王薛超1，金茂菁2

　　(1.中國汽車技術(shù)研究中心;2.科技部高技術(shù)研究發(fā)展中心)

　　燃料電池汽車具有零排放、效率高、能源可再生等優(yōu)勢，市場前景廣闊，成為當(dāng)今全球汽車行業(yè)的研發(fā)熱點(diǎn)。本文在對(duì)燃料電池汽車國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行梳理分析的基礎(chǔ)上，提出了我國燃料電池汽車進(jìn)一步發(fā)展的對(duì)策和建議。

　　一、關(guān)于燃料電池汽車

　　燃料電池汽車是指用車載燃料電池裝置產(chǎn)生的電力作為動(dòng)力的汽車。目前，國內(nèi)外汽車企業(yè)研究的主要是以氫氣為燃料的燃料電池汽車，其工作原理是：在車載燃料電池中，利用電解水的逆反應(yīng)，使氫氣與空氣中的氧氣結(jié)合，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)汽車所需的電能，依靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車。

　　目前，車用燃料電池普遍為質(zhì)子交換膜燃料電池，其單體結(jié)構(gòu)及工作原理，其由兩個(gè)電極和中間的電解質(zhì)組成，電子通過外部電路傳遞至陰極，氫離子在催化劑的作用下和氧氣反應(yīng)生成水。在此反應(yīng)過程中，電池的理論單體電壓可達(dá)1.2V，形成了對(duì)外供電的電源。為了滿足一定的輸出功率和輸出電壓需求，通常將燃料電池單體按照串聯(lián)的方式組合在一起構(gòu)成燃料電池堆。

　　燃料電池堆和相應(yīng)的輔助設(shè)備組合，便形成燃料電池系統(tǒng)。這樣的燃料電池系統(tǒng)用作車輛動(dòng)力源，就是燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)。

　　以氫氣為燃料的燃料電池化學(xué)反應(yīng)過程不會(huì)產(chǎn)生有害產(chǎn)物，只會(huì)排出水。因此，從環(huán)保和節(jié)能方面看，燃料電池汽車可以說是汽車發(fā)展非常理想的階段。同時(shí)，燃料電池汽車還具備輕量化、續(xù)航力長、充能時(shí)間短的優(yōu)勢，被認(rèn)為具有廣闊的市場前景，成為當(dāng)今全球汽車行業(yè)的研發(fā)熱點(diǎn)。

　　二、世界燃料電池汽車發(fā)展情況

　　燃料電池汽車的研發(fā)始于20世紀(jì)90年代的歐美，在21世紀(jì)初以福特、通用等為代表紛紛推出了大量的原型樣車，進(jìn)行了小規(guī)模的示范應(yīng)用，驗(yàn)證了燃料電池技術(shù)應(yīng)用于汽車領(lǐng)域的可行性。雖然當(dāng)時(shí)的電堆壽命不足2000小時(shí)，電堆功率密度僅能達(dá)到1kW/L，然而堅(jiān)定了汽車行業(yè)對(duì)燃料電池在本領(lǐng)域應(yīng)用的信心，同時(shí)掀起了燃料電池汽車的研發(fā)熱潮。

　　在經(jīng)歷了21世紀(jì)初的熱潮后，燃料電池汽車在2008年達(dá)到了一個(gè)瓶頸期，并逐漸回歸理性。具備代表性的研究成果是日本本田公司FCX Clarity燃料電池汽車，該車?yán)m(xù)駛里程已達(dá)到390公里，冷啟動(dòng)極限溫度﹣30℃，電堆體積功率密度1.9kW/L，重量功率密度1.5kW/kg，基本已經(jīng)達(dá)到了與內(nèi)燃機(jī)相當(dāng)?shù)乃?。然而由于耐久性和成本方面與商業(yè)化目標(biāo)的巨大差距，汽車行業(yè)修改了實(shí)現(xiàn)燃料電池商業(yè)化的目標(biāo)，在2008年，汽車行業(yè)內(nèi)形成的基本共識(shí)為：2010年以前為技術(shù)積累階段，重點(diǎn)發(fā)展相關(guān)技術(shù)、降低系統(tǒng)成本;2010至2015年為市場化準(zhǔn)備階段，重點(diǎn)以市場化為目標(biāo)進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化;2015年進(jìn)入市場化階段。

　　隨著各國支持政策的變化，燃料電池乘用車技術(shù)研發(fā)的熱點(diǎn)區(qū)域由歐美轉(zhuǎn)移到日韓，而歐美則更專注燃料電池客車和燃料電池叉車等領(lǐng)域。自2014年開始，燃料電池汽車的研發(fā)取得了突破性進(jìn)展，日韓以豐田的Mirai和現(xiàn)代的“途勝”SUV為代表，歐美則以PlugPower公司在叉車領(lǐng)域的應(yīng)用以及UTC公司在客車領(lǐng)域的應(yīng)用為代表。

　　豐田的燃料電池汽車經(jīng)過22年的研發(fā)與試運(yùn)行，其Mirai車型于2014年12月開始銷售。該車型采用的燃料電池電堆在體積、重量和成本方面均取得了顯著的進(jìn)步，氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)基本達(dá)到了和傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)相當(dāng)?shù)募夹g(shù)水平。該車型續(xù)駛里程可達(dá)502km，驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出功率113kW，百公里加速時(shí)間10s，最高時(shí)速175km/h，采用70Mpa高壓儲(chǔ)氫，儲(chǔ)氫效率可達(dá)5.7%;燃料電池電堆輸出功率114kW、電堆功率密度達(dá)到3.1kW/L，發(fā)售一個(gè)月就獲得1500輛的訂單，至2018年5月共銷售超過6000臺(tái)。據(jù)豐田公司估計(jì)，至2020年該公司每年的燃料電池汽車將達(dá)到3萬輛的規(guī)模。與此同時(shí)，豐田公司也在積極布局燃料電池客車、叉車等應(yīng)用領(lǐng)域的車型開發(fā)。為了促進(jìn)全球燃料電池汽車技術(shù)的同步發(fā)展，豐田公司對(duì)全球免費(fèi)釋放了5680項(xiàng)專利在2020年前的使用權(quán)，其中包括約70項(xiàng)永久免費(fèi)的加氫站專利。

　　本田公司的燃料電池汽車經(jīng)過了20年的研發(fā)，于2016年開始銷售其新一代的Clarity車型。該車的驅(qū)動(dòng)功率可達(dá)103kW，最高車速160km/h，續(xù)駛里程589km。電堆的輸出功率為100kW，體積功率密度為3.1kW/L，氫燃料加注時(shí)間約3分鐘。

　　現(xiàn)代汽車公司于2013年3月生產(chǎn)下線17輛“途勝”ix35燃料電池汽車，并于2015年制定了超過每年1000輛規(guī)模的量產(chǎn)計(jì)劃。美國通用汽車公司的燃料電池乘用車也進(jìn)行了長期持續(xù)的示范運(yùn)行，單車?yán)塾?jì)行駛里程已達(dá)到了15萬公里。

　　現(xiàn)階段，豐田和寶馬、福特和尼桑-雷諾與戴姆勒、通用和本田紛紛組成燃料電池產(chǎn)業(yè)化合作聯(lián)盟，共同攻關(guān)燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，其它知名汽車廠商也都公布了燃料電池汽車的量產(chǎn)計(jì)劃。

　　在公交客車領(lǐng)域，美國UTC公司PureMotion燃料電池系統(tǒng)經(jīng)歷了超過18000小時(shí)的試運(yùn)行，體現(xiàn)了良好的耐久性，充分驗(yàn)證了燃料電池技術(shù)在公交客車領(lǐng)域應(yīng)用的可行性。此外，在過去10年內(nèi)，歐洲燃料電池客車示范運(yùn)行里程超過800萬公里，目前有84輛燃料電池客車在8個(gè)歐洲國家的17個(gè)城市運(yùn)行，并計(jì)劃在2020年實(shí)現(xiàn)在12個(gè)國家35個(gè)城市示范運(yùn)行300～400輛。

　　在燃料電池叉車領(lǐng)域，以PlugPower公司和Nuvera公司為代表，目前已有7700輛燃料電池叉車進(jìn)入了市場化運(yùn)營階段，形成了較強(qiáng)的競爭力。

　　三、我國燃料電池汽車發(fā)展對(duì)策建議

　　雖然我國燃料電池汽車研發(fā)與世界各發(fā)達(dá)國家起步時(shí)間接近，但由于投入不足，導(dǎo)致科研成果在向產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移過程中，面臨著缺乏骨干企業(yè)牽引、工程化與產(chǎn)業(yè)化支撐能力缺乏、產(chǎn)業(yè)鏈不完善等難題，嚴(yán)重阻礙了我國燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的商業(yè)化進(jìn)程。

　　(一)政府引導(dǎo)、龍頭企業(yè)牽頭，迅速占領(lǐng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略制高點(diǎn)

　　政府引導(dǎo)、龍頭企業(yè)牽頭，整合國內(nèi)外優(yōu)勢資源，全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同攻關(guān)，是推動(dòng)燃料電池汽車共性技術(shù)突破和工程化落地的有效途徑。燃料電池電堆結(jié)構(gòu)簡單，零部件數(shù)量少，適合批量化生產(chǎn)制造，燃料電池系統(tǒng)的量產(chǎn)成本預(yù)期約為$30/kW，與內(nèi)燃機(jī)、混合動(dòng)力、純電動(dòng)等技術(shù)路線相比，在未來市場競爭中具備優(yōu)勢。目前國內(nèi)新能源汽車補(bǔ)貼政策對(duì)燃料電池汽車的補(bǔ)貼力度最高可達(dá)50萬元，有望覆蓋燃料電池系統(tǒng)的成本，短期內(nèi)對(duì)推動(dòng)燃料電池汽車的生產(chǎn)和銷售具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

　　國內(nèi)外一致認(rèn)為，2020年將是燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)競爭的分水嶺，2025—2030年則是燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的全面爆發(fā)期。目前燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的競爭焦點(diǎn)主要是產(chǎn)業(yè)化速度，盡快解決可靠性和耐久性等技術(shù)瓶頸，率先實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，充分利用國內(nèi)燃料電池汽車財(cái)政補(bǔ)貼政策，已經(jīng)成為搶占市場先機(jī)的關(guān)鍵。

　　(二)大力發(fā)展燃料電池商用車，帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展

　　我國商用車總量占汽車保有量的13%，但是其客運(yùn)量占所有客運(yùn)總量的81%，貨運(yùn)量占貨運(yùn)總量的77%;同時(shí)由于單車能耗高、污染大，消耗燃油約占機(jī)動(dòng)車總量的60%，排放顆粒物約占90%，氮氧化合物約占70%，成為推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)、改善發(fā)展質(zhì)量亟待解決的問題。

　　燃料電池商用車具備零排放、效率高、能源可再生等優(yōu)勢，是解決商用車污染問題的重要途徑之一，而且公交客車等使用工況環(huán)境相對(duì)集中，加氫基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)問題解決較為容易，所以燃料電池商用車市場前景廣闊，其規(guī)模化推廣可以帶動(dòng)燃料電池技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)鏈快速發(fā)展。

　　綜上，燃料電池汽車已進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)化發(fā)展初期階段，國外各大整車企業(yè)紛紛建立產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，公布了燃料電池汽車量產(chǎn)計(jì)劃，未來數(shù)年是燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)由技術(shù)研發(fā)轉(zhuǎn)向產(chǎn)業(yè)化競爭的關(guān)鍵窗口期。我國汽車行業(yè)要盡快加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用推廣，解決燃料電池汽車投入不足、工程化與產(chǎn)業(yè)化支撐能力缺乏、產(chǎn)業(yè)鏈不完善等難題，推動(dòng)我國汽車產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，深入推進(jìn)交通運(yùn)輸工具供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革、優(yōu)化能源經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)。

　　本報(bào)告為科技創(chuàng)新戰(zhàn)略研究專項(xiàng)項(xiàng)目“高新技術(shù)領(lǐng)域年度重點(diǎn)創(chuàng)新進(jìn)展報(bào)告”(編號(hào)：ZLY201633)研究成果之一。

　　本文特約編輯：姜念云