我国燃料电池汽车产业加速发展的对策研究

张朝许

摘要：燃料电池具有高效、清洁、低碳、绿色的特点，是汽车未来的发展方向，文章分析了我国燃料电池汽车产业的现状与丰田燃料电池汽车技术的特点，提出了多方合作提升技术、国家政策提供支持、市场推广降低制造成本等对策，对我国燃料电池汽车产业今后的发展具有指导意义。

关键词：燃料电池;汽车;车载用氢;安全技术

1  燃料电池汽车是汽车未来的发展方向

目前，全球汽车产业正在经历一场深刻的变革，一方面，以新一代信息技术、新材料、大数据、人工智能等为代表的技术变革改变了传统汽车设计、验证、制造，成为正向引领汽车技术进步的内生动力;另一方面，汽车的爆炸式增长带来的能源、环境、拥堵、安全等社会问题日益严峻，促使汽车发展必须向绿色、低碳、便捷、高效转型发展，在能源和环境革命的大背景下，清洁可再生能源占能源体系的比例不断提升。在车用安全、大容量、高寿命的电池技术以及高效、清洁燃料电池等技术带动下，新能源汽车正在大规模增长。未来，高效、清洁、低碳、绿色的能源供应将是重点发展方向，新能源化将是汽车技术进步和产业发展的主要趋向。

在电动化、智能化、共享化和网联化，环保要求愈发严格的趋势下，电动化是汽车未来发展的方向之一。近两年随着技术进步以及禁售燃油车等相关政策的推动，纯电动更是成为各大车企研发的重点。由于对环境影响相对传统汽车较小，其前景被广泛看好。但从环保方面考虑，燃料电池汽车车才是汽车未来的发展方向。近年来，国家积极推广燃料电池车。数据显示，2019年我国燃料电池汽车产销分别完成2833辆和2737辆，同比分别增长85.5%和79.2%，截至2019年底我国燃料电池车累计数量为6000辆。2020年政策利好，燃料电池汽车犹如站上风口，从我国的发展情况来看，仍有很大的增长空间。2019年7月25日，襄阳市人民政府、国家电投集团科学技术研究院有限公司、东风汽车股份有限公司、武汉理工大学共同签署战略合作协议，各方联合开展氢燃料电池汽车的车型开发与推广，大力推动氢能及燃料电池技术在公交、物流等场景的广泛应用，共同培育氢能装备制造产业。2020年6月5日，丰田汽车公司、中国第一汽车股份有限公司、东风汽车集团有限公司、广州汽车集团股份有限公司、北京汽车集团有限公司、北京亿华通科技股份有限公司等六家簽署合营合同，成立商用车燃料电池系统研发公司，公司全名为“联合燃料电池系统研发（北京）有限公司”。

2  我国燃料电池在汽车领域应用存在的问题

燃料电池动力系统是卡车和公路客车等商用汽车的最佳选择，也是乘用汽车的发展方向，但目前燃料电池在汽车领域的全面推广也面临着许多问题。我国目前在运行的燃料电池商用车有2000辆左右，是燃料电池商用车领域的领先国家。我国近几年燃料电池发展非常迅速，CCM、膜电极、电堆、全产业链已经打通，全球资源向中国汇集。面向2035的发展目标，我国在燃料电气技术、规模化应用、氢燃料供应等方面均可满足需求。目前燃料电池整体发展也面临很多问题：一是氢储运的问题。以现在储氢 20MPa压力情况下，无法支撑氢能大规模发展。需要转型为30Mpa，并逐步提升至50MPa，以减少运输成本;同时，还要进行大规模的管道改造。液态储氢具有优势，但是有关键零部件依赖进口、建设周期长、总体储运能力不足等缺点。二是车载储氢瓶的问题。一个35MPa的车载储氢瓶可以支撑一辆城市公交车运行250km。如果想要装载更多的氢气则需要进行液态储氢，但相关技术还要探索是不是具有大规模应用的可行性。三是加氢站的问题。目前全球共有360座加氢站，其中绝大多数都是小型站。中国拥有加氢站16座，每天的总供应能力为8t，按照2030年每天 供氢200-400万t的目标，需要每年增加产量500-10000t，有很大的难度。

3  丰田燃料电池汽车解析

丰田汽车是全球最大的整车企业之一，创立已有80多年历史，在全球五十多个国家有组装工厂，是第一家汽车年销量超过千万的整车企业。丰田汽车于2015年10月14日公布了“丰田环境挑战2050”目标，提出在2050年前实现仅靠发动机行驶的汽车的“零”销售。丰田汽车近年来在新能源汽车，尤其是燃料电池汽车上投入了大量研发资金。由于传统电池技术的限制，丰田高层认为燃料电池车是终极环保车，丰田汽车近年来将其未来研发重心从技术成熟的混合动力汽车逐渐转向燃料电池汽车。丰田汽车于1992年便开始研发燃料电池汽车，在1996年10月发布了首款燃料电池汽车。在随后的十多年里，丰田汽车陆续推出了FCHV-3、FCHV-4、FCHV-5、Toyota FCHV、Toyota）等车型，但受制于昂贵的单价和基础设施不足，该阶段的燃料电池汽车没有量产和商品化。为了使更多的氢燃料电池汽车上路，丰田无偿地对外公开了约5680项燃料电池相关专利，希望以此鼓励其他汽车厂商推出燃料电池汽车，降低加氢站等基础设施的建造和使用成本。以Mirai车型为例，2015年销量为700辆;2016年的销量增至2000辆，占全球燃料电池乘用车总销量的88%。Mirai使用的燃料电池系统由丰田汽车自主研发，主要包括六个子系统，分别是燃料电池堆、储能电池、高压储氢罐、驱动电机、PC升压变频器和动力控制装置。丰田汽车的所有与燃料电池相关的专利强度超过90的专利有88件，涉及氢燃料电池控制系统、燃料电池堆、冷却装置、燃料电池制造等。

4  我国燃料电池汽车发展对策

4.1 提升燃料电池汽车的用氢安全技术

我国应该从政策上鼓励多方联合开展氢燃料电池技术开发，利用与国外汽车公司（如丰田）的技术合作机会，不断提升燃料电池汽车的用氢安全技术。

用氢安全技术是燃料电池汽车发展的必要条件，燃料电池汽车的用氢安全技术有四个方面：

一是优化车载储氢安全。对氢气的存储要求是密度高、轻便、安全而且经济。目前氢气的储存是限制燃料电池汽车推广的最主要因素。当前常用的储氢技术有高压压缩储氢、金属氢化物储氢、有机液体氢化物储氢等。其中，高压压缩储氢存在成本低、充放氢速度快的优点，但也存在储氢压力大的安全隐患。为了消除安全隐患，除了研制更为可靠的耐高压材料外，还要加强对高压储存装置的安全监测，尽快发现或合成轻量化车载储氢的金属氢化物。

二是车载用氢输送安全的优化。氢储存安全是一个静态的过程，而氢气在车载管道中输送的过程是一个动态过程，更加难以控制，我们可从预防与监控两个方面着手，按照高标准选择管路及元件材料，充分考虑其可靠性、灵敏性等;另外是优化监测报警系统及处理系统，考虑传感器的布置位置及数量等。

三是优化燃料电池系统安全。国家标准《燃料电池电动汽车燃料电池堆安全要求》（GB/T 36288—2018），规定了燃料电池电动汽车用燃料电池堆在氢气安全、电气安全、机械结构等方面的安全要求。尤其是气密性方面，当燃料电池堆受到冲击后，气密性仍符合标准。另外，还需要对燃料电池反应堆反应气和冷却液的进口和出口温度、压力及流量等相关参数进行监测、计算，为防止氢气集聚，必要时要进行强制通风。

四是优化车辆载氢运行安全。要优化车载供氢系统在整车结构中的位置，并做充分的振动试验或碰撞试验，防止振动或碰撞导致氢气泄露;另外，要利用冗余设计思维，在车身不同部位设置多个惯性开关，以避免某个惯性开关因发生故障而检测不到碰撞情况的发生，确保各种碰撞情况都能被检测到并及时发出预警。

4.2 国家出台相关的车载用氢安全政策

一是从时间维考虑车载用氢安全。目前，国家标准对储氢瓶的使用时长已经作出了明确规定。为了保证车载用氢安全，一方面建立车载用氢数据的实时采集系统，采集车载用氢的管路、器件、传感器等随时间变化的使用状况信息，并利用大数据分析工具实现对信息的分析、评价、判断车载用氢系统随时间变化的老化状况，从而给出合理的预警提示;另一方面，政府要考虑时间对车载用氢器件老化的影响，从用氢安全角度建立氢燃料电池汽车整车使用年限标准。

二是从空间維考虑车载用氢安全。在燃料电池汽车使用过程中，应监测人、车所处空间的变化，对于车内有人与无人、车在封闭空间与空旷空间等不同状态采取不同的预警提示及应急措施;同时，在容易集聚氢气的封闭空间安装氢气监测仪器并实现智能网联，将空间氢气监控信息及时反馈给驾驶员，以便采取应对措施。

三是从数量维考虑车载用氢安全。一方面应加强储氢及供氢系统防泄露装置的技术研发，尽量避免车载用氢的泄露;另一方面，实现车与车之间的联网互通，用大数据技术分析、评价用车数量对社会环境的影响，从宏观层面合理管控氢燃料电池汽车的数量，并指导用户合理保养与使用车辆，避免氢气泄露总量增多后对人们生活产生不利影响。

4.3 抓住契机，积极推广市场，降低制造成本

2015 年 5 月 19 日，国务院发布国发[2015]28号《中国制造 2025》，明确提出燃料电池汽车的发展。目前，燃料电池汽车补贴政策基本不变，力度不减，整体来说还是促进氢燃料电池汽车和加氢站的建设。燃料电池汽车生产厂家抓住国家政策契机，提高燃料电池汽车的技术水平，积极推广市场，降低制造成本。燃料电池产业想要往前发展，一手要抓技术突破，从技术角度去提升产品的可靠性，通过研发来降低成本。提高燃料电池性能、降低其制造成本是燃料电池电动汽车商业化的关键问题之一。燃料电池电动汽车实现商业化，必须使燃料电池电动汽车的性能比现在的内燃机汽车相当甚至更优，价格比现在的内燃机汽车持平甚至更低。现阶段燃料电池电动汽车成本高的主要原因是燃料电池系统本身的成本太高。目前，燃料电池制造成本已经降至数百美元千瓦左右。但距离燃料电池电动汽车商用成本五十美元/千瓦左右还很大。燃料电池系统中第二高成本是质子交换膜。现阶段，仅质子交换膜的费用就将近五十美元/千瓦。另外，提高燃料电池电堆的使用温度，也是质子交换膜燃料电池电动汽车商业化的关键问题之二，现在全氟磺酸型膜广泛采用，它的工作温度极限为85℃，极大限制了燃料电池电堆的使用温度，为保证大功率燃料电池的正常工作，用于冷却燃料电池系统占用电池产生能量的51%，这种情况大大地降低了燃料电池的比功率。

另一方面要重视商业场景的开发，让燃料电池车进入到实际商业运行当中，将产业规模扩大。还可建立汽车智能交易平台，丰富与扩展汽车销售的业务形态，实现用户与车企之间的无缝连接。

参考文献：

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[2]欧阳明高院士：燃料电池在商用车领域应用面临诸多挑战[J].商用汽车，2019，08.

[3]杨自斌.我国氢燃料电池汽车的发展现状及产业化探究[J].汽车实用技术，2019（16）.

[4]氢燃料电池汽车求索商业化突破[J].汽车纵横，2018（12）.

[5]推动氢燃料电池汽车产业发展的未来政策动向[J].汽车纵横，2019（01）.