摘要：氫燃料電池技術(shù)逐漸成熟，制氫效率大幅度提高，電動(dòng)汽車(chē)報(bào)廢電池的問(wèn)題逐漸被重視，政府開(kāi)始鼓勵(lì)氫燃料電池汽車(chē)，氫燃料電池汽車(chē)進(jìn)入快速增長(zhǎng)期。
一、燃料電池發(fā)展背景
燃料電池原理很早被提出，但受技術(shù)所限與高昂的成本，發(fā)展速度十分緩慢。近些年燃料電池相關(guān)技術(shù)不斷進(jìn)步，特別是豐田等日本公司的大力推進(jìn)下，部分燃料電池汽車(chē)已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。
燃料電池汽車(chē)歷史
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相較全球汽車(chē)銷(xiāo)量，目前電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量占比仍不足1%，按照預(yù)測(cè)，2030年電動(dòng)汽車(chē)滲透率將達(dá)到15%，2018年-2030年每年則需要增長(zhǎng)30%。插電混動(dòng)汽車(chē)2012年后開(kāi)始進(jìn)入市場(chǎng)，目前，中國(guó)市場(chǎng)占比約為25%，美國(guó)約為43%，歐洲市場(chǎng)的PHEV占比更高。
二、燃料電池汽車(chē)定義及結(jié)構(gòu)
燃料電池汽車(chē)英文縮寫(xiě)FCV，是一種利用氫燃料作為長(zhǎng)時(shí)間續(xù)航，傳統(tǒng)電池作為瞬間大電流輸出互相配合的一種新型動(dòng)力汽車(chē)。車(chē)用燃料電池系統(tǒng)通常使用高純度的壓縮氫氣或者甲醇、甲酸、固態(tài)儲(chǔ)氫等其他介質(zhì)加重整系統(tǒng)所得到的高純度氫氣。與傳統(tǒng)的電動(dòng)汽車(chē)相比較，燃料電池汽車(chē)的電力來(lái)源為氫氣通過(guò)燃料電池系統(tǒng)發(fā)電，傳統(tǒng)電動(dòng)汽車(chē)的能源來(lái)自于電網(wǎng)。
燃料電池汽車(chē)結(jié)構(gòu)示意圖
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動(dòng)力控制單元，動(dòng)力控制單元能在不同的行駛工況下控制不同的充放電策略。電機(jī)，它由驅(qū)動(dòng)電池和燃料電池來(lái)供電，受前端的動(dòng)力控制單元控制。升壓逆變器，它把電池輸出的低壓DC，轉(zhuǎn)換成高壓AC，供給交流電機(jī)。燃料電池反應(yīng)堆，輸出功率為114kW，是整車(chē)的動(dòng)力來(lái)源。
驅(qū)動(dòng)電池，用來(lái)回收制動(dòng)能量(再生制動(dòng))，加速時(shí)輔助燃料電池供電。儲(chǔ)氫罐，由三層碳纖維強(qiáng)化塑料結(jié)構(gòu)構(gòu)成，700個(gè)大氣壓，氫氣解壓后以液態(tài)氫的方式儲(chǔ)存在燃料電池中，添加液態(tài)氫的過(guò)程加滿大約需要3-5min。
三、中國(guó)燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
(1)燃料電池汽車(chē)市場(chǎng)
整車(chē)開(kāi)發(fā)方面，目前，我國(guó)已經(jīng)初步掌握整車(chē)、動(dòng)力系統(tǒng)與核心部件的核心技術(shù)并具有整車(chē)生產(chǎn)能力。但是，在燃料電池汽車(chē)車(chē)型平臺(tái)開(kāi)發(fā)方面，以上汽股份、上海大眾、一汽、長(zhǎng)安、奇瑞等公司為代表開(kāi)發(fā)的燃料電池轎車(chē)均基于傳統(tǒng)內(nèi)燃車(chē)或純電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行改制，尚未掌握燃料電池汽車(chē)專(zhuān)用車(chē)身、底盤(pán)開(kāi)發(fā)、底盤(pán)動(dòng)力學(xué)主動(dòng)控制等關(guān)鍵技術(shù)。
2019年1-9月，新能源汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)分別完成88.8萬(wàn)輛和87.2萬(wàn)輛，比2018年同期分別增長(zhǎng)20.9%和20.8%。其中燃料電池汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)分別完成1315輛和1251輛，比2018年同期分別增長(zhǎng)7.7倍和7.6倍。
2015-2019年9月全國(guó)中國(guó)燃料電池汽車(chē)銷(xiāo)量情況統(tǒng)計(jì)
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(2)燃料電池電堆
燃料電池電堆開(kāi)發(fā)方面，已形成包括明天氫能、新源動(dòng)力、武漢理工新能源、弗爾賽、等在內(nèi)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的燃料電池電堆生產(chǎn)廠家，在電堆上游配套方面，MEA、碳紙、質(zhì)子膜、石墨雙極板和金屬雙極板等均已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。目前已具備60kW以?xún)?nèi)的單個(gè)燃料電池電堆開(kāi)發(fā)能力，體積比功率基本可達(dá)到2.0kW/L，與國(guó)際領(lǐng)先水平3.1kW/L仍有差距。
國(guó)內(nèi)外主要產(chǎn)品發(fā)展現(xiàn)狀對(duì)比
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隨著2016年我國(guó)燃料電池汽車(chē)在商用車(chē)、客車(chē)領(lǐng)域的突破，國(guó)內(nèi)燃料電池出貨量開(kāi)始大幅增長(zhǎng)，2017年全國(guó)燃料電池出貨量44.7MW，到2018年增至約57.7MW。
2010-2018年中國(guó)燃料電池出貨量統(tǒng)計(jì)
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(3)燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈細(xì)分領(lǐng)域
車(chē)載儲(chǔ)氫和供氫技術(shù)方面，我國(guó)基本掌握了35MPa高壓儲(chǔ)氫罐和加注系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高壓氫氣瓶等部件國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)，但某些關(guān)鍵閥門(mén)、管路、傳感器等國(guó)內(nèi)尚停留在研究或小批量階段，仍依賴(lài)進(jìn)口。70MPa氫氣存儲(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)已取得突破，III型儲(chǔ)氫瓶已有批量產(chǎn)品，但閥門(mén)、管路等關(guān)鍵部件仍然處在研發(fā)階段，制約了我國(guó)低成本燃料電池乘用車(chē)的開(kāi)發(fā)進(jìn)程。在供氫方面，國(guó)內(nèi)已開(kāi)發(fā)出可滿足60kW以?xún)?nèi)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)需求的引射式供氫組件產(chǎn)品，而對(duì)于回氫泵，尚未掌握其核心技術(shù)。
燃料電池用無(wú)油空壓機(jī)方面，雪人股份通過(guò)股權(quán)收購(gòu)的方式取得了雙螺桿空壓機(jī)的核心技術(shù)，德燃動(dòng)力通過(guò)自主開(kāi)發(fā)的方式已掌握可滿足60kW以?xún)?nèi)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)用空壓機(jī)技術(shù)，另外清華大學(xué)、西安交通大學(xué)等高校也這些方面進(jìn)行了大量研究和開(kāi)發(fā)工作。
燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性、壽命和環(huán)境適應(yīng)性方面，在車(chē)載工況下，目前的使用壽命在3600小時(shí)左右，大約3000km需要進(jìn)行相應(yīng)的維護(hù)，冷啟動(dòng)溫度為-20℃，這與國(guó)外的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)相比，尚有差距，制約了我國(guó)燃料電池汽車(chē)的商業(yè)化推廣。
四、中國(guó)氫能發(fā)展相關(guān)政策
我國(guó)《“十三五”戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》、《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃(2016～2030年)》、《節(jié)能與新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012～2020年)》、《中國(guó)制造2025》等國(guó)家規(guī)劃都明確了氫能產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略性地位，紛紛將發(fā)展氫能列為重點(diǎn)任務(wù)，將氫燃料電池汽車(chē)列為重點(diǎn)支持領(lǐng)域。2016年工信部組織制定的《節(jié)能與新能源汽車(chē)技術(shù)路線圖》明確提出：2020年實(shí)現(xiàn)5000輛級(jí)規(guī)模的氫燃料電池汽車(chē)，在特定地區(qū)公共服務(wù)用車(chē)領(lǐng)域的示范應(yīng)用，建成100座加氫站;2025年實(shí)現(xiàn)5萬(wàn)輛規(guī)模的應(yīng)用，建成300座加氫站;2030年實(shí)現(xiàn)百萬(wàn)輛氫燃料電池汽車(chē)的商業(yè)化應(yīng)用，建成1000座加氫站。
此外，北京，上海，山西，武漢，佛山，蘇州，張家口等地紛紛出臺(tái)氫能扶持政策，為氫能的發(fā)展保駕護(hù)航。例如《山西省新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)2019年行動(dòng)計(jì)劃》中提到，山西在氫能領(lǐng)域，2019、2020兩年，山西省將培育有影響力的氫能與燃料電池技術(shù)研發(fā)中心1個(gè)、燃料電池汽車(chē)檢驗(yàn)檢測(cè)中心1個(gè)，在示范運(yùn)行城市，建設(shè)加氫站3座、示范公交路線10條，形成700臺(tái)的運(yùn)營(yíng)規(guī)模。2021年至2022年進(jìn)行推廣應(yīng)用，公交示范線路300條，加氫站增加到10座。2023年至2024年實(shí)現(xiàn)規(guī)模運(yùn)營(yíng)，加氫站到達(dá)20座，全省公交線路開(kāi)始運(yùn)行，預(yù)計(jì)達(dá)到7500臺(tái)車(chē)輛的運(yùn)營(yíng)規(guī)模。
中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展技術(shù)路線圖
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五、中國(guó)燃料電池汽車(chē)行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)
(1)短期趨勢(shì)
隨著電動(dòng)車(chē)技術(shù)不斷完善，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)逐漸推進(jìn)，續(xù)航問(wèn)題不斷改善，消費(fèi)者對(duì)新能源汽車(chē)認(rèn)知、認(rèn)可程度越來(lái)越高，預(yù)計(jì)到2020年，純電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量會(huì)繼續(xù)快速增長(zhǎng)。全球來(lái)看，在發(fā)達(dá)國(guó)家與地區(qū)，混動(dòng)汽車(chē)與純電動(dòng)汽車(chē)更受消費(fèi)者歡迎。
國(guó)內(nèi)基于環(huán)保、能源安全、技術(shù)發(fā)展的考慮，仍會(huì)選擇純電動(dòng)汽車(chē)作為發(fā)展方向，優(yōu)惠政策會(huì)偏向于純電動(dòng)汽車(chē)。空間分布上，大城市的充電樁建設(shè)逐漸完備，純電動(dòng)汽車(chē)使用體驗(yàn)與傳統(tǒng)汽車(chē)相近，在其他一些充電設(shè)施建設(shè)還不到位的地區(qū)，收入較高的家庭會(huì)選擇混動(dòng)汽車(chē)作為交通工具。
(2)中期趨勢(shì)
預(yù)計(jì)到2030年，電池容量將能夠滿足大部分出行需求，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)基本完善，快速充電技術(shù)逐漸成熟。人們對(duì)電動(dòng)車(chē)的認(rèn)知改變，自動(dòng)駕駛技術(shù)逐漸成熟。國(guó)內(nèi)政策層面，補(bǔ)貼政策轉(zhuǎn)換為溫和方式。政策推動(dòng)因素逐漸減弱，消費(fèi)者自由選擇自己喜歡的汽車(chē)類(lèi)型，考慮價(jià)格因素，純電動(dòng)占據(jù)主要銷(xiāo)量。
(3)長(zhǎng)期趨勢(shì)
預(yù)計(jì)2030年之后，電池充電速度將得到極大的改善，電池能量密度持續(xù)提高。電動(dòng)車(chē)充電方式多元化，快速無(wú)線充電逐漸普及，傳統(tǒng)汽車(chē)便利程度不如電動(dòng)車(chē)，新購(gòu)買(mǎi)者更多選擇純電動(dòng)出行，少數(shù)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域仍將使用汽油、柴油車(chē)。同時(shí)，氫燃料電池技術(shù)逐漸成熟，制氫效率大幅度提高，電動(dòng)汽車(chē)報(bào)廢電池的問(wèn)題逐漸被重視，政府開(kāi)始鼓勵(lì)氫燃料電池汽車(chē)，氫燃料電池汽車(chē)進(jìn)入快速增長(zhǎng)期。
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