燃料電池汽車與氫能關鍵技術趨勢綜述
——第3屆國際氫能與燃料電池汽車大會FCVC總結

趙子亮 趙洪輝 盛夏 王宇鵬 丁天威 馬秋玉

（中國第一汽車集團有限公司 新能源開發院，長春 130011）

主題詞：燃料電池汽車 氫能 膜電極

1 前言

在全球汽車行業向低碳化、信息化、智能化方向發展的今天，根據對國際汽車技術發展動向的分析，節能汽車、純電動和插電式混合動力汽車、氫燃料電池汽車、智能網聯汽車、汽車動力電池、汽車輕量化以及汽車制造技術仍代表著國際汽車技術的重點和關鍵領域。氫能成為各國能源戰略的重要組成部分，氫能燃料電池全產業鏈規模化發展成為各國共同的選擇。氫燃料電池汽車產業化進程加快，燃料電池動力系統呈現高度集成化發展趨勢，全球氫能基礎設施建設加速，而戰略聯盟與合作成為撬動氫燃料電池汽車初期產業化的主旋律。

2018年10月23-25日，第3屆國際氫能與燃料電池汽車大會在江蘇如皋舉辦。國際氫能與燃料電池汽車大會是國際一流的年度行業盛會，由國際氫能燃料電池協會(籌)和中國汽車工程學會共同主辦，聚集全世界氫能與燃料電池技術的開發者、燃料電池汽車制造商、氫能燃料電池領域投資者和政府政策的制定者，攜手促進氫能及燃料電池汽車的商業化發展。該大會邀請了全球氫能燃料電池產業鏈的知名企業、行業領軍人物、知名專家學者聚焦氫燃料電池創新的前沿，加強了整個氫燃料電池產業鏈的全球交流合作，以其國際化、權威性、專業性和前瞻性在行業內獲得了認可與好評。筆者結合本次氫能與燃料電池汽車大會與目前行業發展現狀，對燃料電池汽車與氫能關鍵技術趨勢進行梳理。

2 燃料電池汽車技術趨勢

傳統汽車與混動汽車已經不能滿足人類對未來二氧化碳排放逐年降低的要求，這已經成為行業的普遍共識。奧迪公司[1]認為發展零排放的純電動與燃料電池汽車勢在必行，故此開發e-tron與h-tron兩大戰略平臺，燃料電池技術可應用于中大型乘用車、SUV與商用車。奧迪公司認為2022年將會是燃料電池汽車商業化的元年，到2030年，燃料電池汽車將會有10%的市場占有率。目前奧迪通過與BALLARD公司的合作，基于Q5車型，開發出0-100 km/h加速時間小于7 s、最高時速200 km/h、最長續駛里程600 km的電動四驅版燃料電池汽車，本款汽車搭載100 kW級燃料電池發動機、3個70 MPa氫瓶，加注時間僅3 s。未來，奧迪將重點攻關提升燃料電池功率密度、優化燃料電池效率、精簡發動機設計、降低材料成本、優化儲氫系統等技術，并計劃將燃料電池產品應用在大眾、奧迪、保時捷和MAN等品牌的汽車上。

作為全球燃料電池汽車的領軍企業之一，韓國現代[2]從1998年開始燃料電池汽車的開發工作，歷經3代IX35燃料電池汽車產品的升級換代后，在2018年3月向市場投放了其最新系列產品NEXO。本款燃料電池汽車相較于原來產品在燃料電池發動機效率、低溫冷啟動和續航里程等重要指標上都有明顯的技術突破，并承諾整車全生命周期（16萬公里/10年）的質量。現代公司將利用在NEXO上的成熟開發經驗，打造一款極具市場競爭力的燃料電池大巴，切實滿足顧客對可靠與耐久的使用要求。未來計劃與奧迪公司攜手共同引領燃料電池核心技術，開拓未來汽車市場。

豐田公司作為燃料電池汽車行業的先行者和領軍企業[3]，從1992年開展燃料電池汽車的開發任務，經過三代技術的升級優化與技術迭代，在2014年12月向市場投放了全球第一款燃料電池汽車MIRAI，截至目前，全球已經出售了7 000余量MIRAI汽車，引領全世界汽車企業邁入了氫能時代。預計在2030年，將有超80萬臺燃料電池汽車上路運行，900余座加氫站將為之服務，豐田也致力于同全球的政府、整車廠、供應商、消費者共同努力，構建更加完善的氫能社會。

國外整車企業長期投入燃料電池戰略技術，采用大功率電堆技術路線，目前已經實現全面化的市場運營，加氫站等設施也在逐漸完善。與之相比，我國的車用燃料電池行業的發展尚處于商業化起步階段，車型主要集中在商用車領域，產業鏈與加氫站等基礎設施相對薄弱。上汽集團[4]是我國在燃料電池領域投入規模最大、經驗積累最久和研發團隊最完善的整車企業，其累計研發投入費用超15億元，核心技術研發設備超200臺，專業技術研發人員超100人。從2001年第一臺燃料電池汽車研發開始，目前已有榮威750、榮威950和大通FCV80等燃料電池汽車正在商用化運行。上汽目前正在開發300型大功率燃料電池電堆，并在燃料電池系統集成、動力系統匹配、電控系統集成和熱管理等核心技術上進行掌控。未來，上汽將不斷完善燃料電池生態圈，形成完善的維保體系；形成四個整車應用平臺，涵蓋家用、物流、環衛、客運等領域；并自主開發90 kW級燃料電池發動機，建立燃料電池電堆、系統、儲氫系統生產線，實現3 000臺的產能規模。

作為國內整車廠領軍團隊的代表之一，一汽集團[5]在未來將推出50 kW與100 kW及兩個燃料電池發動機系統平臺，實現從A00到C級全系車型覆蓋。在一汽集團紅旗H5燃料電池汽車開發過程中，分別完成了系統控制、系統集成、整車熱管理、關鍵零部件測試、系統試驗等方面經受了多種層級和類別的挑戰，所開發的燃料電池發動機是國內第一款采用金屬雙極板單堆，系統功率達到50 kW的大功率燃料電池發動機，體積比功率達到400 W/L。基于該款發動機打造的一汽集團首款紅旗品牌燃料電池汽車H5-FCEV也將與2019年實現示范運營。該車型搭載50 kW燃料電池發動機、140 kW電驅系統和70 MPa儲氫系統，整車設計續航里程達到500 km。

長城汽車[6]作為全中國最大的SUV品牌、氫能堅定的擁護者，計劃在2020年展示首輛基于專屬平臺的燃料電池車型，在2022年北京冬奧會上推出首支燃料電池車隊，在2025年打造最具成本競爭力的燃料電池動力系統和加氫技術。預計2020年前后，長城將在燃料電池核心技術上有所突破：燃料電池電堆體積比功率5.0 kW/L、壽命5000 h衰減5%、鉑載量0.3 g/kW；燃料電池系統最大功率150 kW、最高溫度95℃、最高效率60%，并將采用高速離心式空壓機、被動循環回氫方案；儲氫系統將開發35 MPa、50 MPa、70 MPa產品，重量儲氫密度將達到5.8 wt-%。長城汽車致力于深度參與氫能產業發展，將在未來擴展氫能運輸領域及氫能運用領域的多種商業機遇。

3 燃料電池系統與關鍵零部件

燃料電池系統是一個由氫氣路，空氣路，冷卻路等多零部件、多總成所組成的高度集成化的動力發電系統，而燃料電池系統控制核心都是為了滿足電堆的操作條件所進行的對各零部件的協調控制。燃料電池電堆作為燃料電池系統控制的最終服務對象，具有對溫度、壓力和濕度等條件變化電堆性能改變的特點。

奧地利AVL公司將燃料電池技術作為未來一項重要的發展路線[7]，基于對燃料電池電堆的測試經驗，AVL公司對于電堆故障進行分解為性能衰減與泄露形成兩大類，其中催化劑Pt的分解與脫落、碳腐蝕、金屬板腐蝕及污染物的進入均會造成電堆性能衰減；而膜的化學性能衰減及機械性能降低均會導致電堆泄露現象的出現。AVL公司通過其開發的THDA模塊實現對電堆內部缺氣、水淹等多種不正常運行狀態的實時監控，從而取代CVM系統對每個單體都要進行監測的復雜系統，最終實現對于電堆壽命的閉環控制。

聲運技術有限公司[8]提出當前電堆主要現狀體現在核心技術差距明顯、供應鏈薄弱兩個方面，對于電堆衰減及系統故障診斷在燃料電池系統工程化過程中顯得尤為重要，聲運有限公司通過對電堆的測試及故障診斷需求開發，實現了對于電堆衰減機理及敏感性影響因素的工程探索，通過電堆單體電壓監控設備、電流密度分布檢測設備、電化學阻抗儀等電堆測試設備的工程應用，為電堆狀態數據的可視化監控提供了技術手段。

燃料電池關鍵零部件除電堆外，主要包括空壓機、加濕器、水泵、DC/DC和供氫回氫總成等。空壓機無論從開發難度和成本上，都是燃料電池關鍵零部件中最重要的部件。

目前從空壓機技術路線的發展趨勢來看，高壓比、高轉速、長壽命和低成本是目前各主機廠和空壓機研發機構共同追求的目標，而且大多數采用空氣軸承和離心式空壓機，甚至更深一層的產品采用雙級增壓離心式空壓機，將壓比提高至3.5以上，轉速可達100 000 r/min以上。值得一提的是GARRETT公司[9]的兩級增壓式空壓機，最大壓比為4 h轉速可達120 000 r/min，其在增壓技術方面處于引領地位，2016年GARRETT第一款燃料電池用空壓機就在本田Clarity車型上進行批量生產，憑著出色的高壓比、低功耗、低噪音等性能被業界認可。GARRETT電動壓縮器采用無油空氣箔片軸承，提高動力輸出、減少燃料電池系統尺寸、重量和成本。

Hanon公司[10]在2006年為韓國現代公司燃料電池車開發了35 000 r/min的空壓機，一直到2015年其開發的60 000 r/min空壓機均采用滾珠軸承，但此類軸承潤滑限制了空壓機的峰值轉速，轉速可從原來的80 m/s提高到225 m/s，且噪聲和壽命都顯著改善，所以經過1D/2D/3D的設計與分析，Hanon于2018年成功開發并量產100 000 r/min的空氣軸承式空壓機，并應用在現代燃料電池車NEXO的發動機上。

空壓機轉速越高，壓比越大，燃料電池電堆輸出電功率越高，但與此同時，空壓機本身電損耗尤其在高轉速情況下會增加的更多，對燃料電池系統而言，其凈輸出功率可能反而下降。清華大學[11]認為，空壓機泵頭葉輪出口與入口直徑比大，葉輪流道長且狹窄，與最優比轉速設計相比，效率可下降5個百分點，導致燃料電池系統效率下降2個百分點，其與勢加透博公司一起研發的兩款空壓機設計轉速為90 000 r/min，比常規基于最優比轉速設計的空壓機轉速低30%。

4 燃料電池電堆與膜電極技術趨勢

燃料電池電堆是燃料電池發動機的核心，也是各主機廠與燃料電池電堆供應商進行技術角逐的舞臺。早在2014年豐田發布的“MIRAI”燃料電池汽車中，就搭載了豐田最新研發峰值功率達到114 kW的金屬雙極板燃料電池電堆。該燃料電池電堆具有電堆自加濕、3D鈦金屬網陰極流道等顯著技術特征[12]。得益于豐田在燃料電池電堆結構與性能方面的優化，使得在燃料電池系統層面取消了加濕器裝置，簡化了系統結構。在2015年本田公司發布的Clarity Fuel Cell燃料電池汽車中，也是得益于燃料電池電堆在冷卻流道與雙極板結構的優化，使得燃料電池電堆體積較上一代車型縮小了33%。同時燃料電池電堆可以與DC/DC、空壓機和驅動電機一起放置在發動機前機艙。整個燃料電池系統與驅動電機組合在一起，體積與傳統V6內燃機體積類似，也就是行業內所稱的Fu?el Cell Engine“燃料電池發動機”的概念。

從燃料電池電堆整體技術路線的發展趨勢來看，高比功率、長壽命、低成本是目前各主機廠和燃料電池電堆研發機構共同追求的目標。加拿大Ballard公司在新能源市場領域認為在重載車和長續航里程方面，燃料電池汽車要比純電動汽車具有明顯的優勢[13]。對于重載卡車、客車等商用車，Ballard公司提出了燃料電池全生命周期成本的概念。同時基于這種概念，該公司也在商用車領域進行重點布局。在2018年德國漢諾威展上發布了其下一代高性能液冷式燃料電池電堆FCgen?-LCS[14]。與之前的液冷式電堆相比，FCgen?-LCS系列電堆產品雖然一樣使用的是碳材質的雙極板，但是通過MEA性能提升與催化劑載量降低等手段，在成本方面預計總體減少40%；電堆壽命方面，通過改進MEA和工藝以及采用可重復使用的碳雙極板和成型壓模硬件，實現計劃使用壽命超過30 000 h，長于許多車輛的使用壽命。該型號的燃料電池電堆在低溫冷啟動性能方面，也通過優化實現了-25℃的冷啟動能力。

隨著中國燃料電池商用車市場的逐步升溫，國際上越來越多的燃料電池系統/電堆供應商紛至沓來，尋找在國內的合作機會與市場。在近期召開的第3屆氫能燃料與燃料電池汽車大會上，來自美國的Nuvera公司[15]和荷蘭的Nedstack公司[16]也都展示了相應的商用車解決方案。

MEA作為燃料電池電堆的關鍵零部件，無論從電堆結構性能設計方面還是從壽命與成本方面，都起到了決定性的作用。如果說燃料電池電堆是燃料電池發動機的核心，那么MEA就是核心中的核心。近年來，從車用質子交換膜燃料電池這一發展方向看，MEA的技術路線一直都是朝著高功率密度、高機械與熱耐受強度、低成本和長壽命的方向進行發展。Gore公司作為全球質子交換膜和膜電極的巨頭，其產品廣泛應用于豐田MIRAI、本田Clarity、現代NEXO、上汽榮威FC 950等燃料電池車型中[17]，同時Gore公司也是Ballard公司質子交換膜的主要供應商。目前Gore公司開發的ePTFE系列質子交換膜通過技術革新實現在110℃高溫與20%RH低濕度下耐久性提升25%以上的效果。未來該產品可以幫助主機廠在提升燃料電池電堆壽命的同時，降低整車散熱系統負荷。通過打破常規的創新思路，Gore公司找到了功率密度和機械耐久性間的平衡，在下一代產品中將提供厚度減少到7.5 μm的質子交換膜產品。同時Gore公司具有定制ePTFE的結構來滿足燃料電池膜需求的專有技術，滿足汽車主機廠的批量供應與成本控制的需求。3M公司也是全球知名的質子交換膜和膜電極供應商之一，其產品廣泛的應用于燃料電池叉車、備用電源、固定發電和燃料電池汽車領域。3M公司開發的納米纖維強化質子交換膜可以顯著改善膜電極在高溫下的性能表現，提升高溫性能和耐久性[18]。同時3M公司也在致力于向主機廠提供高功率密度、低成本和長壽命的質子交換膜和膜電極產品。英國Johnson Matthey公司是一家全球性的催化劑和貴金屬專用化學品公司，掌握燃料電池鉑金催化劑的核心生產工藝技術。該公司提供從質子交換膜燃料電池催化劑、質子交換膜、膜電極等不同層級的產品來滿足不同客戶的需求[19]。在未來的膜電極產品，該公司將會通過采用高性能合金催化劑和催化劑納米結構控制等手段來提升膜電極產品性能同時降低生產制造成本。

5 燃料電池法規發展趨勢

全球氣候變暖與能源危機成為全世界需要共同面臨的問題，習近平總書記指出中國應引導應對氣候變化國際合作，成為全球生態文明建設的重要參與者、貢獻者、引領者。這就預示著大力發展新能源汽車尤其是零排放的氫燃料電池汽車，將成為中國乃至全球發展的必然趨勢。全球陸續發布了限售與限行傳統能源車的時間節點與措施。燃油車逐漸被新能源車取代已經成為不容置疑的事實。自從豐田發布第一款氫燃料電池車MIRAI以來，使得氫燃料電池車再次得到廣大OEM的重視，分別又有本田Clarity以及現代NEXO等氫燃料電池車型，掀起了新一輪的發展，各國也紛紛出臺相關政策鼓勵燃料電池的發展，隨著燃料電池產品化的逐步實現，相關的檢測和認證必不可少，其中標準作為檢測和認證的依據，對于引領和規范產業的發展具有重要意義。

其中同濟大學[20]基于與德國IPEK（KIT）合作項目，對中國和德國燃料電池相關標準進行簡要對比分析，對比分析結果見下表

表1 中德燃料電池相關標準對比分析

從表1中對比分析可以看出，燃料電池國內標準與國外還有一些差距，國外標準更加系統化，規則化，而中國近年來燃料電池相關標準在數量上有一定優勢，但在部分層面評價標準仍然欠缺，比如對燃料電池汽車整車表現的評價。中國標準面對用戶方案和汽車特點，需要更加系統化以優化過程和方法。

燃料電池涉及的產業鏈比較長，相關的標準化技術委員會也比較多，但是鑒于燃料電池此前一直處于研發階段，真正制定燃料電池相關標準的技術委員會并不多，主要是幾個與燃料電池直接相關的標準化技術委員會，主要包括：全國燃料電池及液流電池標準化技術委員會（SAC/TC 342）、全國氫能標準化技術委員會（SAC/TC 309）、全國汽車標準化技術委員會電動車輛分技術委員會（SAC/TC 114/SC 27）、全國氣瓶標準化技術委員會車用高壓燃料氣瓶分技術委員會（SAC/TC 31/SC 8）。在全國標準化技術委員會的統一領導下，各個標委會協同合作，共同推進產業發展。

在燃料電池領域相關國內標準也在各標委會的努力下逐步得到完善。在2017年，新發布燃料電池相關標準共計3項，包括GB/T 35178—2017《燃料電池電動汽車氫氣消耗量測量方法》、GB/T 35544—2017《車用壓縮氫氣鋁內膽碳纖維全纏繞氣瓶》、GB/T33978—2017《道路車輛用質子交換膜燃料電池模塊》；2018年新發布燃料電池相關標準1項，GB/T 36288—2018《燃料電池電動汽車燃料電池電堆安全要求》。另外，已有的一些標準如GB/T 24549—2009《燃料電池電動汽車安全要求》正在修訂完善，新增氫氣傳感器位置與氫泄露測量方法等，使得原來的標準更加完善可靠。

中國汽車技術研究中心[21]在其自身建立的FCV整車性能測評體系中將燃料電池整車評價分為了安全性、續駛能耗、環境適應性、電磁兼容性、動力性、NVH和道路驗證7個大方面，同時將燃料電池汽車測試評價體系分為系統、電堆和輔助系統三個大方向。

清華四川能源互聯網研究院[22]對中國南方現有豐富的棄水資源進行了分析，結合國內產業現狀，可利用棄水制氫。并提出棄水制氫策略并建立制氫大數據平臺實現儲氫、運氫、加氫的聯合調控，完善氫燃料電池全產業鏈。

6 氫能產業鏈技術趨勢

燃料電池汽車的主要燃料是氫氣，所以氫能的基礎設施建設與燃料汽車行業的發展息息相關。目前交通運輸行業的規模與體量與日俱增，包括輪船、飛機、汽車、叉車等等。隨著近年來國際氫能基礎設施建設的推進，涌現出很多研發成果與技術創新。世界各國已經紛紛啟動對氫能的研究和嘗試。并且，在前些年遠景規劃的基礎上，一些有規模的試點業已啟動，氫能產業鏈開始逐步顯現。

在美國，有關部門2001年就曾勾畫出氫能發展的藍圖：在未來的氫經濟中，美國將擁有安全、清潔以及繁榮的氫能產業，美國消費者將像現在獲取汽油、天然氣或電力那樣方便地獲取氫能。2003年，美國宣布啟動總額超過12億美元的氫燃料計劃。目前，美國已經從政策的評估、制定轉向以技術研發、示范為起點的系統化實施階段。2017年，在美國加利福尼亞州，殼牌石油與豐田合作，在當地建立了7座加氫站，使全州的加氫站數量增加到了25座。一個擁有5座加氫站的供應商甚至宣布，他們提供的氫氣每公斤少于10美元（約70元人民幣），這一定價被看作氫能定價的關鍵里程碑。

在歐洲，歐盟25國促成的歐洲研究區專家認為，到2020年，成員國中會有5%的新型汽車和2%的船舶使用氫能產品；到2030年后，其市場占有率不斷提高，預計屆時氫能制造主要來自于可再生能源和先進的核能。其中，德國在氫能和燃料電池技術上處于領先地位。德國制定并執行了嚴格的氫能法規和標準，涉及氫能的生產、運輸、加注、車輛的使用和購買等。2017年，寶馬、奔馳等車企已開始商業化發展氫燃料電池汽車。

日本因自身能源缺乏，非常重視新能源開發，也是最早系統制定氫能發展規劃的國家。日本1993年啟動世界能源網項目，其目標是構建一個環球能源網絡以實現氫能的高效供應、輸送和利用。日本新能源與工業技術發展機構氫能主任大平英二在中國氫能源及燃料電池產業高峰論壇上表示，氫能已經成為日本的基本戰略，成為全球首個國家戰略。2050年，日本希望將氫氣作為可再生能源后的另一種新能源，并且制定了使氫氣價格從2030年的3美元（約21元人民幣）/kg降至2050年2美元（14元人民幣）/kg的目標。

回首國內，2016年3月我國發改委制定的《能源技術革命創新行動計劃（2016-2030年）》提出，把可再生能源制氫、氫能與燃料電池技術創新作為重點任務；把氫的制取、儲運及加氫站等方面的研發與攻關、燃料電池分布式發電等作為氫能與燃料電池技術創新的戰略方向；把大規模制氫技術、分布式制氫技術、氫氣儲運技術、氫能燃料電池技術等列為創新行動。2017年，科技部和交通運輸部聯合印發的《“十三五”交通領域科技創新專項規劃》明確提出，推進氫氣儲運技術發展，以及加氫站建設和燃料電池汽車規模示范，形成較完整的加氫設施配套技術與標準體系。在這個背景下，我國氫能產業的商業化步伐正不斷加快，一些地方和能源企業紛紛布局氫能項目。

在氫能產業領域，氫能是未來重要的能源重要發展方向已成為國內外共識。應該利用可再生資源發電，電子交換膜技術電解水制氫，可以大幅度降低氫氣成本并做到綠色環保。對標柴油汽車的運行成本，氫氣必須降低至40元人民幣/kg才能有價格競爭力。利用可再生能源和液氫運輸等技術去支持整個供應鏈成本的降低和優化可以大幅度降低運輸成本，每公斤氫氣的成本可以降低至5元人民幣左右的水平[23]。據統計，2017年我國氫氣產量約為2 100萬噸，其中用于生產合成氨、甲醇的原料氫占比約65%，用于石油煉制加氫等的占比約33%，工業氫氣占比約2%，用作氫能載體仍僅為示范性工程。

全國政協副主席萬鋼表示，與發達國家相比，我國在燃料電池基礎研究和技術發展、氫能裝備制造等方面仍相對滯后，特別是一些關鍵技術與國外仍存在差距，產業鏈較為薄弱。在基礎設施方面，制氫、供氫和加氫的系統先進性有待提升，制氫成本有待降低，氫設施標準落后等也制約著產業發展。

7 結束語

目前，汽車產業正在面臨一場新的能源革命，氫能是未來交通領域重要的能源之一。通過本次國際氫能與燃料電池汽車大會，全世界氫能與燃料電池技術的開發者、燃料電池汽車制造商、氫能燃料電池領域投資者和政府政策的制定者齊聚一堂，攜手促進氫能及燃料電池汽車的商業化發展。大會通過促進氫能與燃料電池技術領域的國際交流、展示與合作，實現產業共贏，為人類社會的可持續發展做出貢獻。期待未來氫能與燃料電池汽車領域有更多的聲音。