我國氫燃料電池汽車發展前景探究

馬麗 孫鵬 張秋

吉利學院 四川成都 641402

1 前言

當前汽車工業己經成為世界各國國民經濟的重要組成部分，采取清潔能源燃料的問題成為當務之急。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力來源，汽車的大規模發展導致了化石燃料的需求增加，石化能源出現告急；另一方面，化石燃料的燃燒對環境造成破壞，霧霾現象、溫室效應等環境問題都與汽車尾氣排放直接相關，世界各國正計劃全面禁止銷售傳統燃油汽車。

因此，深入研究和探索今后汽車行業的發展方向，以及發展的同時如何降低對環境的破壞，值得我們深入探討和研究。

2 氫燃料電池汽車的優劣勢

新型燃料資源的研發對汽車行業的轉型發展尤為關鍵。以氫氣為能源燃料的氫燃料電池汽車（Fuel Cell Electric Vehicle，簡寫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電化學反應產生電能，輸出的電能通過電機高效轉換為機械能驅動汽車行駛，其優點是使用過程中是零尾氣排放且產物只有水，環保性能佳且氫燃料利用效率高。

相比傳統燃油汽車，氫燃料電池汽車具有排放物無污染的優勢；相比電動汽車，氫燃料電池汽車具有更長的續航里程以及更短的充能時間等優勢[1]。它的缺點是氫氣不像氮氣和氧氣是空氣中的最主要組成：首先，氫氣可以通過電解水，但這個方法不太經濟，能量損失極大；其次，在氫燃料電池發電的過程中會用貴金屬鉑作為催化劑，大規模生產氫燃料電池的成本極高；此外，儲氫和運輸過程中存在安全隱患。

3 國外氫燃料電池汽車發展現狀

目前國外氫燃料電池汽車比較發達的國家和區域主要集中在歐美、日韓等國家和地區，他們投入了大量資金進行研發，已經在關鍵技術上取得了一系列重大突破[2,3]，并在意識層面、技術層面以及上下游產業鏈和整體配套設施等方面較為領先。日本豐田Mirai、韓國現代NEXO是目前燃料電池乘用車的主流車型，燃料電池技術、儲氫技術隨著車型的更新均有提升。德國奔馳戴姆勒、日本豐田、加拿大New Flyer、美國Van Hool等生產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商都積極參與到氫燃料電池汽車的研發中。世界主要國家與地區相繼更新并出臺了氫能源發展戰略規劃，預計到2030年各國燃料電池乘用車的保有量有明顯增長，燃料電池乘用車將在新能源汽車市場占據可觀份額。

2020年9月16日，戴姆勒卡車發布了其車型電動化的技術戰略，關注應用在長途運輸領域的氫燃料電池卡車技術，梅賽德斯-奔馳GenH2概念卡車的全球首發，標志著燃料電池驅動技術發展進入新階段。德國車企寶馬也積極投資燃料電池汽車及其相關技術，從豐田借用氫燃料技術來生產低容量燃料電池版X5 SUV，并將于2022年投產。

目前，美國擁有世界上超過一半的燃料電池汽車，超過25 000輛燃料電池運輸車輛。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。美國南加州Hyperion公司于2020年8月12日發布了一款使用氫燃料的超級跑車Hyperion XP-1，將于2022年在美國限量生產300輛，其續航里程為1 609 km，加氫時間僅需5 min，可在2.2 s內達到96.56 km/h的速度，極端溫度也不會影響到XP-1的氫儲存系統。這款超級跑車是200多名研究員和科學家近10年來對氫技術的研究、開發和測試的巔峰之作，旨在引領汽車技術的新前沿。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，儲氫罐可承受約700 bar的壓力，最大可存儲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研發上取得的進展具有里程碑意義。

韓國政府制定了氫燃料電池汽車產業發展戰略并出臺了相關的支持政策，依托現代汽車等企業，初步建立了氫燃料電池汽車產業體系。2019年11月20日，現代商用車氫燃料重卡在法國里昂舉辦的交通運輸展覽會上（Solutrans），榮獲了2020年度卡車（IToY, International Truck of the Year）創新獎（Truck Innovation Award）。現代商用車計劃向瑞士提供的氫燃料電池重卡中，并列搭載了兩個190 kW級新型氫燃料電池系統和7個大型氫氣罐，一次可充35 kg的氫氣，行駛里程可達400 km。未來，現代商用車計劃以瑞士市場為基礎，在德國、荷蘭、奧地利、挪威等歐洲市場尋求合作伙伴，開拓歐洲環保商用車市場。

4 我國燃料電池汽車發展現狀

作為最大的潛在氫燃料電池汽車消費市場之一，我國已掌握部分氫能基礎設施與一批燃料電池相關技術，具備一定的產業裝備及燃料電池整車的生產能力[4]。氫燃料電池是燃料電池汽車的主要動力源，它將氫燃料化學能轉化為電能的發電裝置，能量轉化率高達90%。在電池功率上，燃料電池發動機功率密度較早期有大幅提升，已達到傳統內燃機的水平。目前國外燃料電池乘用車發動機的輸出功率在80～100 kW，本田Clarity的燃料電池發動機功率可達130 kW，國內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。在使用環境方面，車用燃料電池能夠適應-30的氣候條件，達到傳統汽車的水平。

目前，我國的燃料電池汽車商業運營主要集中在公交和物流領域，與現階段燃料電池汽車在中重載、高強度方面的定位相符，代表企業有福田、宇通、上汽、飛馳、長城等。

公交領域，與地方政府推動應用為主。物流配送領域，以新成立的燃料電池汽車運營服務商推動為主，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化運營，且成績顯著。現有產品覆蓋8～12 m城市/城間客車，面向2022年冬奧會，續駛里程超過450 km的第四代氫燃料電池客車2020年底可實現量產，燃料電池重卡也正在研究過程中。截至目前，北汽福田已累計銷售氫燃料電池客車達190輛，累計運行里程超過300萬km，25輛氫燃料電池物流車已經量產上市。福田汽車與豐田、億華通合作發展氫燃料電池客車，形成了較為完善的氫燃料電池車產品布局，大規模示范運營的重要機遇在冬奧會。

中國重汽的產品布局重點在載貨車，主要指向港口、環衛等專用領域，應進一步拓展長途車型。目前東風汽車的燃料電池商用車產品主要由東風特汽推出的搭載“甲醇重整氫燃料電池系統”。該系統是通過甲醇和水的混合液的重整化學反應供應氫氣，有別于傳統的高壓罐儲氫方式，氫氣再進入燃料電池電堆發電，做到氫氣的“即產即用”，效率高且成本低。

東風汽車在新能源技術研發方面，秉承的是商乘協同、多元路線覆蓋，新一代燃料電池的動力系統正在加速開發。在產品的布局方面，也是商乘并舉，不斷豐富和完善新能源乘用車、新能源商用車等產品。結合東風整體的新能源布局，燃料電池車也將會得到進一步投入，但是與部分企業相比，步伐仍需提速。

2018年，慶鈴汽車與博世宣布在燃料電池領域進行合作，共同推進燃料電池技術在商用車領域的應用。它于2019年亮相上海車展，最高時速為100 km/h，續航里程能達到500 km，加氫時間不到3 min，適用城市內、城郊運輸為主的中短途物流。慶鈴汽車的戰略已經落地，氫能源車的布局已開啟，是少有的發布氫能發展戰略的商用車企業。

宇通自2009年開始研發燃料電池客車，是行業內最早研發燃料電池客車的企業之一。已突破燃料電池電——電混合等多項核心技術，完成了三代燃料電池客車開發。采用60 kW燃料電池系統和動力電池的混合動力系統方案，續航里程達500 km，于2017年12月進入工信部第302批《道路機動車輛生產企業及產品公告》，開始走入市場。2018年8月開啟商業化運營，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；加氫時間為10 min，續駛里程超過500 km。

2019年5月29日，吉利新能源商用車集團（吉利控股集團子旗下公司）在北京發布一款氫燃料電池客車F12，意味著吉利汽車集團的“藍色行動”計劃中又加入了一位成員，吉利汽車集團在氫燃料電池領域也開始了戰略布局，目前吉利汽車集團已經在新能源汽車的電動汽車、混合動力汽車、氫燃料汽車領域中全面布局。尤其是在商用車領域，吉利新能源商用車集團依托吉利遠程汽車技術研究院的工程師及國家級的試驗驗證中心，開發出來的F12客車在續航里程的研發上，采用氫燃料電堆技術，通過了三高測試，證明了F12客車的環境適應性，百公里燃料消耗僅為7.5 kg氫氣。吉利遠程汽車技術研究院同時團隊在乘用車的基礎上拓展商用車的業務，使應用在F12氫燃料客車上的高功率燃料電池系統、燃料供給和水熱管理等方面的關鍵技術共享轉化到乘用車領域，并融合全球的商用車研發資源，開發符合中國道路動態工況的燃料電池乘用車。

5 國內燃料電池技術的發展方向

與發達國家相比，我國在燃料電池技術研發、基礎設施建設等方面仍有一定差距，核心技術和關鍵零部件仍受制于國外領軍企業[5]。

一些世界知名車企將其研發的燃料電池汽車引入我國市場，如日本豐田就打算將其生產的鎳氫燃料電池汽車打入我國市場，德國大眾及寶馬和美國福特等汽車企業則采取與我國車企合資的方式打開我國的市場大門。因此，為促進以氫燃料電池汽車快速發展，亟需加強我國的氫燃料電池汽車核心技術研發能力，制定出合理、科學的發展戰略，通過自主創新提升產業競爭力，爭取在未來氫燃料電池汽車的競爭中掌握主動權。

目前，氫燃料電池汽車企業的布局分散，缺少區域產業協同總體規劃，企業間無法有效合作，各環節的研發趨于封閉，資源無法共享。基于中國2016年發布的《節能與新能源汽車技術路線圖》，以商用車為核心的氫燃料電池汽車（FCEV）市場正加速度發展擴大。

2020年6月5日，中國一汽、廣汽集團、東風、北京億華通、北汽集團、豐田汽車六家企業舉行發布會并計劃成立“聯合燃料電池系統研發(北京)有限公司”，其主要業務是在中國開展商用車燃料電池系統的研發，通過協商共同規劃產品，一條龍式地開展滿足中國市場需求的技術研發工作。這將加快氫燃料電池汽車在中國商用車市場的普及，開發出具備成本更低、競爭力更強的燃料電池系統及其主要組件。

此外，各高校科研創新團隊及科研院所也在進行燃料電池汽車方面的創新性研究與測試，但是這些成果還僅停留在實驗室階段。因此，鼓勵企業、高校和科研院所共同合作建立開放式的重點實驗室和技術創新中心等機構，建立“產-學-研”一體的自主創新體系，這將有助于推動中國燃料電池汽車產業的發展。