詳細(xì)解析動(dòng)力多樣化之氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用

隨著《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》的印發(fā)實(shí)施，國(guó)內(nèi)汽車市場(chǎng)對(duì)零排放解決方案的需求進(jìn)一步增長(zhǎng)。在2019年上海國(guó)際汽車工業(yè)展覽會(huì)上，各種新能源技術(shù)和產(chǎn)品受到了廣泛的關(guān)注和青睞，其中上汽大通、一汽紅旗、東風(fēng)汽車、格羅夫、漢騰汽車、眾泰汽車、慶鈴汽車等國(guó)內(nèi)車企所帶來的“氫能源”技術(shù)和新車型的高水準(zhǔn)展示引人矚目。4月19日，上海市市長(zhǎng)應(yīng)勇參訪上汽大通展臺(tái)，對(duì)上汽MAXUS氫燃料電池MPV G20FC進(jìn)行深入了解。氫燃料電池作為動(dòng)力，具有動(dòng)力強(qiáng)、加速快和加氫時(shí)間短、續(xù)航能力高等特點(diǎn)，而最關(guān)鍵的是氫動(dòng)力汽車的排放僅為水。本期，我們推送《動(dòng)力多樣化之氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)》以詳細(xì)解析目前國(guó)內(nèi)氫燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的情況。

《中國(guó)內(nèi)燃機(jī)工業(yè)年鑒》官方網(wǎng)站

大力發(fā)展新能源汽車是應(yīng)對(duì)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(zhǎng)、燃料來源多元化、能源可再生等優(yōu)勢(shì)而被認(rèn)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(shù)可行，優(yōu)點(diǎn)突出

1.1 氫燃料電池汽車優(yōu)點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)

與傳統(tǒng)汽車相比，氫燃料電池汽車使用氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)代替了傳統(tǒng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)，使用儲(chǔ)氫罐代替了油箱，通過燃料電池的氫氧電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電能通過電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(diǎn)：①氫燃料電池汽車對(duì)環(huán)境（空氣、土壤等）沒有污染，只會(huì)向環(huán)境排放水，不產(chǎn)生溫室氣體；②燃料電池汽車運(yùn)行時(shí)相對(duì)安靜，噪聲值在55dB左右，有利于營(yíng)造一個(gè)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(zhuǎn)化效率可達(dá)60%，為傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的2～3倍；④與電動(dòng)汽車相比，氫燃料電池汽車的續(xù)航里程更長(zhǎng)，充氫時(shí)間很短，與燃油車加油時(shí)間相當(dāng)，能夠提供更加優(yōu)良的用戶體驗(yàn)；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(chǎn)物、電解水、甲醇裂解、甲烷重整等多個(gè)渠道獲得。

氫燃料電池汽車的核心系統(tǒng)主要包括氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)和車載氫系統(tǒng)。氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)主要包括燃料電池電堆、空壓機(jī)、膜增濕器等，主要功能是為燃料電池汽車提供動(dòng)力來源。車載氫系統(tǒng)主要由高壓儲(chǔ)氫瓶和氫氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)等組成，主要功能是存儲(chǔ)氫氣，并為氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)適當(dāng)壓力、足夠流量的氫氣。

我國(guó)在氫燃料電池領(lǐng)域的技術(shù)已經(jīng)有一定的積累，能夠?yàn)槿剂想姵仄嚨陌l(fā)展提供一定的技術(shù)支撐。氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵組件如燃料電池電堆、空壓機(jī)等已有國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品，如新源動(dòng)力、億華通、廣順等品牌。車載氫系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的高壓儲(chǔ)氫瓶也已經(jīng)有國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品，如沈陽斯林達(dá)、北京天海、北京科泰克等品牌。國(guó)內(nèi)部分氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)和車載氫系統(tǒng)廠商信息如表1所示。

表1 國(guó)內(nèi)部分燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)/

車載氫系統(tǒng)廠商

雖然較為關(guān)鍵的燃料電池電堆、空壓機(jī)和儲(chǔ)氫瓶已具有一定的國(guó)產(chǎn)化能力，但必須承認(rèn)的是國(guó)內(nèi)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)仍處于初期階段，其功率和耐久性的水平與國(guó)外的產(chǎn)品還存在一定差距。目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)裝車的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)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(fù)合板，前者功率密度是后者的2.5～3.0倍。此外，國(guó)內(nèi)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈配套有待完善，部分關(guān)鍵附件如膜增濕器等還不能批量生產(chǎn)高質(zhì)量的產(chǎn)品，而這些附件恰恰對(duì)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的耐久性至關(guān)重要，今后在這些方面需展開攻關(guān)研究。

1.2 氫燃料電池整車發(fā)展情況

國(guó)內(nèi)氫燃料電池汽車已具有一定的集成裝配技術(shù)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(chǔ)上進(jìn)行改型開發(fā)：去除燃油車內(nèi)燃機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)部件，直接將燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行集成，改型難度相對(duì)較低。國(guó)內(nèi)已推出的氫燃料電池汽車主要以動(dòng)力系統(tǒng)改型為主，部分整車信息如表2所示。

表2 國(guó)內(nèi)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(jiǎn)稱“上汽大通”）自主開發(fā)的氫燃料電池汽車FCV80已成功實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)（見圖1）。FCV80是國(guó)內(nèi)首款運(yùn)用工信部最新準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)的燃料電池輕客車型，也是國(guó)際首款燃料電池輕客車型。FCV80是上汽集團(tuán)在V80的基礎(chǔ)上改型開發(fā)，采用的是氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)為主、動(dòng)力電池為輔的雙動(dòng)力源，續(xù)航里程可達(dá)430km。FCV80的加氫時(shí)間僅需3～5min，與燃油車加油時(shí)間相當(dāng)，與純電車較長(zhǎng)的充電時(shí)間相比，大幅度改善了用戶體驗(yàn)。FCV80燃料電池系統(tǒng)具備超壓保護(hù)、超溫保護(hù)、氫泄漏保護(hù)、碰撞保護(hù)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(guó)標(biāo)體系趨近完善

經(jīng)過近年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)燃料電池汽車相關(guān)的國(guó)標(biāo)體系已經(jīng)趨近完善，主要涵蓋整車級(jí)的安全和技術(shù)要求，燃料電池系統(tǒng)級(jí)的安全、測(cè)試和技術(shù)要求，以及氫能產(chǎn)業(yè)（如加氫基礎(chǔ)設(shè)施和加氫設(shè)備等）相關(guān)的安全技術(shù)規(guī)范（見表3）。燃料電池汽車相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)主要由上汽集團(tuán)、中國(guó)汽車技術(shù)研究中心、同濟(jì)大學(xué)等國(guó)內(nèi)技術(shù)實(shí)力雄厚的單位起草和制定，對(duì)燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展起到了很好的指導(dǎo)作用。

表3 燃料電池汽車主要國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

雖然國(guó)內(nèi)的燃料電池標(biāo)準(zhǔn)體系已經(jīng)基本建立，但是不難發(fā)現(xiàn)，還存在一些需要完善的地方，如70MPa級(jí)的燃料電池汽車及系統(tǒng)的安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)還未出臺(tái)，現(xiàn)行國(guó)標(biāo)中的測(cè)試方法的可實(shí)施性還有待提高，部分標(biāo)準(zhǔn)中的技術(shù)要求低于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求等，后續(xù)須在這些方面進(jìn)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(guó)家相繼出臺(tái)了《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012—2020年）》《中國(guó)制造2025》《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016—2030年）》《國(guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略綱要》《“十三五”國(guó)家戰(zhàn)略性創(chuàng)新新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》及《汽車產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》等政策，明確要求重點(diǎn)發(fā)展氫能與燃料電池技術(shù)。

2018年財(cái)政部和工信部發(fā)布了《關(guān)于調(diào)整完善新能源汽車推廣應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)貼政策的通知》（財(cái)建〔2018〕18號(hào)），通知對(duì)燃料電池汽車補(bǔ)貼力度保持不變，燃料電池乘用車按燃料電池系統(tǒng)的額定功率進(jìn)行補(bǔ)貼，燃料電池客車和專用車采用定額補(bǔ)貼方式。鼓勵(lì)技術(shù)水平高、安全可靠的產(chǎn)品推廣應(yīng)用，并要求乘用車燃料電池系統(tǒng)的額定功率不小于10kW，商用車燃料電池系統(tǒng)的額定功率不小于30kW。

2014年財(cái)政部發(fā)布了《關(guān)于新能源汽車充電設(shè)施建設(shè)獎(jiǎng)勵(lì)的通知》（財(cái)建[2014] 692號(hào)），對(duì)符合加氫站國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，且每天加氫不少于200kg的加氫站將給予400萬的補(bǔ)貼。目前財(cái)政部等四部委正根據(jù)新能源車推廣應(yīng)用規(guī)模和充電設(shè)施建設(shè)運(yùn)營(yíng)成本等情況，對(duì)獎(jiǎng)勵(lì)政策進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，積極引導(dǎo)加氫站的建站技術(shù)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(guó)內(nèi)各省/自治區(qū)/直轄市也積極布局和推廣燃料電池產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)生了巨大的引領(lǐng)效應(yīng)，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(yùn)營(yíng)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(yīng)用財(cái)政補(bǔ)助方案》，按中央財(cái)政補(bǔ)助1∶0.5給予本市財(cái)政補(bǔ)助。當(dāng)燃料電池功率不小于60kW,或燃料電池與驅(qū)動(dòng)電池額定功率之比不低50%的，按中央財(cái)政補(bǔ)助1∶1給予本市財(cái)政補(bǔ)助。2018年6月14日，廣東省人民政府發(fā)布了《關(guān)于加快新能源汽車產(chǎn)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(yīng)用省級(jí)財(cái)政補(bǔ)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(chǎn)業(yè)發(fā)展指導(dǎo)意見（試行）》，意見提出到2025年，氫能產(chǎn)業(yè)鏈年產(chǎn)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(guó)內(nèi)主要的氫燃料電池產(chǎn)業(yè)地方政策如表4所示。

表4 國(guó)內(nèi)主要?dú)淙剂想姵禺a(chǎn)業(yè)地方政策

3 氫能良好的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)支持氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展

支持氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)快速發(fā)展的另一大因素是氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)良好。氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)涉及的氫能產(chǎn)業(yè)主要包括制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)氫和加氫等環(huán)節(jié)。

3.1 制氫產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)

根據(jù)氫氣產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀，工業(yè)制氫技術(shù)已經(jīng)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(shù)成熟度最高，原料也易于獲得，我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)是“富煤貧油少氣”，煤制氫未來會(huì)是比較適合我國(guó)國(guó)情的一種方式，而且隨著潔凈煤技術(shù)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(wǎng)的廢電以及風(fēng)電、水電等可再生能源，從而使水電解制氫的經(jīng)濟(jì)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(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)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(duì)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(jià)值的資源，可以直接通過變壓吸附的方式進(jìn)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(chǎn)成本均較低，但是一定程度上會(huì)受上游產(chǎn)業(yè)的制約。

總之，氫氣來源廣泛，目前我國(guó)可以用于氫能的氫氣產(chǎn)能已經(jīng)超過700億立方/年，其中煤制氫和副產(chǎn)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(dòng)機(jī)后續(xù)的大規(guī)模商業(yè)化運(yùn)行提供了有力的經(jīng)濟(jì)性支撐。

3.2 成熟的氫氣存儲(chǔ)

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

3.3 多樣化的氫氣運(yùn)輸方式

氫氣的運(yùn)輸比較靈活，可以滿足各種類型的使用需求?？傮w而言，氫氣運(yùn)輸方式主要有壓縮氫氣運(yùn)輸、氫氣管道輸送、液氫運(yùn)輸。壓縮氫氣運(yùn)輸是指通過鋼瓶或管束車進(jìn)行運(yùn)輸，適用于短距離、相對(duì)少量的氫氣需求，目前國(guó)內(nèi)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(duì)集中的場(chǎng)合，管道輸送方式初期投資高，后續(xù)使用、維護(hù)成本低；液氫運(yùn)輸是指通過低溫槽車來運(yùn)輸液氫，單車運(yùn)輸量較大，適用于運(yùn)輸距離長(zhǎng)和需求量大的場(chǎng)合，而且液氫增壓的能耗比氫氣增壓的能耗低很多，目前國(guó)外液氫在加氫站中的使用非常廣泛。

3.4 加氫站建設(shè)

國(guó)內(nèi)加氫站的建設(shè)正在大力開展中，預(yù)計(jì)到2020年國(guó)內(nèi)預(yù)計(jì)將建成100座加氫站，到2030年國(guó)內(nèi)預(yù)計(jì)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(guó)內(nèi)加氫站的主要情況如表5所示。

表5 國(guó)內(nèi)主要加氫站統(tǒng)計(jì)

為了支持氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用和運(yùn)行，氫能領(lǐng)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(biāo)準(zhǔn)、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(chǔ)；②簡(jiǎn)化加氫站的審批流程，降低加氫站建設(shè)土地申請(qǐng)的難度，參考國(guó)際加氫站的標(biāo)準(zhǔn)降低加氫站建站的防火間距等要求，進(jìn)一步推進(jìn)國(guó)內(nèi)加氫站的建設(shè)速度。

4 總結(jié)和展望

目前國(guó)內(nèi)外氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)和整車發(fā)展迅猛，我國(guó)的氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)應(yīng)用及氫能產(chǎn)業(yè)正處于快速發(fā)展的上升期，國(guó)家和地方發(fā)布了多項(xiàng)政策和標(biāo)準(zhǔn)以推動(dòng)發(fā)展，相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈和技術(shù)也在不斷完善。社會(huì)對(duì)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的愿景不會(huì)改變，零排放的氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)和清潔的氫能源是實(shí)現(xiàn)人類美好家園的重要選擇。但發(fā)展的過程中也需要認(rèn)識(shí)到，國(guó)內(nèi)氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)和整車技術(shù)還需要不斷研發(fā)和探索，氫能基礎(chǔ)設(shè)施也有待完善，后續(xù)在這些領(lǐng)域須有進(jìn)一步創(chuàng)新和突破。