張朝許

摘要：燃料電池具有高效、清潔、低碳、綠色的特點(diǎn)，是汽車未來的發(fā)展方向，文章分析了我國燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀與豐田燃料電池汽車技術(shù)的特點(diǎn)，提出了多方合作提升技術(shù)、國家政策提供支持、市場推廣降低制造成本等對策，對我國燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)今后的發(fā)展具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：燃料電池;汽車;車載用氫;安全技術(shù)

1? 燃料電池汽車是汽車未來的發(fā)展方向

目前，全球汽車產(chǎn)業(yè)正在經(jīng)歷一場深刻的變革，一方面，以新一代信息技術(shù)、新材料、大數(shù)據(jù)、人工智能等為代表的技術(shù)變革改變了傳統(tǒng)汽車設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、制造，成為正向引領(lǐng)汽車技術(shù)進(jìn)步的內(nèi)生動力;另一方面，汽車的爆炸式增長帶來的能源、環(huán)境、擁堵、安全等社會問題日益嚴(yán)峻，促使汽車發(fā)展必須向綠色、低碳、便捷、高效轉(zhuǎn)型發(fā)展，在能源和環(huán)境革命的大背景下，清潔可再生能源占能源體系的比例不斷提升。在車用安全、大容量、高壽命的電池技術(shù)以及高效、清潔燃料電池等技術(shù)帶動下，新能源汽車正在大規(guī)模增長。未來，高效、清潔、低碳、綠色的能源供應(yīng)將是重點(diǎn)發(fā)展方向，新能源化將是汽車技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要趨向。

在電動化、智能化、共享化和網(wǎng)聯(lián)化，環(huán)保要求愈發(fā)嚴(yán)格的趨勢下，電動化是汽車未來發(fā)展的方向之一。近兩年隨著技術(shù)進(jìn)步以及禁售燃油車等相關(guān)政策的推動，純電動更是成為各大車企研發(fā)的重點(diǎn)。由于對環(huán)境影響相對傳統(tǒng)汽車較小，其前景被廣泛看好。但從環(huán)保方面考慮，燃料電池汽車車才是汽車未來的發(fā)展方向。近年來，國家積極推廣燃料電池車。數(shù)據(jù)顯示，2019年我國燃料電池汽車產(chǎn)銷分別完成2833輛和2737輛，同比分別增長85.5%和79.2%，截至2019年底我國燃料電池車?yán)塾?jì)數(shù)量為6000輛。2020年政策利好，燃料電池汽車猶如站上風(fēng)口，從我國的發(fā)展情況來看，仍有很大的增長空間。2019年7月25日，襄陽市人民政府、國家電投集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司、東風(fēng)汽車股份有限公司、武漢理工大學(xué)共同簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，各方聯(lián)合開展氫燃料電池汽車的車型開發(fā)與推廣，大力推動氫能及燃料電池技術(shù)在公交、物流等場景的廣泛應(yīng)用，共同培育氫能裝備制造產(chǎn)業(yè)。2020年6月5日，豐田汽車公司、中國第一汽車股份有限公司、東風(fēng)汽車集團(tuán)有限公司、廣州汽車集團(tuán)股份有限公司、北京汽車集團(tuán)有限公司、北京億華通科技股份有限公司等六家簽署合營合同，成立商用車燃料電池系統(tǒng)研發(fā)公司，公司全名為“聯(lián)合燃料電池系統(tǒng)研發(fā)（北京）有限公司”。

2? 我國燃料電池在汽車領(lǐng)域應(yīng)用存在的問題

燃料電池動力系統(tǒng)是卡車和公路客車等商用汽車的最佳選擇，也是乘用汽車的發(fā)展方向，但目前燃料電池在汽車領(lǐng)域的全面推廣也面臨著許多問題。我國目前在運(yùn)行的燃料電池商用車有2000輛左右，是燃料電池商用車領(lǐng)域的領(lǐng)先國家。我國近幾年燃料電池發(fā)展非常迅速，CCM、膜電極、電堆、全產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)打通，全球資源向中國匯集。面向2035的發(fā)展目標(biāo)，我國在燃料電氣技術(shù)、規(guī)?；瘧?yīng)用、氫燃料供應(yīng)等方面均可滿足需求。目前燃料電池整體發(fā)展也面臨很多問題：一是氫儲運(yùn)的問題。以現(xiàn)在儲氫 20MPa壓力情況下，無法支撐氫能大規(guī)模發(fā)展。需要轉(zhuǎn)型為30Mpa，并逐步提升至50MPa，以減少運(yùn)輸成本;同時(shí)，還要進(jìn)行大規(guī)模的管道改造。液態(tài)儲氫具有優(yōu)勢，但是有關(guān)鍵零部件依賴進(jìn)口、建設(shè)周期長、總體儲運(yùn)能力不足等缺點(diǎn)。二是車載儲氫瓶的問題。一個(gè)35MPa的車載儲氫瓶可以支撐一輛城市公交車運(yùn)行250km。如果想要裝載更多的氫氣則需要進(jìn)行液態(tài)儲氫，但相關(guān)技術(shù)還要探索是不是具有大規(guī)模應(yīng)用的可行性。三是加氫站的問題。目前全球共有360座加氫站，其中絕大多數(shù)都是小型站。中國擁有加氫站16座，每天的總供應(yīng)能力為8t，按照2030年每天 供氫200-400萬t的目標(biāo)，需要每年增加產(chǎn)量500-10000t，有很大的難度。

3? 豐田燃料電池汽車解析

豐田汽車是全球最大的整車企業(yè)之一，創(chuàng)立已有80多年歷史，在全球五十多個(gè)國家有組裝工廠，是第一家汽車年銷量超過千萬的整車企業(yè)。豐田汽車于2015年10月14日公布了“豐田環(huán)境挑戰(zhàn)2050”目標(biāo)，提出在2050年前實(shí)現(xiàn)僅靠發(fā)動機(jī)行駛的汽車的“零”銷售。豐田汽車近年來在新能源汽車，尤其是燃料電池汽車上投入了大量研發(fā)資金。由于傳統(tǒng)電池技術(shù)的限制，豐田高層認(rèn)為燃料電池車是終極環(huán)保車，豐田汽車近年來將其未來研發(fā)重心從技術(shù)成熟的混合動力汽車逐漸轉(zhuǎn)向燃料電池汽車。豐田汽車于1992年便開始研發(fā)燃料電池汽車，在1996年10月發(fā)布了首款燃料電池汽車。在隨后的十多年里，豐田汽車陸續(xù)推出了FCHV-3、FCHV-4、FCHV-5、Toyota FCHV、Toyota）等車型，但受制于昂貴的單價(jià)和基礎(chǔ)設(shè)施不足，該階段的燃料電池汽車沒有量產(chǎn)和商品化。為了使更多的氫燃料電池汽車上路，豐田無償?shù)貙ν夤_了約5680項(xiàng)燃料電池相關(guān)專利，希望以此鼓勵(lì)其他汽車廠商推出燃料電池汽車，降低加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施的建造和使用成本。以Mirai車型為例，2015年銷量為700輛;2016年的銷量增至2000輛，占全球燃料電池乘用車總銷量的88%。Mirai使用的燃料電池系統(tǒng)由豐田汽車自主研發(fā)，主要包括六個(gè)子系統(tǒng)，分別是燃料電池堆、儲能電池、高壓儲氫罐、驅(qū)動電機(jī)、PC升壓變頻器和動力控制裝置。豐田汽車的所有與燃料電池相關(guān)的專利強(qiáng)度超過90的專利有88件，涉及氫燃料電池控制系統(tǒng)、燃料電池堆、冷卻裝置、燃料電池制造等。

4? 我國燃料電池汽車發(fā)展對策

4.1 提升燃料電池汽車的用氫安全技術(shù)

我國應(yīng)該從政策上鼓勵(lì)多方聯(lián)合開展氫燃料電池技術(shù)開發(fā)，利用與國外汽車公司（如豐田）的技術(shù)合作機(jī)會，不斷提升燃料電池汽車的用氫安全技術(shù)。

用氫安全技術(shù)是燃料電池汽車發(fā)展的必要條件，燃料電池汽車的用氫安全技術(shù)有四個(gè)方面：

一是優(yōu)化車載儲氫安全。對氫氣的存儲要求是密度高、輕便、安全而且經(jīng)濟(jì)。目前氫氣的儲存是限制燃料電池汽車推廣的最主要因素。當(dāng)前常用的儲氫技術(shù)有高壓壓縮儲氫、金屬氫化物儲氫、有機(jī)液體氫化物儲氫等。其中，高壓壓縮儲氫存在成本低、充放氫速度快的優(yōu)點(diǎn)，但也存在儲氫壓力大的安全隱患。為了消除安全隱患，除了研制更為可靠的耐高壓材料外，還要加強(qiáng)對高壓儲存裝置的安全監(jiān)測，盡快發(fā)現(xiàn)或合成輕量化車載儲氫的金屬氫化物。

二是車載用氫輸送安全的優(yōu)化。氫儲存安全是一個(gè)靜態(tài)的過程，而氫氣在車載管道中輸送的過程是一個(gè)動態(tài)過程，更加難以控制，我們可從預(yù)防與監(jiān)控兩個(gè)方面著手，按照高標(biāo)準(zhǔn)選擇管路及元件材料，充分考慮其可靠性、靈敏性等;另外是優(yōu)化監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)及處理系統(tǒng)，考慮傳感器的布置位置及數(shù)量等。

三是優(yōu)化燃料電池系統(tǒng)安全。國家標(biāo)準(zhǔn)《燃料電池電動汽車燃料電池堆安全要求》（GB/T 36288—2018），規(guī)定了燃料電池電動汽車用燃料電池堆在氫氣安全、電氣安全、機(jī)械結(jié)構(gòu)等方面的安全要求。尤其是氣密性方面，當(dāng)燃料電池堆受到?jīng)_擊后，氣密性仍符合標(biāo)準(zhǔn)。另外，還需要對燃料電池反應(yīng)堆反應(yīng)氣和冷卻液的進(jìn)口和出口溫度、壓力及流量等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測、計(jì)算，為防止氫氣集聚，必要時(shí)要進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)。

四是優(yōu)化車輛載氫運(yùn)行安全。要優(yōu)化車載供氫系統(tǒng)在整車結(jié)構(gòu)中的位置，并做充分的振動試驗(yàn)或碰撞試驗(yàn)，防止振動或碰撞導(dǎo)致氫氣泄露;另外，要利用冗余設(shè)計(jì)思維，在車身不同部位設(shè)置多個(gè)慣性開關(guān)，以避免某個(gè)慣性開關(guān)因發(fā)生故障而檢測不到碰撞情況的發(fā)生，確保各種碰撞情況都能被檢測到并及時(shí)發(fā)出預(yù)警。

4.2 國家出臺相關(guān)的車載用氫安全政策

一是從時(shí)間維考慮車載用氫安全。目前，國家標(biāo)準(zhǔn)對儲氫瓶的使用時(shí)長已經(jīng)作出了明確規(guī)定。為了保證車載用氫安全，一方面建立車載用氫數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)，采集車載用氫的管路、器件、傳感器等隨時(shí)間變化的使用狀況信息，并利用大數(shù)據(jù)分析工具實(shí)現(xiàn)對信息的分析、評價(jià)、判斷車載用氫系統(tǒng)隨時(shí)間變化的老化狀況，從而給出合理的預(yù)警提示;另一方面，政府要考慮時(shí)間對車載用氫器件老化的影響，從用氫安全角度建立氫燃料電池汽車整車使用年限標(biāo)準(zhǔn)。

二是從空間維考慮車載用氫安全。在燃料電池汽車使用過程中，應(yīng)監(jiān)測人、車所處空間的變化，對于車內(nèi)有人與無人、車在封閉空間與空曠空間等不同狀態(tài)采取不同的預(yù)警提示及應(yīng)急措施;同時(shí)，在容易集聚氫氣的封閉空間安裝氫氣監(jiān)測儀器并實(shí)現(xiàn)智能網(wǎng)聯(lián)，將空間氫氣監(jiān)控信息及時(shí)反饋給駕駛員，以便采取應(yīng)對措施。

三是從數(shù)量維考慮車載用氫安全。一方面應(yīng)加強(qiáng)儲氫及供氫系統(tǒng)防泄露裝置的技術(shù)研發(fā)，盡量避免車載用氫的泄露;另一方面，實(shí)現(xiàn)車與車之間的聯(lián)網(wǎng)互通，用大數(shù)據(jù)技術(shù)分析、評價(jià)用車數(shù)量對社會環(huán)境的影響，從宏觀層面合理管控氫燃料電池汽車的數(shù)量，并指導(dǎo)用戶合理保養(yǎng)與使用車輛，避免氫氣泄露總量增多后對人們生活產(chǎn)生不利影響。

4.3 抓住契機(jī)，積極推廣市場，降低制造成本

2015 年 5 月 19 日，國務(wù)院發(fā)布國發(fā)[2015]28號《中國制造 2025》，明確提出燃料電池汽車的發(fā)展。目前，燃料電池汽車補(bǔ)貼政策基本不變，力度不減，整體來說還是促進(jìn)氫燃料電池汽車和加氫站的建設(shè)。燃料電池汽車生產(chǎn)廠家抓住國家政策契機(jī)，提高燃料電池汽車的技術(shù)水平，積極推廣市場，降低制造成本。燃料電池產(chǎn)業(yè)想要往前發(fā)展，一手要抓技術(shù)突破，從技術(shù)角度去提升產(chǎn)品的可靠性，通過研發(fā)來降低成本。提高燃料電池性能、降低其制造成本是燃料電池電動汽車商業(yè)化的關(guān)鍵問題之一。燃料電池電動汽車實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，必須使燃料電池電動汽車的性能比現(xiàn)在的內(nèi)燃機(jī)汽車相當(dāng)甚至更優(yōu)，價(jià)格比現(xiàn)在的內(nèi)燃機(jī)汽車持平甚至更低。現(xiàn)階段燃料電池電動汽車成本高的主要原因是燃料電池系統(tǒng)本身的成本太高。目前，燃料電池制造成本已經(jīng)降至數(shù)百美元千瓦左右。但距離燃料電池電動汽車商用成本五十美元/千瓦左右還很大。燃料電池系統(tǒng)中第二高成本是質(zhì)子交換膜?，F(xiàn)階段，僅質(zhì)子交換膜的費(fèi)用就將近五十美元/千瓦。另外，提高燃料電池電堆的使用溫度，也是質(zhì)子交換膜燃料電池電動汽車商業(yè)化的關(guān)鍵問題之二，現(xiàn)在全氟磺酸型膜廣泛采用，它的工作溫度極限為85℃，極大限制了燃料電池電堆的使用溫度，為保證大功率燃料電池的正常工作，用于冷卻燃料電池系統(tǒng)占用電池產(chǎn)生能量的51%，這種情況大大地降低了燃料電池的比功率。

另一方面要重視商業(yè)場景的開發(fā)，讓燃料電池車進(jìn)入到實(shí)際商業(yè)運(yùn)行當(dāng)中，將產(chǎn)業(yè)規(guī)模擴(kuò)大。還可建立汽車智能交易平臺，豐富與擴(kuò)展汽車銷售的業(yè)務(wù)形態(tài)，實(shí)現(xiàn)用戶與車企之間的無縫連接。

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