隨著《打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》的印發(fā)實施，國內汽車市場對零排放解決方案的需求進一步增長。在2019年上海國際汽車工業(yè)展覽會上，各種新能源技術和產品受到了廣泛的關注和青睞，其中上汽大通、一汽紅旗、東風汽車、格羅夫、漢騰汽車、眾泰汽車、慶鈴汽車等國內車企所帶來的“氫能源”技術和新車型的高水準展示引人矚目。4月19日，上海市市長應勇參訪上汽大通展臺，對上汽MAXUS氫燃料電池MPV G20FC進行深入了解。氫燃料電池作為動力，具有動力強、加速快和加氫時間短、續(xù)航能力高等特點，而最關鍵的是氫動力汽車的排放僅為水。本期，我們推送《動力多樣化之氫燃料電池動力系統》以詳細解析目前國內氫燃料電池產業(yè)發(fā)展的情況。

《中國內燃機工業(yè)年鑒》官方網站

大力發(fā)展新能源汽車是應對全球能源短缺和環(huán)境污染的重大戰(zhàn)略舉措。在眾多的新能源汽車中，燃料電池汽車因其具有零排放、效率高、續(xù)航里程長、燃料來源多元化、能源可再生等優(yōu)勢而被認為是未來汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要方向，是解決全球能源問題和氣候變化的理想方案。

1 氫燃料電池汽車技術可行，優(yōu)點突出

1.1 氫燃料電池汽車優(yōu)點及關鍵技術

與傳統汽車相比，氫燃料電池汽車使用氫燃料電池發(fā)動機代替了傳統燃油發(fā)動機，使用儲氫罐代替了油箱，通過燃料電池的氫氧電化學反應，產生電能通過電動機驅動車輛行駛。氫燃料電池汽車與其他類型的汽車相比有如下優(yōu)點：①氫燃料電池汽車對環(huán)境（空氣、土壤等）沒有污染，只會向環(huán)境排放水，不產生溫室氣體；②燃料電池汽車運行時相對安靜，噪聲值在55dB左右，有利于營造一個更加舒適安靜的城市交通環(huán)境；③氫燃料電池汽車的能量轉化效率可達60%，為傳統內燃機的2～3倍；④與電動汽車相比，氫燃料電池汽車的續(xù)航里程更長，充氫時間很短，與燃油車加油時間相當，能夠提供更加優(yōu)良的用戶體驗；⑤氫燃料來源廣泛，氫是宇宙中存量最豐富的元素，氫氣可以由石油化工、鋼鐵工業(yè)、氯堿工業(yè)等副產物、電解水、甲醇裂解、甲烷重整等多個渠道獲得。

氫燃料電池汽車的核心系統主要包括氫燃料電池發(fā)動機和車載氫系統。氫燃料電池發(fā)動機主要包括燃料電池電堆、空壓機、膜增濕器等，主要功能是為燃料電池汽車提供動力來源。車載氫系統主要由高壓儲氫瓶和氫氣調節(jié)系統等組成，主要功能是存儲氫氣，并為氫燃料電池發(fā)動機供應適當壓力、足夠流量的氫氣。

我國在氫燃料電池領域的技術已經有一定的積累，能夠為燃料電池汽車的發(fā)展提供一定的技術支撐。氫燃料電池發(fā)動機的關鍵組件如燃料電池電堆、空壓機等已有國產化產品，如新源動力、億華通、廣順等品牌。車載氫系統中最為關鍵的高壓儲氫瓶也已經有國產化產品，如沈陽斯林達、北京天海、北京科泰克等品牌。國內部分氫燃料電池發(fā)動機和車載氫系統廠商信息如表1所示。

表1 國內部分燃料電池發(fā)動機系統/

車載氫系統廠商

雖然較為關鍵的燃料電池電堆、空壓機和儲氫瓶已具有一定的國產化能力，但必須承認的是國內燃料電池發(fā)動機仍處于初期階段，其功率和耐久性的水平與國外的產品還存在一定差距。目前，國內已經裝車的燃料電池發(fā)動機普遍沒有采用功率密度較高的金屬雙極板，而是采用石墨板或復合板，前者功率密度是后者的2.5～3.0倍。此外，國內燃料電池發(fā)動機產業(yè)鏈配套有待完善，部分關鍵附件如膜增濕器等還不能批量生產高質量的產品，而這些附件恰恰對燃料電池發(fā)動機的耐久性至關重要，今后在這些方面需展開攻關研究。

1.2 氫燃料電池整車發(fā)展情況

國內氫燃料電池汽車已具有一定的集成裝配技術能力，多家整車廠已陸續(xù)推出氫燃料電池汽車。氫燃料電池汽車可以基于全新車型開發(fā)，也可在燃油車的基礎上進行改型開發(fā)：去除燃油車內燃機發(fā)動機部件，直接將燃料電池系統進行集成，改型難度相對較低。國內已推出的氫燃料電池汽車主要以動力系統改型為主，部分整車信息如表2所示。

表2 國內已發(fā)布的部分氫燃料電池汽車

其中，上汽大通汽車有限公司（以下簡稱“上汽大通”）自主開發(fā)的氫燃料電池汽車FCV80已成功實現量產（見圖1）。FCV80是國內首款運用工信部最新準入標準的燃料電池輕客車型，也是國際首款燃料電池輕客車型。FCV80是上汽集團在V80的基礎上改型開發(fā)，采用的是氫燃料電池發(fā)動機為主、動力電池為輔的雙動力源，續(xù)航里程可達430km。FCV80的加氫時間僅需3～5min，與燃油車加油時間相當，與純電車較長的充電時間相比，大幅度改善了用戶體驗。FCV80燃料電池系統具備超壓保護、超溫保護、氫泄漏保護、碰撞保護等功能，確保用戶的用車安全。

圖1上汽大通FCV80燃料電池輕型客車

1.3 氫燃料電池汽車國標體系趨近完善

經過近年的發(fā)展，國內燃料電池汽車相關的國標體系已經趨近完善，主要涵蓋整車級的安全和技術要求，燃料電池系統級的安全、測試和技術要求，以及氫能產業(yè)（如加氫基礎設施和加氫設備等）相關的安全技術規(guī)范（見表3）。燃料電池汽車相關的國家標準主要由上汽集團、中國汽車技術研究中心、同濟大學等國內技術實力雄厚的單位起草和制定，對燃料電池汽車產業(yè)的健康發(fā)展起到了很好的指導作用。

表3 燃料電池汽車主要國家標準

雖然國內的燃料電池標準體系已經基本建立，但是不難發(fā)現，還存在一些需要完善的地方，如70MPa級的燃料電池汽車及系統的安全技術標準還未出臺，現行國標中的測試方法的可實施性還有待提高，部分標準中的技術要求低于國際標準的要求等，后續(xù)須在這些方面進一步開展工作。

2 政策支持發(fā)展氫燃料電池汽車

近年來，國家相繼出臺了《節(jié)能與新能源汽車產業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012—2020年）》《中國制造2025》《能源技術革命創(chuàng)新行動計劃（2016—2030年）》《國家創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略綱要》《“十三五”國家戰(zhàn)略性創(chuàng)新新興產業(yè)發(fā)展規(guī)劃》及《汽車產業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》等政策，明確要求重點發(fā)展氫能與燃料電池技術。

2018年財政部和工信部發(fā)布了《關于調整完善新能源汽車推廣應用財政補貼政策的通知》（財建〔2018〕18號），通知對燃料電池汽車補貼力度保持不變，燃料電池乘用車按燃料電池系統的額定功率進行補貼，燃料電池客車和專用車采用定額補貼方式。鼓勵技術水平高、安全可靠的產品推廣應用，并要求乘用車燃料電池系統的額定功率不小于10kW，商用車燃料電池系統的額定功率不小于30kW。

2014年財政部發(fā)布了《關于新能源汽車充電設施建設獎勵的通知》（財建[2014] 692號），對符合加氫站國家技術標準，且每天加氫不少于200kg的加氫站將給予400萬的補貼。目前財政部等四部委正根據新能源車推廣應用規(guī)模和充電設施建設運營成本等情況，對獎勵政策進行適當調整，積極引導加氫站的建站技術發(fā)展，全面配合氫燃料電池汽車的商業(yè)推廣。

2015年開始，國內各省/自治區(qū)/直轄市也積極布局和推廣燃料電池產業(yè)，產生了巨大的引領效應，逐步形成了以上海、北京、佛山、江蘇（如皋）為代表的燃料電池汽車示范運營區(qū)域。

2018年5月21日，上海市發(fā)布了《上海市燃料電池汽車推廣應用財政補助方案》，按中央財政補助1∶0.5給予本市財政補助。當燃料電池功率不小于60kW,或燃料電池與驅動電池額定功率之比不低50%的，按中央財政補助1∶1給予本市財政補助。2018年6月14日，廣東省人民政府發(fā)布了《關于加快新能源汽車產業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的意見》，明確要求2018—2020年新能源汽車推廣應用省級財政補貼資金中30%用于氫燃料電池汽車的推廣。2018年3月19日，蘇州市發(fā)改委發(fā)布了《蘇州市氫能產業(yè)發(fā)展指導意見（試行）》，意見提出到2025年，氫能產業(yè)鏈年產值突破500億元，建成40座加氫站，批量投放超過10000輛氫燃料電池公交車、物流車、市政環(huán)衛(wèi)車和乘用車。國內主要的氫燃料電池產業(yè)地方政策如表4所示。

表4 國內主要氫燃料電池產業(yè)地方政策

3 氫能良好的產業(yè)基礎支持氫燃料電池發(fā)動機的發(fā)展

支持氫燃料電池發(fā)動機快速發(fā)展的另一大因素是氫能產業(yè)基礎良好。氫燃料電池發(fā)動機涉及的氫能產業(yè)主要包括制氫、儲氫、運氫和加氫等環(huán)節(jié)。

3.1 制氫產業(yè)基礎

根據氫氣產業(yè)的現狀，工業(yè)制氫技術已經非常成熟，主要制氫方法有三大類。第一類是化石原料制氫，包括煤制氫、天然氣重整制氫、甲醇裂解制氫等。這一類方法技術成熟度最高，原料也易于獲得，我國的能源結構是“富煤貧油少氣”，煤制氫未來會是比較適合我國國情的一種方式，而且隨著潔凈煤技術的發(fā)展，將使煤制氫更加環(huán)境友好。

第二類方法是水電解制氫，水電解制氫的主要問題是耗電量較大，電力成本昂貴，是化石原料制氫的3～5倍；水電解制氫的電力來源也可以是電網的廢電以及風電、水電等可再生能源，從而使水電解制氫的經濟性得到改善。

第三類方法是工業(yè)廢氫的提純，氯堿工業(yè)、石化行業(yè)、鋼鐵行業(yè)的生產過程中會產生大量的廢氫，以往主要用于鍋爐燃燒或直接火炬燃燒排放；隨著對氫能需求的日益凸顯，很多廠家注意到工業(yè)廢氫是一種有價值的資源，可以直接通過變壓吸附的方式進行提純得到高純氫，給燃料電池車用或其他工業(yè)用途。這種制氫方式，變廢為寶，一次性投資成本和生產成本均較低，但是一定程度上會受上游產業(yè)的制約。

總之，氫氣來源廣泛，目前我國可以用于氫能的氫氣產能已經超過700億立方/年，其中煤制氫和副產氫氣提純的成本很低，大約在11元/kg,百公里氫耗成本可以媲美燃油車百公里油耗成本，為氫燃料電池發(fā)動機后續(xù)的大規(guī)模商業(yè)化運行提供了有力的經濟性支撐。

3.2 成熟的氫氣存儲

氫氣存儲包括物理壓縮、液氫、化合物儲氫、物質吸附等多種方式，目前比較成熟的商用存儲方式為壓縮氫氣存儲和液氫存儲。壓縮氫氣存儲是將氫氣壓縮到15MPa或20MPa的壓力，存儲在鋼瓶或高壓管束中，適用于少量的氫氣存儲；液氫存儲是通過壓縮、膨脹、換熱等過程將氫氣液化，存儲于真空絕熱儲罐中，可以實現大量氫氣的存儲，但由于熱損失客觀存在，所以存儲過程中會有一定的氫氣蒸發(fā)損失。

3.3 多樣化的氫氣運輸方式

氫氣的運輸比較靈活，可以滿足各種類型的使用需求。總體而言，氫氣運輸方式主要有壓縮氫氣運輸、氫氣管道輸送、液氫運輸。壓縮氫氣運輸是指通過鋼瓶或管束車進行運輸，適用于短距離、相對少量的氫氣需求，目前國內的加氫站氫氣來源主要是管束車；氫氣管道輸送的方式是指在制氫工廠將氫氣增壓通過管道的方式直接輸送至終端用戶，適用于化工園區(qū)這種用戶相對集中的場合，管道輸送方式初期投資高，后續(xù)使用、維護成本低；液氫運輸是指通過低溫槽車來運輸液氫，單車運輸量較大，適用于運輸距離長和需求量大的場合，而且液氫增壓的能耗比氫氣增壓的能耗低很多，目前國外液氫在加氫站中的使用非常廣泛。

3.4 加氫站建設

國內加氫站的建設正在大力開展中，預計到2020年國內預計將建成100座加氫站，到2030年國內預計將建成1000座加氫站，全力配合氫燃料電池汽車的商業(yè)化推廣。目前國內加氫站的主要情況如表5所示。

表5 國內主要加氫站統計

為了支持氫燃料電池發(fā)動機大規(guī)模商業(yè)化應用和運行，氫能領域還有如下問題亟待解決：①早日建立液氫作為一種民用能源的標準、法規(guī)體系，為日后大規(guī)模、低成本、高效率地使用氫能源奠定基礎；②簡化加氫站的審批流程，降低加氫站建設土地申請的難度，參考國際加氫站的標準降低加氫站建站的防火間距等要求，進一步推進國內加氫站的建設速度。

4 總結和展望

目前國內外氫燃料電池發(fā)動機和整車發(fā)展迅猛，我國的氫燃料電池發(fā)動機研發(fā)應用及氫能產業(yè)正處于快速發(fā)展的上升期，國家和地方發(fā)布了多項政策和標準以推動發(fā)展，相關產業(yè)鏈和技術也在不斷完善。社會對環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的愿景不會改變，零排放的氫燃料電池發(fā)動機和清潔的氫能源是實現人類美好家園的重要選擇。但發(fā)展的過程中也需要認識到，國內氫燃料電池發(fā)動機和整車技術還需要不斷研發(fā)和探索，氫能基礎設施也有待完善，后續(xù)在這些領域須有進一步創(chuàng)新和突破。