中国燃料电池汽车发展问题研究 1 前言 当前，全球能源、环境问题日益严重，世界各国都在积极寻求应对方案，在汽车领域大力推进新能源汽车的目的也正是如此。新能源汽车有不同的类型，其中，燃料电池汽车（Fuel Cell Vehicle，FCV）不仅能够在燃料上实现对燃油的完全替代，而且具有“零排放”、能量转换效率高、燃料来源多样并可灵活取自于可再生能源等优势，因而被认为是实现未来汽车工业可持续发展的重要方向之一，也是解决全球能源和环境问题的理想方案之一[1-4]。 目前，燃料电池汽车技术尚不够成熟，但各国重视程度在不断提高，呈现出加大力度推进的态势[5-13]。日本、美国、欧盟和韩国等都投入了大量资金和人力开展燃料电池汽车的研究。丰田、本田、通用、福特、奔驰、现代等公司都已经开发出燃料电池车型并进行示范运行，进入初步应用阶段。 对于中国来说，随着汽车保有量不断攀升，来自汽车产业的能源与环境压力不断增大：一方面，石油对外依存度逐年上升，已从本世纪初的26%增加至2016年的65%以上[14]，对能源安全构成了严峻挑战，实施能源替代迫在眉睫；另一方面，能源结构中化石能源居于绝对主体地位，环保压力巨大，优化能源结构同样刻不容缓。氢能热值较高，储量丰富，来源多样，应用广泛，特别是具有极佳的环境友好度，代表着人类能源“脱碳入氢”、彻底避免碳排放的可能前景，是理想的长期替代能源候选对象之一。从氢能的应用角度看，燃料电池汽车是重点方向之一，如果氢能可以在规模庞大、影响广泛的汽车产业得到规模化的应用，必将产生深远影响。也就是说，发展燃料电池汽车对于改善中国能源结构、推动交通领域低碳转型以及提升重点产业国际竞争力和科技创新力具有特殊的战略意义[15-16]。正因如此，在《中国制造2025》等纲领性文件中，中国政府对燃料电池汽车及其相关技术提出了明确的发展规划，重视程度不断提升。 有鉴于此，本文对燃料电池汽车核心技术、关键问题、发展现状等进行了梳理，特别分析探讨了中国燃料电池汽车产业的特点，并提出了现阶段有针对性的发展建议。 2 燃料电池汽车技术的应用进展 2.1 燃料电池汽车技术简介 燃料电池（Fuel Cell，FC）是一种以电化学反应方式将燃料（氢气）与氧化剂（空气）的化学能转变为电能的能量转换装置[4]。19世纪30年代，人们提出了燃料电池的初步构想。此后，随着技术的发展，不同级别的燃料电池问世，并逐步由军用推广至民用领域，如图1所示。自20世纪后半段开始，各大汽车厂商纷纷开展了燃料电池汽车的研究，其中尤其以日本最为领先。目前全世界已有多种高性能燃料电池汽车产品，初步进入了商业化应用阶段。根据电解质的不同，燃料电池可分为碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell，AFC）、质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEM?FC）、磷 酸 燃 料 电 池（Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC）、固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）等多种类型，其使用的燃料和适应的应用场景各有不同，其中质子交换膜燃料电池具有高比功率、可快速启动、无腐蚀性、反应温度低、氧化剂需求低等优势，是当前燃料电池汽车的首选。 图1 燃料电池及燃料电池汽车技术发展 燃料电池汽车以车载氢气为能量源，经燃料电池将氢气的化学能量转化为电能，再以电机驱动车辆行驶，显然，这涉及燃料电池汽车本身以及氢能供应两方面的全新内容。燃料电池汽车包括车载储氢系统、燃料电池系统、电驱动系统、整车控制系统和辅助储能装置等新元素；氢能供应则包括氢气从生产、储存、运输到加注、使用的全过程。 从整个产业链条看，燃料电池汽车的推广和应用涉及面广，无论对车辆本身还是对氢的制备、储运、应用等，都有较高要求。氢的制备主要包括煤气化制氢、水电解制氢、天然气重整气制氢、甲醇裂解制氢等工艺；氢的存储主要包括高压气态储存、固态氢化物储存、低温液氢储存等方式；相应地，其运输方式主要包括车船运输和管道运输等；氢的应用层面，加氢站及其他基础设施的建设是未来发展的重点。而燃料电池汽车本身，则是机械、化学、材料、电控等诸多领域的交叉学科，如图2所示。各国正致力于逐步提高性能、降低成本，以加快推广应用[17-18]。 图2 燃料电池汽车产业链 2.2 各国燃料电池汽车技术及其产业化 基于燃料电池汽车的良好前景，各国对其的关注程度正在不断提升（见表1）。日本将氢能利用作为国家战略方向之一，对氢能及燃料电池相关产业的发展高度重视。政府、科研机构和企业对燃料电池及燃料电池汽车技术的开发和应用，持续进行了大量投入，丰田汽车公司研制的Mirai、本田汽车公司的Clarity，都是处于国际领先水平的燃料电池轿车产品。美国对燃料电池及燃料电池汽车技术的发展也较为重视，早在2005年，即已将氢能列入“主流能源”选择之一，并陆续发布了氢能与燃料电池计划。美国主要推动了燃料电池汽车在物料运输等特殊领域的应用，至2015年，已有34家企业8 000多辆燃料电池叉车投入运行，取得了较好的商业化推广，同时道路示范车辆也有一定应用[6]。欧盟在欧洲工业委员会和欧洲研究社团等组织的推动下，在燃料电池及燃料电池汽车方面开展了大量研究与示范应用，同时，对用于燃料电池和燃料电池汽车的资金投入、燃料电池车队推广项目以及加氢站建设等进行了系统的规划。 表1 全球燃料电池汽车产业发展总览项目日本北美战略规划日本再兴战略氢能源白皮书氢 能/燃 料 电池战略发展路线图可持续交通能源计划美国燃料电池公共汽车计划（NFCBP）加州燃料电池伙伴计划（CAFCP）典型企业丰田本田日产基础设施（加氢站）[6]欧洲欧盟氢能路线图清洁能源计划2020年氢能与燃料电池发展计划欧洲城市清洁氢能项目戴姆勒大众宝马代表产品2016年100座2025年建成800座丰田Mirai轿车本田Clarity轿车UTC Ballard通用福特2016年68座2018年建成100座雪佛兰Equi?nox轿车UTC客车2016年50座2017年建成100座奔驰B级FCELL轿车戴姆勒 Cita?ro FC客车 总体而言，燃料电池汽车正处在由技术研发向商业化推广过渡的阶段，各国对该技术的重视不断升温，投入持续增加。相比之下，日本政府对燃料电池及燃料电池汽车技术的推动力度更大，技术水平也更高，其先进的燃料电池乘用车车型已经初步实现了商业化，在燃料电池汽车领域走在了世界前列。 3 全球燃料电池汽车发展的共性问题 当前，燃料电池汽车尚未达到大规模推广应用的阶段，其根本问题在于关键技术还不够成熟。燃料电池汽车是涉及化学、材料、机械、电子等多个领域复杂技术的交叉载体，且所需技术水平较高，并给技术成本带来了很大的挑战。例如，组成燃料电池单体的交换膜、催化层、渗透层、双极板对材料、工艺提出了极高要求；又如，燃料电池电堆的成组、系统的集成与控制等，都必须适应汽车运行中频繁变动的工况。正是由于关键技术尚未取得根本性突破，燃料电池汽车的推广还面临着几个重大瓶颈，这些共性问题制约着全球燃料电池汽车产业的快速发展。 3.1 成本 燃料电池的成本依然偏高，这是推广燃料电池汽车必须解决的首要问题。代表性的燃料电池汽车产品，如丰田Mirai售价6.9万美元（约合45万元人民币），本田Clarity售价6万美元（约合39万元人民币），远高于其他动力形式的同级别车辆。 造成燃料电池汽车高成本的主要原因在于燃料电池系统各部件成本较高，尤其是大量应用贵金属Pt的催化层。为了保证电池性能，燃料电池各部件都有其特别要求（见表2），目前虽有各种应对方法，但始终无法避免较高的成本增量。因此，高性能、高可靠性、低成本的燃料电池组件，已成为燃料电池技术发展的重要方向。 表2 燃料电池各部件要求及应对技术部件应对技术成本交换膜要求导电性好化学稳定性高热稳定性高强度/柔韧性好反应气体透气率低湿度保持多孔材料、碳纳米管与全氟磺酸树脂复合的增强膜等较高催化层Pt用量低导电性好电化学稳定性高催化性能非常高扩散层强度/柔韧性好合适的孔结构导电性/导热性好亲水疏水性合适一般双极板导电性/导热性好强度/柔韧性好气密性好电化学稳定性高Pt合金催化剂改进催化剂载体非Pt催化剂优化制备方法，利用形貌控制提高催化剂活性支撑层 微孔层设计支撑层：多孔碳布/碳纸微孔层：导电炭黑 憎水剂石墨碳板复合双极板金属双极板（车用燃料电池适用）较高 美国能源部（Department of Energy，DOE）对燃料电池汽车的成本问题进行了系统分析，对整车、电堆、电池层层分解，得出了各部分成本的具体比例[19]，如图3所示。根据DOE的研究，目前燃料电池系统成本已从2006年的每千瓦120美元（约合790元人民币）降低到了每千瓦55美元（约合360元人民币，假定达到50万台规模），未来通过技术进步和更大批量生产，还有望进一步降低成本，实现每千瓦30美元（约合200元人民币）的长期目标。中国燃料电池系统的实际成本目前约为每千瓦5 000元人民币，差距明显，不过中国也制定了2030年达到每千瓦200元人