關(guān)鍵技術(shù)獲突破，成本持續(xù)下降，氫能燃料電池汽車(chē)的春天要來(lái)了？

這兩年在新能源汽車(chē)的市場(chǎng)接受度越來(lái)越高，銷(xiāo)量也是節(jié)節(jié)攀升，今年前5個(gè)月，我國(guó)新能源乘用車(chē)的批量銷(xiāo)量達(dá)到了86萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)2.5倍，增速迅猛。乘聯(lián)會(huì)也兩次調(diào)高了我國(guó)新能源汽車(chē)今年的銷(xiāo)量預(yù)測(cè)，從年初的預(yù)計(jì)今年年銷(xiāo)量200萬(wàn)輛，調(diào)高到了240萬(wàn)輛。在這些新能源汽車(chē)當(dāng)中，電動(dòng)汽車(chē)的風(fēng)頭最勁。

但其實(shí)除了電動(dòng)汽車(chē)，氫能汽車(chē)也是新能源汽車(chē)的重要組成部分。目前，我國(guó)政府部門(mén)、中外車(chē)企和相關(guān)機(jī)構(gòu)正在加強(qiáng)合作，積極推進(jìn)加氫站建設(shè)，并通過(guò)示范運(yùn)行自主研發(fā)的氫燃料電池汽車(chē)，不斷為氫燃料電池汽車(chē)的發(fā)展探索新的應(yīng)用場(chǎng)景，在政策支持和成本下降的雙重利好下，2021年中國(guó)氫燃料電池汽車(chē)市場(chǎng)有望取得突破式增長(zhǎng)。

氫能及燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

在不久前的第六屆國(guó)際氫能與燃料電池汽車(chē)大會(huì)上，中國(guó)工程院院士陳學(xué)東介紹了我國(guó)在高壓氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展情況。據(jù)他介紹，目前日本、美國(guó)、歐盟等發(fā)達(dá)國(guó)家在氫燃料電池技術(shù)方面率先取得了突破，氫能產(chǎn)業(yè)鏈在逐步構(gòu)建，引發(fā)了全球范圍內(nèi)的氫燃料電池研究熱潮。

近年來(lái)，我國(guó)氫燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)也在快速發(fā)展，且已形成一定產(chǎn)業(yè)集群，綜合實(shí)力較強(qiáng)的有長(zhǎng)三角、珠三角、京津冀等，但距離規(guī)模化應(yīng)用還有很大的差距。

據(jù)了解，2020年我國(guó)已經(jīng)啟動(dòng)氫能源頂層規(guī)劃工作，2020年12月發(fā)布的《新時(shí)代的中國(guó)能源發(fā)展》白皮書(shū)提到，將加速發(fā)展綠氫制取、儲(chǔ)運(yùn)和應(yīng)用等氫能產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)裝備，促進(jìn)氫燃料電池技術(shù)鏈、氫燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展?！缎履茉雌?chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》提出，中國(guó)將力爭(zhēng)經(jīng)過(guò)15年的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)燃料電池汽車(chē)商業(yè)化應(yīng)用。

目前，中國(guó)多地均已出臺(tái)燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)政策，燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)未來(lái)數(shù)年有望加速發(fā)展。

比如，北京市的規(guī)劃是，在2023年前，北京市將培育3至5家具有國(guó)際影響力的氫燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)鏈龍頭企業(yè)，力爭(zhēng)推廣氫燃料電池汽車(chē)3000輛，氫燃料電池汽車(chē)全產(chǎn)業(yè)鏈累計(jì)產(chǎn)值突破85億元；2025年前力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)氫燃料電池汽車(chē)?yán)塾?jì)推廣量突破1萬(wàn)輛，氫燃料電池汽車(chē)全產(chǎn)業(yè)鏈累計(jì)產(chǎn)值突破240億元。

上海市計(jì)劃到2023年，建設(shè)100座加氫站，建成并運(yùn)行超30座，形成全國(guó)最大的加氫網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)出規(guī)模約1000億元，推廣燃料電池汽車(chē)近10000輛。

廣東省在廣州、深圳等地試點(diǎn)開(kāi)展氫燃料電池乘用車(chē)示范運(yùn)行，力爭(zhēng)2022年實(shí)現(xiàn)首批氫燃料電池乘用車(chē)示范運(yùn)行。

此外，浙江、江蘇、山東、四川等地也相繼推出了與氫燃料電池相關(guān)的規(guī)劃。有專(zhuān)家預(yù)計(jì)，2025年前我國(guó)氫燃料電池汽車(chē)和加氫站仍將以示范運(yùn)行為主，2035年燃料電池汽車(chē)數(shù)量有望達(dá)到百萬(wàn)輛級(jí)別的商業(yè)應(yīng)用規(guī)模。

除了政府的規(guī)劃，車(chē)企也在積極布局。比如上汽集團(tuán)已經(jīng)累計(jì)完成了9款氫燃料電池整車(chē)的量產(chǎn)開(kāi)發(fā)，車(chē)型涵蓋乘用車(chē)、公交客車(chē)、物流車(chē)、專(zhuān)用車(chē)底盤(pán)和重卡，累計(jì)投放市場(chǎng)超500輛。上汽集團(tuán)還表示，未來(lái)還會(huì)陸續(xù)推出多款商用車(chē)產(chǎn)品。

長(zhǎng)城汽車(chē)計(jì)劃今年發(fā)布首款燃料電池SUV，并計(jì)劃在2022年北京冬奧會(huì)期間推出首個(gè)燃料電池車(chē)隊(duì)。

豐田在今年3月初發(fā)布消息稱(chēng)，將于2021年春季開(kāi)始對(duì)外銷(xiāo)售氫燃料電池系統(tǒng)。豐田把面向2020年上市的新款燃料電池車(chē)（FCV）“未來(lái)”（MIRAI）開(kāi)發(fā)的氫相關(guān)零部件進(jìn)行系統(tǒng)化，預(yù)計(jì)獲得廣泛應(yīng)用。除了卡車(chē)和巴士之外，還將在鐵路、船舶、發(fā)電機(jī)領(lǐng)域擴(kuò)大燃料電池的應(yīng)用，以促進(jìn)完善基礎(chǔ)設(shè)施和降低氫價(jià)格。

而且豐田還在去年宣布，將與中國(guó)五家大型汽車(chē)廠商共同設(shè)立氫燃料電池開(kāi)發(fā)的合資企業(yè)。豐田希望通過(guò)攜手更多合作伙伴，推動(dòng)燃料電池性能提升、促進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。

儲(chǔ)氫關(guān)鍵技術(shù)取得突破，但仍有短板

目前氫能儲(chǔ)運(yùn)的方式有常溫高壓氣態(tài)氫、深冷常壓液態(tài)氫、深冷高壓超臨界氫、帶壓固態(tài)儲(chǔ)氫等。目前氫燃料電池汽車(chē)中采用的主流技術(shù)路線是常溫高壓儲(chǔ)氫，因?yàn)樵摲绞骄哂袣錃庵苽鋲嚎s功耗小、充裝速度快等優(yōu)點(diǎn)。

儲(chǔ)氫其實(shí)主要包括氣氫站、道路運(yùn)氫和車(chē)載運(yùn)氫三個(gè)場(chǎng)景，在這些場(chǎng)景中都需要用到儲(chǔ)氫罐，而儲(chǔ)氫罐是目前氫燃料電池汽車(chē)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。

目前中外儲(chǔ)氫罐技術(shù)差距主要集中在儲(chǔ)氫罐材質(zhì)上，包括內(nèi)襯、纖維纏繞層和過(guò)渡層材料。
我國(guó)車(chē)載儲(chǔ)氫罐主流是金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶(Ⅲ型瓶)，內(nèi)襯材料為金屬鋁，儲(chǔ)氫壓力為35MPa，質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度（氫氣占儲(chǔ)氫罐總質(zhì)量的比重）在3%左右。

而日、美、韓的頭部企業(yè)已經(jīng)量產(chǎn)了全復(fù)合纖維纏繞瓶（IV型瓶），內(nèi)襯材料為塑料，有更好的氣密性、耐腐蝕性、耐高溫性，因此這種儲(chǔ)氫罐儲(chǔ)氫壓力能達(dá)到70MPa，質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度在5.7%左右。

但需要指出的是，兩種儲(chǔ)氫罐都面臨很大的安全問(wèn)題。

內(nèi)部來(lái)說(shuō)，儲(chǔ)氫壓力本身很高，無(wú)論是35MPa還是70MPa，都是一個(gè)很危險(xiǎn)的壓力數(shù)值。要知道，20MPa的水壓就可以用來(lái)切割石材了。其次，氫氣在高壓高溫（30MPa，300℃以上）環(huán)境下，還會(huì)發(fā)生“氫脆現(xiàn)象”，腐蝕金屬，引起裂紋導(dǎo)致儲(chǔ)氫罐破裂。

外部來(lái)說(shuō)，汽車(chē)行駛途中還可能發(fā)生碰撞事故，火災(zāi)事故、浸水事故等極端情況，讓原本就比較危險(xiǎn)的儲(chǔ)氫罐增加了破裂、泄露，甚至爆炸的可能性。

由于以上三個(gè)問(wèn)題存在，兩種儲(chǔ)氫罐都采用了大量的碳纖維材料，同時(shí)，為避免“氫脆現(xiàn)象”發(fā)生，金屬內(nèi)膽儲(chǔ)氫罐還需額外配備液冷系統(tǒng)，以控制罐內(nèi)溫度。綜合下來(lái)，一個(gè)儲(chǔ)氫罐的成本達(dá)到了6萬(wàn)元以上。

陳學(xué)東指出，不管任何方式，氫氣儲(chǔ)運(yùn)裝備一旦失效，就可能會(huì)發(fā)生泄露、燃燒、甚至爆炸，造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此，氫能儲(chǔ)運(yùn)裝備安全不容忽視，但同時(shí)也要兼顧經(jīng)濟(jì)性。

不過(guò)，在陳學(xué)東看來(lái)，我國(guó)經(jīng)過(guò)多年的努力，已經(jīng)基本掌握了氫氣儲(chǔ)運(yùn)的關(guān)鍵技術(shù)，攻克了可靠性設(shè)計(jì)制造關(guān)鍵技術(shù)。

比如高壓臨氫環(huán)境金屬材料損傷機(jī)制問(wèn)題，“人們研究金屬材料的損傷最早是從高溫高壓環(huán)境開(kāi)始的，如加氫反應(yīng)器長(zhǎng)期在高溫高壓、臨氫條件下運(yùn)行，存在高溫氫侵蝕、氫脆、回火脆等多種損傷。但通過(guò)采取有效措施，包括基于風(fēng)險(xiǎn)的檢測(cè)、合適的開(kāi)停車(chē)工藝等，可以保障反應(yīng)器30年服役安全?！标悓W(xué)冬表示。

受高溫高壓氫影響，人們一直擔(dān)心常溫高壓（>35~50MPa）氫環(huán)境下的金屬氫脆問(wèn)題。但他特別指出，針對(duì)常溫高壓氫環(huán)境，經(jīng)過(guò)日本九州大學(xué)、美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，以及浙江大學(xué)所做的相關(guān)研究實(shí)驗(yàn)表明200℃以下溫度、35MPa以下壓力的氫環(huán)境不易導(dǎo)致金屬材料氫脆。

目前在加氫站高壓氣態(tài)氫存儲(chǔ)方面，基于當(dāng)前對(duì)金屬材料氫相容性的認(rèn)識(shí)，中集安瑞科、浙江藍(lán)能等研制出了20~45MPa Ⅰ型儲(chǔ)氫瓶組（4130X鋼）。基于扁平鋼帶錯(cuò)繞原理，浙大等研制出了50MPa全多層鋼制儲(chǔ)氫容器（7.3立方米）、98MPa全多層鋼制儲(chǔ)氫容器（1立方米）；合肥通用院研制出了140MPa單層鋼制儲(chǔ)氫容器。

美國(guó)PDC、Hydropac、德國(guó)Hofer和林德等研發(fā)出了金屬隔膜式、液驅(qū)增壓泵式、離子式氫氣壓縮機(jī)，可滿(mǎn)足給70MPa車(chē)載瓶加氫。

陳學(xué)東坦承，盡管我國(guó)已經(jīng)基本掌握了氫氣儲(chǔ)運(yùn)的關(guān)鍵技術(shù)，但仍有一些技術(shù)難點(diǎn)需要供客，比如我國(guó)45MPa壓縮機(jī)可靠性不足、液氫泵的電機(jī)問(wèn)題也沒(méi)有解決；另外，高頻切斷球閥等加氫站重要閥門(mén)主要依賴(lài)從美國(guó)日本進(jìn)口。

在公路運(yùn)氫方面，國(guó)內(nèi)還是以20MPa的Ⅰ型和Ⅱ型瓶為主，儲(chǔ)氫量小、儲(chǔ)氫密度低，難以滿(mǎn)足低成本和高效輸配需求。

管道輸氫方面，可以利用現(xiàn)有的天然氣管道摻氫輸送，這樣可以解決一定規(guī)模氫氣的長(zhǎng)距離輸配問(wèn)題，但這也有一個(gè)問(wèn)題，那就是如果是用于汽車(chē)的話，需要比較純的氫，分離的成本會(huì)比較高。

在車(chē)載高壓用氫方面，國(guó)內(nèi)主要以35MPa的Ⅲ型瓶為主，近期也開(kāi)發(fā)出了70MPa Ⅲ型瓶，但國(guó)內(nèi)限制必須是50MPa以下，因此目前我們用的還是50MPa以下的儲(chǔ)氫罐。

陳學(xué)東總結(jié)說(shuō)，未來(lái)，這些關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題，還需要研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)共同努力來(lái)克服。
成本在不斷降低
業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，氫燃料電池在功率密度、冷啟動(dòng)溫度、壽命、最高效率等指標(biāo)方面已有大幅改善，燃料電池汽車(chē)的成本也正在逐步下降，但要與傳統(tǒng)燃油車(chē)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，還有很長(zhǎng)一段路要走。

比如，燃料電池堆的成本占燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)成本的50%。有業(yè)內(nèi)人士表示，2020年末，電池堆成本已出現(xiàn)明顯下降，比2020 年初下降超過(guò)20%，而且這一趨勢(shì)還將延續(xù)。

根據(jù)公開(kāi)信息顯示，2020年10月，國(guó)鴻氫能率先將電堆價(jià)格降至2000元/千瓦以下，推出1999元/千瓦的鴻芯GI電堆。隨后，氫璞創(chuàng)能的新品電堆Now ogen V 將價(jià)格降至1699元/千瓦；深圳氫瑞發(fā)布的A1代燃料電池電堆也打出了最低1199元/千瓦的價(jià)格。

不過(guò)，電堆廠商的低價(jià)戰(zhàn)略也附加了訂貨大于500 臺(tái)甚至更多訂單的要求，這在目前的燃料電池汽車(chē)市場(chǎng)并不太容易實(shí)現(xiàn)。業(yè)內(nèi)人士預(yù)計(jì)，隨著燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的加速發(fā)展，今年電堆價(jià)格有望真正降至2000元/千瓦之下。

氫燃料電池所必須的質(zhì)子交換膜，被稱(chēng)為燃料電池汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的“芯片”，主要使用鉑金為催化劑，生產(chǎn)成本很高。去年11月，東岳150萬(wàn)平方米質(zhì)子交換膜生產(chǎn)線一期工程在位于山東淄博桓臺(tái)縣的東岳集團(tuán)投產(chǎn)，標(biāo)志著我國(guó)氫能核心材料質(zhì)子交換膜的技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模均邁入全球領(lǐng)先行列，這也有望進(jìn)一步降低燃料電池汽車(chē)的價(jià)格。

也就是說(shuō)，未來(lái)隨著氫燃料電池汽車(chē)市場(chǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，成本將會(huì)大幅降低。

結(jié)語(yǔ)

根據(jù)中國(guó)氫能聯(lián)盟的預(yù)測(cè)，到2050年氫能將會(huì)成為我國(guó)能源體系的重要組成部分，占比將達(dá)到10%，在交通、工業(yè)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)普及應(yīng)用。但目前來(lái)說(shuō)，氫能還是以試點(diǎn)為主，未來(lái)能否真正形成規(guī)模化市場(chǎng)，還需要市場(chǎng)的檢驗(yàn)。

不管怎么樣，陳學(xué)東還是希望政府和企業(yè)因地制宜，不宜一哄而上。