目前我國(guó)政府非常重視新能源汽車的發(fā)展，燃料電池汽車具有動(dòng)力性能高、加氫快、充電快、續(xù)航里程長(zhǎng)、接近零排放等優(yōu)點(diǎn)，成為新能源汽車的有力競(jìng)爭(zhēng)者，也迎來(lái)了難得的發(fā)展機(jī)遇。

2018年被稱為氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)化快速發(fā)展年，展望2019年，中國(guó)的車用燃料電池技術(shù)要在國(guó)際上具有競(jìng)爭(zhēng)力，重要的是要降低成本、提升電堆的工作電流密度和比功率、電池系統(tǒng)的可靠性和耐久性，需要科研院所與企業(yè)界聯(lián)合攻關(guān)，大力完善發(fā)展燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈，加快促進(jìn)我國(guó)燃料電池汽車商業(yè)化。

步入產(chǎn)業(yè)導(dǎo)入期

過(guò)去十多年間，在國(guó)家科技計(jì)劃和產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新工程的支持下，我國(guó)開(kāi)展了氫能燃料電池汽車的研究、開(kāi)發(fā)、示范、運(yùn)營(yíng)工作，初步形成了從燃料電池電堆、電池系統(tǒng)，到整車研發(fā)體系和制造的能力，開(kāi)展了系統(tǒng)的示范運(yùn)行。

2014年12月15日，日本豐田公司開(kāi)始銷售MIRAI汽車，同時(shí)宣布專利可以無(wú)償使用，這對(duì)燃料電池汽車發(fā)展具有重大意義。從國(guó)際上看，燃料電池汽車已經(jīng)渡過(guò)技術(shù)開(kāi)發(fā)階段，進(jìn)入市場(chǎng)導(dǎo)入階段。從國(guó)內(nèi)來(lái)看，燃料電池關(guān)鍵材料的研究已達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平，全國(guó)政協(xié)副主席萬(wàn)鋼在長(zhǎng)春科協(xié)年會(huì)上指出，氫燃料電池在壽命、可靠性、適用性上基本達(dá)到了車輛使用要求，中國(guó)初步掌握了相關(guān)的核心技術(shù)，基本建立了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)平臺(tái)，未來(lái)主要是加強(qiáng)協(xié)同創(chuàng)新，加快推進(jìn)燃料電池產(chǎn)業(yè)的全面發(fā)展。

具體來(lái)看，在技術(shù)層面，氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)功率得到大幅度提升，用70兆帕氣瓶已經(jīng)可以跑500千米以上，基本上滿足零下30攝氏度啟停工況要求。在電堆方面，國(guó)際上燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)達(dá)到了四缸內(nèi)燃機(jī)的體積水平，去年本田宣布已經(jīng)達(dá)到了六缸內(nèi)燃機(jī)的水平，功率密度達(dá)到每立升3千瓦以上。目前，國(guó)內(nèi)裝車的電堆僅達(dá)到每立升2.0千瓦左右，比國(guó)外低了1/3左右。

在安全層面，燃料電池安全性比較高，但系統(tǒng)比鋰電池復(fù)雜，同時(shí)燃料電池的動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較慢。應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題，最有效的解決辦法就是采用電電混合動(dòng)力——燃料電池+二次電池（超級(jí)電容器）的方案。二次電池具有削峰填谷的作用，這樣就減少了燃料電池功率的變化速度和變化的幅度，在一定程度上彌補(bǔ)了燃料電池響應(yīng)較慢的缺點(diǎn)，同時(shí)提高了燃料電池的壽命。因此，我國(guó)最先研發(fā)的氫燃料電池技術(shù)路線——電電混合技術(shù)，也成為目前世界上的主流。

未來(lái)，我國(guó)將大力推進(jìn)燃料電池在特殊領(lǐng)域的應(yīng)用，增強(qiáng)相關(guān)領(lǐng)域的實(shí)力；同時(shí)，在民用領(lǐng)域?qū)⒓薪鉀Q壽命與成本兼顧問(wèn)題，從材料、部件、系統(tǒng)等三個(gè)層次進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)與創(chuàng)新，盡快推進(jìn)燃料電池商業(yè)化步伐，提供高能效、環(huán)境友好的燃料電池發(fā)電技術(shù)，為建立清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系做出貢獻(xiàn)。

規(guī)模漸成 短板猶存

在具體應(yīng)用方面，由于燃料電池發(fā)電原理是電化學(xué)，車用效率比較高，可以達(dá)到60%左右，因此與純電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車相比，更適合于大功率、長(zhǎng)程的運(yùn)輸，應(yīng)用在公交車和重載車方面有明顯的優(yōu)勢(shì)。這也是燃料電池車代替柴油車的一個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域，早在2015年，由于燃料電池乘用車受加氫站的限制，日本豐田和日野合作開(kāi)發(fā)燃料電池大巴，準(zhǔn)備作為奧運(yùn)會(huì)的通勤車。最近日本豐田公司又開(kāi)始和美國(guó)肯沃斯合作開(kāi)發(fā)重載汽車，準(zhǔn)備在美國(guó)加州投運(yùn)10輛氫燃料電池卡車，加州空氣委員會(huì)為此提供了4500萬(wàn)美元的資助。

2018年，國(guó)內(nèi)在示范運(yùn)行層面已經(jīng)行動(dòng)起來(lái)，比如上海方面表示，準(zhǔn)備投入400～500輛商用車示范運(yùn)行，還要建立動(dòng)力系統(tǒng)及零部件研發(fā)平臺(tái)、氫能產(chǎn)業(yè)公共服務(wù)平臺(tái)、燃料電池車運(yùn)營(yíng)保養(yǎng)中心三個(gè)平臺(tái)。在河北省張家口，有74輛燃料電池車開(kāi)始示范運(yùn)行，其運(yùn)行的意義在于證明寒冷條件下運(yùn)行的燃料電池車只要解決了啟動(dòng)問(wèn)題，會(huì)比鋰電池車更具優(yōu)越性，可以避免像鋰離子電池受溫度影響比較大的短板。

在企業(yè)層面，截至2018年，共有57家企業(yè)86個(gè)車型入選工信部銷售目錄，其中億華通有23款、廣東國(guó)鴻有20款，億華通與神力合作研制了3種類型的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)，功率從30千瓦到60千瓦，都已實(shí)現(xiàn)裝車示范運(yùn)行。宇通客車已經(jīng)開(kāi)發(fā)了三代燃料電池車，在鄭州開(kāi)始示范運(yùn)行。國(guó)鴻氫能引進(jìn)巴拉德技術(shù)后，已經(jīng)能夠推出30～80千瓦的燃料電池電堆，在廣東省云浮市裝載了70輛燃料電池大巴車投入運(yùn)行。

截至2018年底，我國(guó)共有2400多輛燃料電池車在運(yùn)行，但運(yùn)營(yíng)加氫設(shè)施與國(guó)外差距較大。從世界范圍來(lái)看，截至2017年底，全球運(yùn)行的加氫站有328座，亞洲119座，歐洲139座，北美68座，南美1座，澳洲1座。其中，日本第一，91座；德國(guó)第二，45座；美國(guó)第三，40座。到2018年7月，我國(guó)共建成加氫站12座并投入運(yùn)營(yíng)，在建的加氫站有33座，距離2020年目標(biāo)建成100座還相差較大。

電堆、系統(tǒng)需兩手抓

2018年12月初，科技部發(fā)布《2019氫能等9大重點(diǎn)專項(xiàng)申報(bào)指南征求意見(jiàn)稿》明確提出，將對(duì)氫能與燃料電池關(guān)鍵零部件進(jìn)行攻關(guān)。

目前，雖然燃料電池汽車整體應(yīng)用性能，包括續(xù)駛里程、舒適性、加氫時(shí)間、低溫適應(yīng)性，基本都達(dá)到了燃油汽車的水平，但面臨的問(wèn)題是沒(méi)有大批量的生產(chǎn)線，成本比較高，還要受加氫站的制約。這就需要盡快提高燃料電池體積、重量比功率，為燃料電池商用車應(yīng)用降低成本，為燃料電池乘用車應(yīng)用打好基礎(chǔ)。

規(guī)模漸成 短板猶存：2019年燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)化怎樣搶位 ？

要想降低燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的成本，特別是電堆成本，首先要研究提高單體電池的比功率，降低化學(xué)極化、歐姆極化和傳質(zhì)極化。同時(shí)，燃料電池的壽命是電堆和系統(tǒng)雙方配合的結(jié)果，所以同時(shí)加強(qiáng)電堆部分、系統(tǒng)部分關(guān)鍵部件的研發(fā)是今后努力的方向。

具體措施包括：首先，完善燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈，盡快實(shí)現(xiàn)電池關(guān)鍵材料如電催化劑，質(zhì)子交換膜、MEA、雙極板等批量生產(chǎn)，為降低電堆成本和提高電堆一致性奠定基礎(chǔ)。例如，建立擴(kuò)散層碳紙、催化劑、質(zhì)子交換膜、電極、MEA生產(chǎn)線等，研發(fā)生產(chǎn)空壓機(jī)、氫氣循環(huán)泵等。

其次，提高燃料電池電堆的體積、重量比功率，為開(kāi)發(fā)乘用車奠定基礎(chǔ)。開(kāi)拓燃料電池商用車市場(chǎng)也需要研發(fā)高體積、重量比功率的燃料電池電堆。這不僅是為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品體積小的需求，更是為了降低產(chǎn)品成本。要想提高燃料電池電堆體積、重量比功率，核心是要提高電堆工作電流密度。目前，國(guó)內(nèi)燃料電池電堆單池額定工況的工作電流密度已從每平方厘米0.5～1安培提高到了2～3安培，已經(jīng)有很大的進(jìn)步。但要改進(jìn)燃料電池電堆，電堆的工作電力密度要提高，包括制備零部件的一致性和組裝工藝的一致性，否則單片電壓提再高也沒(méi)有用。

再次，深入研發(fā)電堆的衰減機(jī)理，開(kāi)發(fā)抗腐蝕、穩(wěn)定的新材料，大幅度提高燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和耐久性。可靠性和耐久性是靠系統(tǒng)和電堆共同來(lái)決定的，電堆進(jìn)步了能促進(jìn)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化，所以電堆和系統(tǒng)要相互配合，通過(guò)關(guān)鍵材料的進(jìn)步來(lái)簡(jiǎn)化電池系統(tǒng)。

此外，開(kāi)展超低鉑、非鉑電催化劑理論與應(yīng)用研究，從而進(jìn)一步將燃料電池鉑用量降低到小于0.1克/每千瓦，這是國(guó)際上燃料電池的基本要求。目前，從鉑用量來(lái)看，國(guó)際上在每千瓦0.2克，國(guó)內(nèi)0.4克左右，因此還需要做大量的工作。

最后，建立關(guān)鍵部件，包括電堆和電池系統(tǒng)的測(cè)試與耐久性快速評(píng)價(jià)方法。同時(shí)盡快建立中立性的檢測(cè)機(jī)構(gòu)，這樣對(duì)推進(jìn)我國(guó)燃料電池技術(shù)進(jìn)步趕上世界先進(jìn)水平會(huì)有重大作用。

從商業(yè)化路線圖來(lái)看，在2020年前后，隨著技術(shù)進(jìn)步與規(guī)模效益的發(fā)展，燃料電池的成本將不斷下降，競(jìng)爭(zhēng)力會(huì)逐漸提升，燃料電池潛在市場(chǎng)也會(huì)逐步壯大。在國(guó)家大力支持下，通過(guò)加強(qiáng)與先進(jìn)國(guó)家合作，在2020～2025年，我們應(yīng)該能突破關(guān)鍵技術(shù)，使燃料電池汽車能進(jìn)入S型曲線的起始階段，大幅度的產(chǎn)業(yè)化推廣估計(jì)要在2025～2030年間。

（作者系中國(guó)工程院院士、大連化學(xué)物理研究所研究員）