關鍵技術獲突破，成本持續(xù)下降，氫能燃料電池汽車的春天要來了？

這兩年在新能源汽車的市場接受度越來越高，銷量也是節(jié)節(jié)攀升，今年前5個月，我國新能源乘用車的批量銷量達到了86萬輛，同比增長2.5倍，增速迅猛。乘聯(lián)會也兩次調(diào)高了我國新能源汽車今年的銷量預測，從年初的預計今年年銷量200萬輛，調(diào)高到了240萬輛。在這些新能源汽車當中，電動汽車的風頭最勁。

但其實除了電動汽車，氫能汽車也是新能源汽車的重要組成部分。目前，我國政府部門、中外車企和相關機構正在加強合作，積極推進加氫站建設，并通過示范運行自主研發(fā)的氫燃料電池汽車，不斷為氫燃料電池汽車的發(fā)展探索新的應用場景，在政策支持和成本下降的雙重利好下，2021年中國氫燃料電池汽車市場有望取得突破式增長。

氫能及燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

在不久前的第六屆國際氫能與燃料電池汽車大會上，中國工程院院士陳學東介紹了我國在高壓氫儲運技術領域的發(fā)展情況。據(jù)他介紹，目前日本、美國、歐盟等發(fā)達國家在氫燃料電池技術方面率先取得了突破，氫能產(chǎn)業(yè)鏈在逐步構建，引發(fā)了全球范圍內(nèi)的氫燃料電池研究熱潮。

近年來，我國氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)也在快速發(fā)展，且已形成一定產(chǎn)業(yè)集群，綜合實力較強的有長三角、珠三角、京津冀等，但距離規(guī)模化應用還有很大的差距。

據(jù)了解，2020年我國已經(jīng)啟動氫能源頂層規(guī)劃工作，2020年12月發(fā)布的《新時代的中國能源發(fā)展》白皮書提到，將加速發(fā)展綠氫制取、儲運和應用等氫能產(chǎn)業(yè)鏈技術裝備，促進氫燃料電池技術鏈、氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展?！缎履茉雌嚠a(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》提出，中國將力爭經(jīng)過15年的發(fā)展，實現(xiàn)燃料電池汽車商業(yè)化應用。

目前，中國多地均已出臺燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)政策，燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)未來數(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家具有國際影響力的氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈龍頭企業(yè)，力爭推廣氫燃料電池汽車3000輛，氫燃料電池汽車全產(chǎn)業(yè)鏈累計產(chǎn)值突破85億元；2025年前力爭實現(xiàn)氫燃料電池汽車累計推廣量突破1萬輛，氫燃料電池汽車全產(chǎn)業(yè)鏈累計產(chǎn)值突破240億元。

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

廣東省在廣州、深圳等地試點開展氫燃料電池乘用車示范運行，力爭2022年實現(xiàn)首批氫燃料電池乘用車示范運行。

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的規(guī)劃。有專家預計，2025年前我國氫燃料電池汽車和加氫站仍將以示范運行為主，2035年燃料電池汽車數(shù)量有望達到百萬輛級別的商業(yè)應用規(guī)模。

除了政府的規(guī)劃，車企也在積極布局。比如上汽集團已經(jīng)累計完成了9款氫燃料電池整車的量產(chǎn)開發(fā)，車型涵蓋乘用車、公交客車、物流車、專用車底盤和重卡，累計投放市場超500輛。上汽集團還表示，未來還會陸續(xù)推出多款商用車產(chǎn)品。

長城汽車計劃今年發(fā)布首款燃料電池SUV，并計劃在2022年北京冬奧會期間推出首個燃料電池車隊。

豐田在今年3月初發(fā)布消息稱，將于2021年春季開始對外銷售氫燃料電池系統(tǒng)。豐田把面向2020年上市的新款燃料電池車（FCV）“未來”（MIRAI）開發(fā)的氫相關零部件進行系統(tǒng)化，預計獲得廣泛應用。除了卡車和巴士之外，還將在鐵路、船舶、發(fā)電機領域擴大燃料電池的應用，以促進完善基礎設施和降低氫價格。

而且豐田還在去年宣布，將與中國五家大型汽車廠商共同設立氫燃料電池開發(fā)的合資企業(yè)。豐田希望通過攜手更多合作伙伴，推動燃料電池性能提升、促進基礎設施建設。

儲氫關鍵技術取得突破，但仍有短板

目前氫能儲運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)儲氫等。目前氫燃料電池汽車中采用的主流技術路線是常溫高壓儲氫，因為該方式具有氫氣制備壓縮功耗小、充裝速度快等優(yōu)點。

儲氫其實主要包括氣氫站、道路運氫和車載運氫三個場景，在這些場景中都需要用到儲氫罐，而儲氫罐是目前氫燃料電池汽車發(fā)展的關鍵技術之一。

目前中外儲氫罐技術差距主要集中在儲氫罐材質(zhì)上，包括內(nèi)襯、纖維纏繞層和過渡層材料。
我國車載儲氫罐主流是金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶(Ⅲ型瓶)，內(nèi)襯材料為金屬鋁，儲氫壓力為35MPa，質(zhì)量儲氫密度（氫氣占儲氫罐總質(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，因此這種儲氫罐儲氫壓力能達到70MPa，質(zhì)量儲氫密度在5.7%左右。

但需要指出的是，兩種儲氫罐都面臨很大的安全問題。

內(nèi)部來說，儲氫壓力本身很高，無論是35MPa還是70MPa，都是一個很危險的壓力數(shù)值。要知道，20MPa的水壓就可以用來切割石材了。其次，氫氣在高壓高溫（30MPa，300℃以上）環(huán)境下，還會發(fā)生“氫脆現(xiàn)象”，腐蝕金屬，引起裂紋導致儲氫罐破裂。

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

由于以上三個問題存在，兩種儲氫罐都采用了大量的碳纖維材料，同時，為避免“氫脆現(xiàn)象”發(fā)生，金屬內(nèi)膽儲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，一個儲氫罐的成本達到了6萬元以上。

陳學東指出，不管任何方式，氫氣儲運裝備一旦失效，就可能會發(fā)生泄露、燃燒、甚至爆炸，造成重大人員傷亡和財產(chǎn)損失。因此，氫能儲運裝備安全不容忽視，但同時也要兼顧經(jīng)濟性。

不過，在陳學東看來，我國經(jīng)過多年的努力，已經(jīng)基本掌握了氫氣儲運的關鍵技術，攻克了可靠性設計制造關鍵技術。

比如高壓臨氫環(huán)境金屬材料損傷機制問題，“人們研究金屬材料的損傷最早是從高溫高壓環(huán)境開始的，如加氫反應器長期在高溫高壓、臨氫條件下運行，存在高溫氫侵蝕、氫脆、回火脆等多種損傷。但通過采取有效措施，包括基于風險的檢測、合適的開停車工藝等，可以保障反應器30年服役安全?！标悓W冬表示。

受高溫高壓氫影響，人們一直擔心常溫高壓（>35~50MPa）氫環(huán)境下的金屬氫脆問題。但他特別指出，針對常溫高壓氫環(huán)境，經(jīng)過日本九州大學、美國桑迪亞國家實驗室，以及浙江大學所做的相關研究實驗表明200℃以下溫度、35MPa以下壓力的氫環(huán)境不易導致金屬材料氫脆。

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

美國PDC、Hydropac、德國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，可滿足給70MPa車載瓶加氫。

陳學東坦承，盡管我國已經(jīng)基本掌握了氫氣儲運的關鍵技術，但仍有一些技術難點需要供客，比如我國45MPa壓縮機可靠性不足、液氫泵的電機問題也沒有解決；另外，高頻切斷球閥等加氫站重要閥門主要依賴從美國日本進口。

在公路運氫方面，國內(nèi)還是以20MPa的Ⅰ型和Ⅱ型瓶為主，儲氫量小、儲氫密度低，難以滿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)模氫氣的長距離輸配問題，但這也有一個問題，那就是如果是用于汽車的話，需要比較純的氫，分離的成本會比較高。

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

陳學東總結說，未來，這些關鍵的技術問題，還需要研究機構和企業(yè)共同努力來克服。
成本在不斷降低
業(yè)內(nèi)人士認為，氫燃料電池在功率密度、冷啟動溫度、壽命、最高效率等指標方面已有大幅改善，燃料電池汽車的成本也正在逐步下降，但要與傳統(tǒng)燃油車進行競爭，還有很長一段路要走。

比如，燃料電池堆的成本占燃料電池動力系統(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20%，而且這一趨勢還將延續(xù)。

根據(jù)公開信息顯示，2020年10月，國鴻氫能率先將電堆價格降至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/千瓦的價格。

不過，電堆廠商的低價戰(zhàn)略也附加了訂貨大于500 臺甚至更多訂單的要求，這在目前的燃料電池汽車市場并不太容易實現(xiàn)。業(yè)內(nèi)人士預計，隨著燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的加速發(fā)展，今年電堆價格有望真正降至2000元/千瓦之下。

氫燃料電池所必須的質(zhì)子交換膜，被稱為燃料電池汽車發(fā)動機的“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縣的東岳集團投產(chǎn)，標志著我國氫能核心材料質(zhì)子交換膜的技術和生產(chǎn)規(guī)模均邁入全球領先行列，這也有望進一步降低燃料電池汽車的價格。

也就是說，未來隨著氫燃料電池汽車市場規(guī)模的擴大，成本將會大幅降低。

結語

根據(jù)中國氫能聯(lián)盟的預測，到2050年氫能將會成為我國能源體系的重要組成部分，占比將達到10%，在交通、工業(yè)等領域?qū)崿F(xiàn)普及應用。但目前來說，氫能還是以試點為主，未來能否真正形成規(guī)?；袌?，還需要市場的檢驗。

不管怎么樣，陳學東還是希望政府和企業(yè)因地制宜，不宜一哄而上。