，還要進行大規模的管道改造。液態儲氫具有優勢，但是有關鍵零部件依賴進口、建設周期長、總體儲運能力不足等缺點。二是車載儲氫瓶的問題。一個35MPa的車載儲氫瓶可以支撐一輛城市公交車運行250km。如果想要裝載更多的氫氣則需要進行液態儲氫，但相關技術還要探索是不是具有大規模應用的可行性。三是加氫站的問題。目前全球共有360座加氫站，其中絕大多數都是小型站。中國擁有加氫站16座，每天的總供應能力為8t，按照2030年每天 供氫200-400萬t的目標，需要每年增加產量500-10000t，有很大的難度。

3? 豐田燃料電池汽車解析

豐田汽車是全球最大的整車企業之一，創立已有80多年歷史，在全球五十多個國家有組裝工廠，是第一家汽車年銷量超過千萬的整車企業。豐田汽車于2015年10月14日公布了“豐田環境挑戰2050”目標，提出在2050年前實現僅靠發動機行駛的汽車的“零”銷售。豐田汽車近年來在新能源汽車，尤其是燃料電池汽車上投入了大量研發資金。由于傳統電池技術的限制，豐田高層認為燃料電池車是終極環保車，豐田汽車近年來將其未來研發重心從技術成熟的混合動力汽車逐漸轉向燃料電池汽車。豐田汽車于1992年便開始研發燃料電池汽車，在1996年10月發布了首款燃料電池汽車。在隨后的十多年里，豐田汽車陸續推出了FCHV-3、FCHV-4、FCHV-5、Toyota FCHV、Toyota）等車型，但受制于昂貴的單價和基礎設施不足，該階段的燃料電池汽車沒有量產和商品化。為了使更多的氫燃料電池汽車上路，豐田無償地對外公開了約5680項燃料電池相關專利，希望以此鼓勵其他汽車廠商推出燃料電池汽車，降低加氫站等基礎設施的建造和使用成本。以Mirai車型為例，2015年銷量為700輛;2016年的銷量增至2000輛，占全球燃料電池乘用車總銷量的88%。Mirai使用的燃料電池系統由豐田汽車自主研發，主要包括六個子系統，分別是燃料電池堆、儲能電池、高壓儲氫罐、驅動電機、PC升壓變頻器和動力控制裝置。豐田汽車的所有與燃料電池相關的專利強度超過90的專利有88件，涉及氫燃料電池控制系統、燃料電池堆、冷卻裝置、燃料電池制造等。

4? 我國燃料電池汽車發展對策

4.1 提升燃料電池汽車的用氫安全技術

我國應該從政策上鼓勵多方聯合開展氫燃料電池技術開發，利用與國外汽車公司（如豐田）的技術合作機會，不斷提升燃料電池汽車的用氫安全技術。

用氫安全技術是燃料電池汽車發展的必要條件，燃料電池汽車的用氫安全技術有四個方面：

一是優化車載儲氫安全。對氫氣的存儲要求是密度高、輕便、安全而且經濟。目前氫氣的儲存是限制燃料電池汽車推廣的最主要因素。當前常用的儲氫技術有高壓壓縮儲氫、金屬氫化物儲氫、有機液體氫化物儲氫等。其中，高壓壓縮儲氫存在成本低、充放氫速度快的優點，但也存在儲氫壓力大的安全隱患。為了消除安全隱患，除了研制更為可靠的耐高壓材料外，還要加強對高壓儲存裝置的安全監測，盡快發現或合成輕量化車載儲氫的金屬氫化物。

二是車載用氫輸送安全的優化。氫儲存安全是一個靜態的過程，而氫氣在車載管道中輸送的過程是一個動態過程，更加難以控制，我們可從預防與監控兩個方面著手，按照高標準選擇管路及元件材料，充分考慮其可靠性、靈敏性等;另外是優化監測報警系統及處理系統，考慮傳感器的布置位置及數量等。

三是優化燃料電池系統安全。國家標準《燃料電池電動汽車燃料電池堆安全要求》（GB/T 36288—2018），規定了燃料電池電動汽車用燃料電池堆在氫氣安全、電氣安全、機械結構等方面的安全要求。尤其是氣密性方面，當燃料電池堆受到沖擊后，氣密性仍符合標準。另外，還需要對燃料電池反應堆反應氣和冷卻液的進口和出口溫度、壓力及流量等相關參數進行監測、計算，為防止氫氣集聚，必要時要進行強制通風。

四是優化車輛載氫運行安全。要優化車載供氫系統在整車結構中的位置，并做充分的振動試驗或碰撞試驗，防止振動或碰撞導致氫氣泄露;另外，要利用冗余設計思維，在車身不同部位設置多個慣性開關，以避免某個慣性開關因發生故障而檢測不到碰撞情況的發生，確保各種碰撞情況都能被檢測到并及時發出預警。

4.2 國家出臺相關的車載用氫安全政策

一是從時間維考慮車載用氫安全。目前，國家標準對儲氫瓶的使用時長已經作出了明確規定。為了保證車載用氫安全，一方面建立車載用氫數據的實時采集系統，采集車載用氫的管路、器件、傳感器等隨時間變化的使用狀況信息，并利用大數據分析工具實現對信息的分析、評價、判斷車載用氫系統隨時間變化的老化狀況，從而給出合理的預警提示;另一方面，政府要考慮時間對車載用氫器件老化的影響，從用氫安全角度建立氫燃料電池汽車整車使用年限標準。

二是從空間維考慮車載用氫安全。在燃料電池汽車使用過程中，應監測人、車所處空間的變化，對于車內有人與無人、車在封閉空間與空曠空間等不同狀態采取不同的預警提示及應急措施;同時，在容易集聚氫氣的封閉空間安裝氫氣監測儀器并實現智能網聯，將空間氫氣監控信息及時反饋給駕駛員，以便采取應對措施。

三是從數量維考慮車載用氫安全。一方面應加強儲氫及供氫系統防泄露裝置的技術研發，盡量避免車載用氫的泄露;另一方面，實現車與車之間的聯網互通，用大數據技術分析、評價用車數量對社會環境的影響，從宏觀層面合理管控氫燃料電池汽車的數量，并指導用戶合理保養與使用車輛，避免氫氣泄露總量增多后對人們生活產生不利影響。

4.3 抓住契機，積極推廣市場，降低制造成本

2015 年 5 月 19 日，國務院發布國發[2015]28號《中國制造 2025》，明確提出燃料電池汽車的發展。目前，燃料電池汽車補貼政策基本不變，力度不減，整體來說還是促進氫燃料電池汽車和加氫站的建設。燃料電池汽車生產廠家抓住國家政策契機，提高燃料電池汽車的技術水平，積極推廣市場，降低制造成本。燃料電池產業想要往前發展，一手要抓技術突破，從技術角度去提升產品的可靠性，通過研發來降低成本。提高燃料電池性能、降低其制造成本是燃料電池電動汽車商業化的關鍵問題之一。燃料電池電動汽車實現商業化，必須使燃料電池電動汽車的性能比現在的內燃機汽車相當甚至更優，價格比現在的內燃機汽車持平甚至更低。現階段燃料電池電動汽車成本高的主要原因是燃料電池系統本身的成本太高。目前，燃料電池制造成本已經降至數百美元千瓦左右。但距離燃料電池電動汽車商用成本五十美元/千瓦左右還很大。燃料電池系統中第二高成本是質子交換膜。現階段，僅質子交換膜的費用就將近五十美元/千瓦。另外，提高燃料電池電堆的使用溫度，也是質子交換膜燃料電池電動汽車商業化的關鍵問題之二，現在全氟磺酸型膜廣泛采用，它的工作溫度極限為85℃，極大限制了燃料電池電堆的使用溫度，為保證大功率燃料電池的正常工作，用于冷卻燃料電池系統占用電池產生能量的51%，這種情況大大地降低了燃料電池的比功率。

另一方面要重視商業場景的開發，讓燃料電池車進入到實際商業運行當中，將產業規模擴大。還可建立汽車智能交易平臺，豐富與擴展汽車銷售的業務形態，實現用戶與車企之間的無縫連接。

參考文獻：

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