详细解析动力多样化之氢燃料电池动力系统应用

随着《打赢蓝天保卫战三年行动计划》的印发实施，国内汽车市场对零排放解决方案的需求进一步增长。在2019年上海国际汽车工业展览会上，各种新能源技术和产品受到了广泛的关注和青睐，其中上汽大通、一汽红旗、东风汽车、格罗夫、汉腾汽车、众泰汽车、庆铃汽车等国内车企所带来的“氢能源”技术和新车型的高水准展示引人瞩目。4月19日，上海市市长应勇参访上汽大通展台，对上汽MAXUS氢燃料电池MPV G20FC进行深入了解。氢燃料电池作为动力，具有动力强、加速快和加氢时间短、续航能力高等特点，而最关键的是氢动力汽车的排放仅为水。本期，我们推送《动力多样化之氢燃料电池动力系统》以详细解析目前国内氢燃料电池产业发展的情况。

《中国内燃机工业年鉴》官方网站

大力发展新能源汽车是应对全球能源短缺和环境污染的重大战略举措。在众多的新能源汽车中，燃料电池汽车因其具有零排放、效率高、续航里程长、燃料来源多元化、能源可再生等优势而被认为是未来汽车工业可持续发展的重要方向，是解决全球能源问题和气候变化的理想方案。

1  氢燃料电池汽车技术可行，优点突出

1.1  氢燃料电池汽车优点及关键技术

与传统汽车相比，氢燃料电池汽车使用氢燃料电池发动机代替了传统燃油发动机，使用储氢罐代替了油箱，通过燃料电池的氢氧电化学反应，产生电能通过电动机驱动车辆行驶。氢燃料电池汽车与其他类型的汽车相比有如下优点：①氢燃料电池汽车对环境（空气、土壤等）没有污染，只会向环境排放水，不产生温室气体；②燃料电池汽车运行时相对安静，噪声值在55dB左右，有利于营造一个更加舒适安静的城市交通环境；③氢燃料电池汽车的能量转化效率可达60%，为传统内燃机的2～3倍；④与电动汽车相比，氢燃料电池汽车的续航里程更长，充氢时间很短，与燃油车加油时间相当，能够提供更加优良的用户体验；⑤氢燃料来源广泛，氢是宇宙中存量最丰富的元素，氢气可以由石油化工、钢铁工业、氯碱工业等副产物、电解水、甲醇裂解、甲烷重整等多个渠道获得。

氢燃料电池汽车的核心系统主要包括氢燃料电池发动机和车载氢系统。氢燃料电池发动机主要包括燃料电池电堆、空压机、膜增湿器等，主要功能是为燃料电池汽车提供动力来源。车载氢系统主要由高压储氢瓶和氢气调节系统等组成，主要功能是存储氢气，并为氢燃料电池发动机供应适当压力、足够流量的氢气。

我国在氢燃料电池领域的技术已经有一定的积累，能够为燃料电池汽车的发展提供一定的技术支撑。氢燃料电池发动机的关键组件如燃料电池电堆、空压机等已有国产化产品，如新源动力、亿华通、广顺等品牌。车载氢系统中最为关键的高压储氢瓶也已经有国产化产品，如沈阳斯林达、北京天海、北京科泰克等品牌。国内部分氢燃料电池发动机和车载氢系统厂商信息如表1所示。

表1  国内部分燃料电池发动机系统/

车载氢系统厂商

虽然较为关键的燃料电池电堆、空压机和储氢瓶已具有一定的国产化能力，但必须承认的是国内燃料电池发动机仍处于初期阶段，其功率和耐久性的水平与国外的产品还存在一定差距。目前，国内已经装车的燃料电池发动机普遍没有采用功率密度较高的金属双极板，而是采用石墨板或复合板，前者功率密度是后者的2.5～3.0倍。此外，国内燃料电池发动机产业链配套有待完善，部分关键附件如膜增湿器等还不能批量生产高质量的产品，而这些附件恰恰对燃料电池发动机的耐久性至关重要，今后在这些方面需展开攻关研究。

1.2  氢燃料电池整车发展情况

国内氢燃料电池汽车已具有一定的集成装配技术能力，多家整车厂已陆续推出氢燃料电池汽车。氢燃料电池汽车可以基于全新车型开发，也可在燃油车的基础上进行改型开发：去除燃油车内燃机发动机部件，直接将燃料电池系统进行集成，改型难度相对较低。国内已推出的氢燃料电池汽车主要以动力系统改型为主，部分整车信息如表2所示。

表2  国内已发布的部分氢燃料电池汽车

其中，上汽大通汽车有限公司（以下简称“上汽大通”）自主开发的氢燃料电池汽车FCV80已成功实现量产（见图1）。FCV80是国内首款运用工信部最新准入标准的燃料电池轻客车型，也是国际首款燃料电池轻客车型。FCV80是上汽集团在V80的基础上改型开发，采用的是氢燃料电池发动机为主、动力电池为辅的双动力源，续航里程可达430km。FCV80的加氢时间仅需3～5min，与燃油车加油时间相当，与纯电车较长的充电时间相比，大幅度改善了用户体验。FCV80燃料电池系统具备超压保护、超温保护、氢泄漏保护、碰撞保护等功能，确保用户的用车安全。

图1 上汽大通FCV80燃料电池轻型客车

1.3  氢燃料电池汽车国标体系趋近完善

经过近年的发展，国内燃料电池汽车相关的国标体系已经趋近完善，主要涵盖整车级的安全和技术要求，燃料电池系统级的安全、测试和技术要求，以及氢能产业（如加氢基础设施和加氢设备等）相关的安全技术规范（见表3）。燃料电池汽车相关的国家标准主要由上汽集团、中国汽车技术研究中心、同济大学等国内技术实力雄厚的单位起草和制定，对燃料电池汽车产业的健康发展起到了很好的指导作用。

表3  燃料电池汽车主要国家标准

虽然国内的燃料电池标准体系已经基本建立，但是不难发现，还存在一些需要完善的地方，如70MPa级的燃料电池汽车及系统的安全技术标准还未出台，现行国标中的测试方法的可实施性还有待提高，部分标准中的技术要求低于国际标准的要求等，后续须在这些方面进一步开展工作。

2  政策支持发展氢燃料电池汽车

近年来，国家相继出台了《节能与新能源汽车产业发展规划（2012—2020年）》《中国制造2025》《能源技术革命创新行动计划（2016—2030年）》《国家创新驱动发展战略纲要》《“十三五”国家战略性创新新兴产业发展规划》及《汽车产业中长期发展规划》等政策，明确要求重点发展氢能与燃料电池技术。

2018年财政部和工信部发布了《关于调整完善新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》（财建〔2018〕18号），通知对燃料电池汽车补贴力度保持不变，燃料电池乘用车按燃料电池系统的额定功率进行补贴，燃料电池客车和专用车采用定额补贴方式。鼓励技术水平高、安全可靠的产品推广应用，并要求乘用车燃料电池系统的额定功率不小于10kW，商用车燃料电池系统的额定功率不小于30kW。

2014年财政部发布了《关于新能源汽车充电设施建设奖励的通知》（财建[2014] 692号），对符合加氢站国家技术标准，且每天加氢不少于200kg的加氢站将给予400万的补贴。目前财政部等四部委正根据新能源车推广应用规模和充电设施建设运营成本等情况，对奖励政策进行适当调整，积极引导加氢站的建站技术发展，全面配合氢燃料电池汽车的商业推广。

2015年开始，国内各省/自治区/直辖市也积极布局和推广燃料电池产业，产生了巨大的引领效应，逐步形成了以上海、北京、佛山、江苏（如皋）为代表的燃料电池汽车示范运营区域。

2018年5月21日，上海市发布了《上海市燃料电池汽车推广应用财政补助方案》，按中央财政补助1∶0.5给予本市财政补助。当燃料电池功率不小于60kW,或燃料电池与驱动电池额定功率之比不低50%的，按中央财政补助1∶1给予本市财政补助。2018年6月14日，广东省人民政府发布了《关于加快新能源汽车产业创新发展的意见》，明确要求2018—2020年新能源汽车推广应用省级财政补贴资金中30%用于氢燃料电池汽车的推广。2018年3月19日，苏州市发改委发布了《苏州市氢能产业发展指导意见（试行）》，意见提出到2025年，氢能产业链年产值突破500亿元，建成40座加氢站，批量投放超过10000辆氢燃料电池公交车、物流车、市政环卫车和乘用车。国内主要的氢燃料电池产业地方政策如表4所示。

表4  国内主要氢燃料电池产业地方政策

3  氢能良好的产业基础支持氢燃料电池发动机的发展

支持氢燃料电池发动机快速发展的另一大因素是氢能产业基础良好。氢燃料电池发动机涉及的氢能产业主要包括制氢、储氢、运氢和加氢等环节。

3.1  制氢产业基础

根据氢气产业的现状，工业制氢技术已经非常成熟，主要制氢方法有三大类。第一类是化石原料制氢，包括煤制氢、天然气重整制氢、甲醇裂解制氢等。这一类方法技术成熟度最高，原料也易于获得，我国的能源结构是“富煤贫油少气”，煤制氢未来会是比较适合我国国情的一种方式，而且随着洁净煤技术的发展，将使煤制氢更加环境友好。

第二类方法是水电解制氢，水电解制氢的主要问题是耗电量较大，电力成本昂贵，是化石原料制氢的3～5倍；水电解制氢的电力来源也可以是电网的废电以及风电、水电等可再生能源，从而使水电解制氢的经济性得到改善。

第三类方法是工业废氢的提纯，氯碱工业、石化行业、钢铁行业的生产过程中会产生大量的废氢，以往主要用于锅炉燃烧或直接火炬燃烧排放；随着对氢能需求的日益凸显，很多厂家注意到工业废氢是一种有价值的资源，可以直接通过变压吸附的方式进行提纯得到高纯氢，给燃料电池车用或其他工业用途。这种制氢方式，变废为宝，一次性投资成本和生产成本均较低，但是一定程度上会受上游产业的制约。

总之，氢气来源广泛，目前我国可以用于氢能的氢气产能已经超过700亿立方/年，其中煤制氢和副产氢气提纯的成本很低，大约在11元/kg,百公里氢耗成本可以媲美燃油车百公里油耗成本，为氢燃料电池发动机后续的大规模商业化运行提供了有力的经济性支撑。

3.2  成熟的氢气存储

氢气存储包括物理压缩、液氢、化合物储氢、物质吸附等多种方式，目前比较成熟的商用存储方式为压缩氢气存储和液氢存储。压缩氢气存储是将氢气压缩到15MPa或20MPa的压力，存储在钢瓶或高压管束中，适用于少量的氢气存储；液氢存储是通过压缩、膨胀、换热等过程将氢气液化，存储于真空绝热储罐中，可以实现大量氢气的存储，但由于热损失客观存在，所以存储过程中会有一定的氢气蒸发损失。

3.3  多样化的氢气运输方式

氢气的运输比较灵活，可以满足各种类型的使用需求。总体而言，氢气运输方式主要有压缩氢气运输、氢气管道输送、液氢运输。压缩氢气运输是指通过钢瓶或管束车进行运输，适用于短距离、相对少量的氢气需求，目前国内的加氢站氢气来源主要是管束车；氢气管道输送的方式是指在制氢工厂将氢气增压通过管道的方式直接输送至终端用户，适用于化工园区这种用户相对集中的场合，管道输送方式初期投资高，后续使用、维护成本低；液氢运输是指通过低温槽车来运输液氢，单车运输量较大，适用于运输距离长和需求量大的场合，而且液氢增压的能耗比氢气增压的能耗低很多，目前国外液氢在加氢站中的使用非常广泛。

3.4  加氢站建设

国内加氢站的建设正在大力开展中，预计到2020年国内预计将建成100座加氢站，到2030年国内预计将建成1000座加氢站，全力配合氢燃料电池汽车的商业化推广。目前国内加氢站的主要情况如表5所示。

表5  国内主要加氢站统计

为了支持氢燃料电池发动机大规模商业化应用和运行，氢能领域还有如下问题亟待解决：①早日建立液氢作为一种民用能源的标准、法规体系，为日后大规模、低成本、高效率地使用氢能源奠定基础；②简化加氢站的审批流程，降低加氢站建设土地申请的难度，参考国际加氢站的标准降低加氢站建站的防火间距等要求，进一步推进国内加氢站的建设速度。

4  总结和展望

目前国内外氢燃料电池发动机和整车发展迅猛，我国的氢燃料电池发动机研发应用及氢能产业正处于快速发展的上升期，国家和地方发布了多项政策和标准以推动发展，相关产业链和技术也在不断完善。社会对环境保护和可持续发展的愿景不会改变，零排放的氢燃料电池发动机和清洁的氢能源是实现人类美好家园的重要选择。但发展的过程中也需要认识到，国内氢燃料电池发动机和整车技术还需要不断研发和探索，氢能基础设施也有待完善，后续在这些领域须有进一步创新和突破。