燃料电池汽车与氢能关键技术趋势综述——第3届国际氢能与燃料电池汽车大会FCVC总结

赵子亮 赵洪辉 盛夏 王宇鹏 丁天威 马秋玉

（中国第一汽车集团有限公司 新能源开发院，长春 130011）

主题词：燃料电池汽车 氢能 膜电极

1 前言

在全球汽车行业向低碳化、信息化、智能化方向发展的今天，根据对国际汽车技术发展动向的分析，节能汽车、纯电动和插电式混合动力汽车、氢燃料电池汽车、智能网联汽车、汽车动力电池、汽车轻量化以及汽车制造技术仍代表着国际汽车技术的重点和关键领域。氢能成为各国能源战略的重要组成部分，氢能燃料电池全产业链规模化发展成为各国共同的选择。氢燃料电池汽车产业化进程加快，燃料电池动力系统呈现高度集成化发展趋势，全球氢能基础设施建设加速，而战略联盟与合作成为撬动氢燃料电池汽车初期产业化的主旋律。

2018年10月23-25日，第3届国际氢能与燃料电池汽车大会在江苏如皋举办。国际氢能与燃料电池汽车大会是国际一流的年度行业盛会，由国际氢能燃料电池协会(筹)和中国汽车工程学会共同主办，聚集全世界氢能与燃料电池技术的开发者、燃料电池汽车制造商、氢能燃料电池领域投资者和政府政策的制定者，携手促进氢能及燃料电池汽车的商业化发展。该大会邀请了全球氢能燃料电池产业链的知名企业、行业领军人物、知名专家学者聚焦氢燃料电池创新的前沿，加强了整个氢燃料电池产业链的全球交流合作，以其国际化、权威性、专业性和前瞻性在行业内获得了认可与好评。笔者结合本次氢能与燃料电池汽车大会与目前行业发展现状，对燃料电池汽车与氢能关键技术趋势进行梳理。

2 燃料电池汽车技术趋势

传统汽车与混动汽车已经不能满足人类对未来二氧化碳排放逐年降低的要求，这已经成为行业的普遍共识。奥迪公司[1]认为发展零排放的纯电动与燃料电池汽车势在必行，故此开发e-tron与h-tron两大战略平台，燃料电池技术可应用于中大型乘用车、SUV与商用车。奥迪公司认为2022年将会是燃料电池汽车商业化的元年，到2030年，燃料电池汽车将会有10%的市场占有率。目前奥迪通过与BALLARD公司的合作，基于Q5车型，开发出0-100 km/h加速时间小于7 s、最高时速200 km/h、最长续驶里程600 km的电动四驱版燃料电池汽车，本款汽车搭载100 kW级燃料电池发动机、3个70 MPa氢瓶，加注时间仅3 s。未来，奥迪将重点攻关提升燃料电池功率密度、优化燃料电池效率、精简发动机设计、降低材料成本、优化储氢系统等技术，并计划将燃料电池产品应用在大众、奥迪、保时捷和MAN等品牌的汽车上。

作为全球燃料电池汽车的领军企业之一，韩国现代[2]从1998年开始燃料电池汽车的开发工作，历经3代IX35燃料电池汽车产品的升级换代后，在2018年3月向市场投放了其最新系列产品NEXO。本款燃料电池汽车相较于原来产品在燃料电池发动机效率、低温冷启动和续航里程等重要指标上都有明显的技术突破，并承诺整车全生命周期（16万公里/10年）的质量。现代公司将利用在NEXO上的成熟开发经验，打造一款极具市场竞争力的燃料电池大巴，切实满足顾客对可靠与耐久的使用要求。未来计划与奥迪公司携手共同引领燃料电池核心技术，开拓未来汽车市场。

丰田公司作为燃料电池汽车行业的先行者和领军企业[3]，从1992年开展燃料电池汽车的开发任务，经过三代技术的升级优化与技术迭代，在2014年12月向市场投放了全球第一款燃料电池汽车MIRAI，截至目前，全球已经出售了7 000余量MIRAI汽车，引领全世界汽车企业迈入了氢能时代。预计在2030年，将有超80万台燃料电池汽车上路运行，900余座加氢站将为之服务，丰田也致力于同全球的政府、整车厂、供应商、消费者共同努力，构建更加完善的氢能社会。

国外整车企业长期投入燃料电池战略技术，采用大功率电堆技术路线，目前已经实现全面化的市场运营，加氢站等设施也在逐渐完善。与之相比，我国的车用燃料电池行业的发展尚处于商业化起步阶段，车型主要集中在商用车领域，产业链与加氢站等基础设施相对薄弱。上汽集团[4]是我国在燃料电池领域投入规模最大、经验积累最久和研发团队最完善的整车企业，其累计研发投入费用超15亿元，核心技术研发设备超200台，专业技术研发人员超100人。从2001年第一台燃料电池汽车研发开始，目前已有荣威750、荣威950和大通FCV80等燃料电池汽车正在商用化运行。上汽目前正在开发300型大功率燃料电池电堆，并在燃料电池系统集成、动力系统匹配、电控系统集成和热管理等核心技术上进行掌控。未来，上汽将不断完善燃料电池生态圈，形成完善的维保体系；形成四个整车应用平台，涵盖家用、物流、环卫、客运等领域；并自主开发90 kW级燃料电池发动机，建立燃料电池电堆、系统、储氢系统生产线，实现3 000台的产能规模。

作为国内整车厂领军团队的代表之一，一汽集团[5]在未来将推出50 kW与100 kW及两个燃料电池发动机系统平台，实现从A00到C级全系车型覆盖。在一汽集团红旗H5燃料电池汽车开发过程中，分别完成了系统控制、系统集成、整车热管理、关键零部件测试、系统试验等方面经受了多种层级和类别的挑战，所开发的燃料电池发动机是国内第一款采用金属双极板单堆，系统功率达到50 kW的大功率燃料电池发动机，体积比功率达到400 W/L。基于该款发动机打造的一汽集团首款红旗品牌燃料电池汽车H5-FCEV也将与2019年实现示范运营。该车型搭载50 kW燃料电池发动机、140 kW电驱系统和70 MPa储氢系统，整车设计续航里程达到500 km。

长城汽车[6]作为全中国最大的SUV品牌、氢能坚定的拥护者，计划在2020年展示首辆基于专属平台的燃料电池车型，在2022年北京冬奥会上推出首支燃料电池车队，在2025年打造最具成本竞争力的燃料电池动力系统和加氢技术。预计2020年前后，长城将在燃料电池核心技术上有所突破：燃料电池电堆体积比功率5.0 kW/L、寿命5000 h衰减5%、铂载量0.3 g/kW；燃料电池系统最大功率150 kW、最高温度95℃、最高效率60%，并将采用高速离心式空压机、被动循环回氢方案；储氢系统将开发35 MPa、50 MPa、70 MPa产品，重量储氢密度将达到5.8 wt-%。长城汽车致力于深度参与氢能产业发展，将在未来扩展氢能运输领域及氢能运用领域的多种商业机遇。

3 燃料电池系统与关键零部件

燃料电池系统是一个由氢气路，空气路，冷却路等多零部件、多总成所组成的高度集成化的动力发电系统，而燃料电池系统控制核心都是为了满足电堆的操作条件所进行的对各零部件的协调控制。燃料电池电堆作为燃料电池系统控制的最终服务对象，具有对温度、压力和湿度等条件变化电堆性能改变的特点。

奥地利AVL公司将燃料电池技术作为未来一项重要的发展路线[7]，基于对燃料电池电堆的测试经验，AVL公司对于电堆故障进行分解为性能衰减与泄露形成两大类，其中催化剂Pt的分解与脱落、碳腐蚀、金属板腐蚀及污染物的进入均会造成电堆性能衰减；而膜的化学性能衰减及机械性能降低均会导致电堆泄露现象的出现。AVL公司通过其开发的THDA模块实现对电堆内部缺气、水淹等多种不正常运行状态的实时监控，从而取代CVM系统对每个单体都要进行监测的复杂系统，最终实现对于电堆寿命的闭环控制。

声运技术有限公司[8]提出当前电堆主要现状体现在核心技术差距明显、供应链薄弱两个方面，对于电堆衰减及系统故障诊断在燃料电池系统工程化过程中显得尤为重要，声运有限公司通过对电堆的测试及故障诊断需求开发，实现了对于电堆衰减机理及敏感性影响因素的工程探索，通过电堆单体电压监控设备、电流密度分布检测设备、电化学阻抗仪等电堆测试设备的工程应用，为电堆状态数据的可视化监控提供了技术手段。

燃料电池关键零部件除电堆外，主要包括空压机、加湿器、水泵、DC/DC和供氢回氢总成等。空压机无论从开发难度和成本上，都是燃料电池关键零部件中最重要的部件。

目前从空压机技术路线的发展趋势来看，高压比、高转速、长寿命和低成本是目前各主机厂和空压机研发机构共同追求的目标，而且大多数采用空气轴承和离心式空压机，甚至更深一层的产品采用双级增压离心式空压机，将压比提高至3.5以上，转速可达100 000 r/min以上。值得一提的是GARRETT公司[9]的两级增压式空压机，最大压比为4 h转速可达120 000 r/min，其在增压技术方面处于引领地位，2016年GARRETT第一款燃料电池用空压机就在本田Clarity车型上进行批量生产，凭着出色的高压比、低功耗、低噪音等性能被业界认可。GARRETT电动压缩器采用无油空气箔片轴承，提高动力输出、减少燃料电池系统尺寸、重量和成本。

Hanon公司[10]在2006年为韩国现代公司燃料电池车开发了35 000 r/min的空压机，一直到2015年其开发的60 000 r/min空压机均采用滚珠轴承，但此类轴承润滑限制了空压机的峰值转速，转速可从原来的80 m/s提高到225 m/s，且噪声和寿命都显著改善，所以经过1D/2D/3D的设计与分析，Hanon于2018年成功开发并量产100 000 r/min的空气轴承式空压机，并应用在现代燃料电池车NEXO的发动机上。

空压机转速越高，压比越大，燃料电池电堆输出电功率越高，但与此同时，空压机本身电损耗尤其在高转速情况下会增加的更多，对燃料电池系统而言，其净输出功率可能反而下降。清华大学[11]认为，空压机泵头叶轮出口与入口直径比大，叶轮流道长且狭窄，与最优比转速设计相比，效率可下降5个百分点，导致燃料电池系统效率下降2个百分点，其与势加透博公司一起研发的两款空压机设计转速为90 000 r/min，比常规基于最优比转速设计的空压机转速低30%。

4 燃料电池电堆与膜电极技术趋势

燃料电池电堆是燃料电池发动机的核心，也是各主机厂与燃料电池电堆供应商进行技术角逐的舞台。早在2014年丰田发布的“MIRAI”燃料电池汽车中，就搭载了丰田最新研发峰值功率达到114 kW的金属双极板燃料电池电堆。该燃料电池电堆具有电堆自加湿、3D钛金属网阴极流道等显著技术特征[12]。得益于丰田在燃料电池电堆结构与性能方面的优化，使得在燃料电池系统层面取消了加湿器装置，简化了系统结构。在2015年本田公司发布的Clarity Fuel Cell燃料电池汽车中，也是得益于燃料电池电堆在冷却流道与双极板结构的优化，使得燃料电池电堆体积较上一代车型缩小了33%。同时燃料电池电堆可以与DC/DC、空压机和驱动电机一起放置在发动机前机舱。整个燃料电池系统与驱动电机组合在一起，体积与传统V6内燃机体积类似，也就是行业内所称的Fu⁃el Cell Engine“燃料电池发动机”的概念。

从燃料电池电堆整体技术路线的发展趋势来看，高比功率、长寿命、低成本是目前各主机厂和燃料电池电堆研发机构共同追求的目标。加拿大Ballard公司在新能源市场领域认为在重载车和长续航里程方面，燃料电池汽车要比纯电动汽车具有明显的优势[13]。对于重载卡车、客车等商用车，Ballard公司提出了燃料电池全生命周期成本的概念。同时基于这种概念，该公司也在商用车领域进行重点布局。在2018年德国汉诺威展上发布了其下一代高性能液冷式燃料电池电堆FCgen®-LCS[14]。与之前的液冷式电堆相比，FCgen®-LCS系列电堆产品虽然一样使用的是碳材质的双极板，但是通过MEA性能提升与催化剂载量降低等手段，在成本方面预计总体减少40%；电堆寿命方面，通过改进MEA和工艺以及采用可重复使用的碳双极板和成型压模硬件，实现计划使用寿命超过30 000 h，长于许多车辆的使用寿命。该型号的燃料电池电堆在低温冷启动性能方面，也通过优化实现了-25℃的冷启动能力。

随着中国燃料电池商用车市场的逐步升温，国际上越来越多的燃料电池系统/电堆供应商纷至沓来，寻找在国内的合作机会与市场。在近期召开的第3届氢能燃料与燃料电池汽车大会上，来自美国的Nuvera公司[15]和荷兰的Nedstack公司[16]也都展示了相应的商用车解决方案。

MEA作为燃料电池电堆的关键零部件，无论从电堆结构性能设计方面还是从寿命与成本方面，都起到了决定性的作用。如果说燃料电池电堆是燃料电池发动机的核心，那么MEA就是核心中的核心。近年来，从车用质子交换膜燃料电池这一发展方向看，MEA的技术路线一直都是朝着高功率密度、高机械与热耐受强度、低成本和长寿命的方向进行发展。Gore公司作为全球质子交换膜和膜电极的巨头，其产品广泛应用于丰田MIRAI、本田Clarity、现代NEXO、上汽荣威FC 950等燃料电池车型中[17]，同时Gore公司也是Ballard公司质子交换膜的主要供应商。目前Gore公司开发的ePTFE系列质子交换膜通过技术革新实现在110℃高温与20%RH低湿度下耐久性提升25%以上的效果。未来该产品可以帮助主机厂在提升燃料电池电堆寿命的同时，降低整车散热系统负荷。通过打破常规的创新思路，Gore公司找到了功率密度和机械耐久性间的平衡，在下一代产品中将提供厚度减少到7.5 μm的质子交换膜产品。同时Gore公司具有定制ePTFE的结构来满足燃料电池膜需求的专有技术，满足汽车主机厂的批量供应与成本控制的需求。3M公司也是全球知名的质子交换膜和膜电极供应商之一，其产品广泛的应用于燃料电池叉车、备用电源、固定发电和燃料电池汽车领域。3M公司开发的纳米纤维强化质子交换膜可以显著改善膜电极在高温下的性能表现，提升高温性能和耐久性[18]。同时3M公司也在致力于向主机厂提供高功率密度、低成本和长寿命的质子交换膜和膜电极产品。英国Johnson Matthey公司是一家全球性的催化剂和贵金属专用化学品公司，掌握燃料电池铂金催化剂的核心生产工艺技术。该公司提供从质子交换膜燃料电池催化剂、质子交换膜、膜电极等不同层级的产品来满足不同客户的需求[19]。在未来的膜电极产品，该公司将会通过采用高性能合金催化剂和催化剂纳米结构控制等手段来提升膜电极产品性能同时降低生产制造成本。

5 燃料电池法规发展趋势

全球气候变暖与能源危机成为全世界需要共同面临的问题，习近平总书记指出中国应引导应对气候变化国际合作，成为全球生态文明建设的重要参与者、贡献者、引领者。这就预示着大力发展新能源汽车尤其是零排放的氢燃料电池汽车，将成为中国乃至全球发展的必然趋势。全球陆续发布了限售与限行传统能源车的时间节点与措施。燃油车逐渐被新能源车取代已经成为不容置疑的事实。自从丰田发布第一款氢燃料电池车MIRAI以来，使得氢燃料电池车再次得到广大OEM的重视，分别又有本田Clarity以及现代NEXO等氢燃料电池车型，掀起了新一轮的发展，各国也纷纷出台相关政策鼓励燃料电池的发展，随着燃料电池产品化的逐步实现，相关的检测和认证必不可少，其中标准作为检测和认证的依据，对于引领和规范产业的发展具有重要意义。

其中同济大学[20]基于与德国IPEK（KIT）合作项目，对中国和德国燃料电池相关标准进行简要对比分析，对比分析结果见下表

表1 中德燃料电池相关标准对比分析

从表1中对比分析可以看出，燃料电池国内标准与国外还有一些差距，国外标准更加系统化，规则化，而中国近年来燃料电池相关标准在数量上有一定优势，但在部分层面评价标准仍然欠缺，比如对燃料电池汽车整车表现的评价。中国标准面对用户方案和汽车特点，需要更加系统化以优化过程和方法。

燃料电池涉及的产业链比较长，相关的标准化技术委员会也比较多，但是鉴于燃料电池此前一直处于研发阶段，真正制定燃料电池相关标准的技术委员会并不多，主要是几个与燃料电池直接相关的标准化技术委员会，主要包括：全国燃料电池及液流电池标准化技术委员会（SAC/TC 342）、全国氢能标准化技术委员会（SAC/TC 309）、全国汽车标准化技术委员会电动车辆分技术委员会（SAC/TC 114/SC 27）、全国气瓶标准化技术委员会车用高压燃料气瓶分技术委员会（SAC/TC 31/SC 8）。在全国标准化技术委员会的统一领导下，各个标委会协同合作，共同推进产业发展。

在燃料电池领域相关国内标准也在各标委会的努力下逐步得到完善。在2017年，新发布燃料电池相关标准共计3项，包括GB/T 35178—2017《燃料电池电动汽车氢气消耗量测量方法》、GB/T 35544—2017《车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶》、GB/T33978—2017《道路车辆用质子交换膜燃料电池模块》；2018年新发布燃料电池相关标准1项，GB/T 36288—2018《燃料电池电动汽车燃料电池电堆安全要求》。另外，已有的一些标准如GB/T 24549—2009《燃料电池电动汽车安全要求》正在修订完善，新增氢气传感器位置与氢泄露测量方法等，使得原来的标准更加完善可靠。

中国汽车技术研究中心[21]在其自身建立的FCV整车性能测评体系中将燃料电池整车评价分为了安全性、续驶能耗、环境适应性、电磁兼容性、动力性、NVH和道路验证7个大方面，同时将燃料电池汽车测试评价体系分为系统、电堆和辅助系统三个大方向。

清华四川能源互联网研究院[22]对中国南方现有丰富的弃水资源进行了分析，结合国内产业现状，可利用弃水制氢。并提出弃水制氢策略并建立制氢大数据平台实现储氢、运氢、加氢的联合调控，完善氢燃料电池全产业链。

6 氢能产业链技术趋势

燃料电池汽车的主要燃料是氢气，所以氢能的基础设施建设与燃料汽车行业的发展息息相关。目前交通运输行业的规模与体量与日俱增，包括轮船、飞机、汽车、叉车等等。随着近年来国际氢能基础设施建设的推进，涌现出很多研发成果与技术创新。世界各国已经纷纷启动对氢能的研究和尝试。并且，在前些年远景规划的基础上，一些有规模的试点业已启动，氢能产业链开始逐步显现。

在美国，有关部门2001年就曾勾画出氢能发展的蓝图：在未来的氢经济中，美国将拥有安全、清洁以及繁荣的氢能产业，美国消费者将像现在获取汽油、天然气或电力那样方便地获取氢能。2003年，美国宣布启动总额超过12亿美元的氢燃料计划。目前，美国已经从政策的评估、制定转向以技术研发、示范为起点的系统化实施阶段。2017年，在美国加利福尼亚州，壳牌石油与丰田合作，在当地建立了7座加氢站，使全州的加氢站数量增加到了25座。一个拥有5座加氢站的供应商甚至宣布，他们提供的氢气每公斤少于10美元（约70元人民币），这一定价被看作氢能定价的关键里程碑。

在欧洲，欧盟25国促成的欧洲研究区专家认为，到2020年，成员国中会有5%的新型汽车和2%的船舶使用氢能产品；到2030年后，其市场占有率不断提高，预计届时氢能制造主要来自于可再生能源和先进的核能。其中，德国在氢能和燃料电池技术上处于领先地位。德国制定并执行了严格的氢能法规和标准，涉及氢能的生产、运输、加注、车辆的使用和购买等。2017年，宝马、奔驰等车企已开始商业化发展氢燃料电池汽车。

日本因自身能源缺乏，非常重视新能源开发，也是最早系统制定氢能发展规划的国家。日本1993年启动世界能源网项目，其目标是构建一个环球能源网络以实现氢能的高效供应、输送和利用。日本新能源与工业技术发展机构氢能主任大平英二在中国氢能源及燃料电池产业高峰论坛上表示，氢能已经成为日本的基本战略，成为全球首个国家战略。2050年，日本希望将氢气作为可再生能源后的另一种新能源，并且制定了使氢气价格从2030年的3美元（约21元人民币）/kg降至2050年2美元（14元人民币）/kg的目标。

回首国内，2016年3月我国发改委制定的《能源技术革命创新行动计划（2016-2030年）》提出，把可再生能源制氢、氢能与燃料电池技术创新作为重点任务；把氢的制取、储运及加氢站等方面的研发与攻关、燃料电池分布式发电等作为氢能与燃料电池技术创新的战略方向；把大规模制氢技术、分布式制氢技术、氢气储运技术、氢能燃料电池技术等列为创新行动。2017年，科技部和交通运输部联合印发的《“十三五”交通领域科技创新专项规划》明确提出，推进氢气储运技术发展，以及加氢站建设和燃料电池汽车规模示范，形成较完整的加氢设施配套技术与标准体系。在这个背景下，我国氢能产业的商业化步伐正不断加快，一些地方和能源企业纷纷布局氢能项目。

在氢能产业领域，氢能是未来重要的能源重要发展方向已成为国内外共识。应该利用可再生资源发电，电子交换膜技术电解水制氢，可以大幅度降低氢气成本并做到绿色环保。对标柴油汽车的运行成本，氢气必须降低至40元人民币/kg才能有价格竞争力。利用可再生能源和液氢运输等技术去支持整个供应链成本的降低和优化可以大幅度降低运输成本，每公斤氢气的成本可以降低至5元人民币左右的水平[23]。据统计，2017年我国氢气产量约为2 100万吨，其中用于生产合成氨、甲醇的原料氢占比约65%，用于石油炼制加氢等的占比约33%，工业氢气占比约2%，用作氢能载体仍仅为示范性工程。

全国政协副主席万钢表示，与发达国家相比，我国在燃料电池基础研究和技术发展、氢能装备制造等方面仍相对滞后，特别是一些关键技术与国外仍存在差距，产业链较为薄弱。在基础设施方面，制氢、供氢和加氢的系统先进性有待提升，制氢成本有待降低，氢设施标准落后等也制约着产业发展。

7 结束语

目前，汽车产业正在面临一场新的能源革命，氢能是未来交通领域重要的能源之一。通过本次国际氢能与燃料电池汽车大会，全世界氢能与燃料电池技术的开发者、燃料电池汽车制造商、氢能燃料电池领域投资者和政府政策的制定者齐聚一堂，携手促进氢能及燃料电池汽车的商业化发展。大会通过促进氢能与燃料电池技术领域的国际交流、展示与合作，实现产业共赢，为人类社会的可持续发展做出贡献。期待未来氢能与燃料电池汽车领域有更多的声音。