在全球新能源汽车产业发展快速提升的形势下，作为新能源汽车终极能源的氢燃料产业，在我国已经上升到重点发展的轨道。今年1月，全国政协副主席、科技部前部长万钢，在《人民日报》撰文称，新能源汽车应及时把产业化重点向燃料电池汽车拓展。

　　

 

　　在3月初召开的全国“两会”，氢燃料产业成为热议话题之一。“推动充电、加氢等设施建设”也被写入今年的《政府工作报告》之中。2019年3月28日，在博鳌亚洲论坛2019年年会上，国务院总理李克强首次提出发展氢燃料电池行业。李克强指出，当前新一轮产业和技术革命方兴未艾，中国正在积极实施创新驱动发展战略，推动大众创业、万众创新、着力培育壮大新动能，加快发展人工智能、自动驾驶、氢燃料电池等新兴产业，并为科技成果转化提供更好的市场环境。

 

　　笔者认为，博鳌论坛的工商业对话会，能看出政府在逐渐引入氢燃料电池概念——这跟今年全国“两会”加氢站建设写入政府工作报告的意义一样，显示出氢燃料电池发展方向正式获得政府的认定。

 

　　因此，氢燃料电池产业和氢燃料电池汽车迎来了新的发展机遇。

　　

 

　　一、对氢燃料产业发展的认识

 

　　从全球对发展氢燃料产业来看，各国都从保障国家和地区的能源安全、减少碳排放、作为新能源汽车的重要技术方向，我国也不例外，在《节能与新能源汽车技术路线图》中作了明确的表述。

　　

 

　　1、氢燃料产业的意义

 

　　氢气，作为新动能具有战略意义。氢可以从多元的化石能源中转化而得，如煤、石油、天然气等，也可以从非石化与可再生能源产生，如核能、太阳能、风能、水力等。氢作为交通运输行业的储能物质，具有可以大规模稳定存储、远距离运输、持续供应、快速补充的特点和优势。

 

　　目前，我国氢能产业不但有政策支持，技术上也有储备，并且在整个产业链中均有不少优质企业，同时掌握了大部分零部件的核心技术，且在制氢领域有着明显的优势，氢燃料电池技术的研发也在不断深入。

 

　　在国际上，日本在氢能方面可说是世界的典范，“建立氢能社会”更是日本的国家战略之一。日本资源匮乏，核电+氢能的技术路线，可能帮助日本摆脱进口能源的依赖。因此，发展氢能产业和氢燃料电池汽车，改善我国能源结构，实现低碳交通、绿色环保，提升国际竞争力和科技创新实力，实现汽车产业高质量、可持续发展具有非常重要的战略意义。

　　

 

　　2、清洁的燃料电池

 

　　燃料电池，是一种以电化学反应方式将氢气与空气(氧气)的化学能转变为电能的能量转换装置。只要保证氢气的供给，燃料电池将会持续输出电能，排放物是水，没有污染。

 

　　清洁的燃料电池最核心的材料是质子交换膜、催化剂、气体扩散层、以及双极板。质子交换膜、催化剂和扩散层经过一定的工艺加工程膜电极(MEA)，而膜电极是燃料电池的心脏。目前，我国在这些核心技术方面均有较大突破，为发展清洁燃料电池创造了条件。

 

　　正因为如此，在今年的“两会”上，许多相关产业的代表都提出了类似加大加氢站基础设施建设，鼓励燃料电池核心技术研发等建议，并希望国家可以进一步加大扶持力度，以推动氢燃料电池产业的发展。

　　

 

　　3、车用能源的“终极形态”

 

　　氢燃料电池汽车所使用的氢能是一种二次能源，因为它可以由水制取，同时排放物也是水，所以被誉为世界上最干净的能源。很多科学家还认为，由于氢能几乎取之不尽用之不竭，所以将成为世界能源舞台上一种举足轻重的二次能源。

 

　　而相比目前常见的传统燃油车和纯电动车，氢燃料电池汽车也具有十足的优势。和传统燃油车比，它在排放上可以做到真正的零碳排放，具有节能减排的属性。和纯电动车相比，又具备加氢快，续航强的优势，同时还不用担心未来锂电池的处理问题。可以说，氢燃料电池汽车既解决了传统燃油车对环境的影响，又解决了纯电动汽车的里程焦虑以及充电时间过长的等问题。因此，氢燃料电池也被誉为车用能源的“终极形式”。

 

　　我们可以断定，氢燃料电池的发展将在未来几年得到提速，2019年将可能成为中国氢燃料电池车商业化的元年。

　　

 

　　二 、当前我国氢燃料产业状况

 

　　当前，在政府和企业的努力下，我国氢燃料产业和使用氢燃料的新能源汽车的发展已经有了很好的基础和突破。可以说我国氢能产业发展及应用的推进并不慢，从政策层面、研发与市场化层面，都积极推动我国氢燃料电池产业和使用氢燃料电池汽车的新能源汽车高质量发展。

　　

 

　　1、政策层面的引导

 

　　早在本世纪初，我国就在“863计划电动汽车重大专项”项目中，将燃料电池汽车的发展提上了议程，这其中便包含了氢燃料电池汽车。

 

　　近几年来，随着氢能技术产业的逐渐成熟，国家更是加大了扶持力度。从2015年开始，在《中国制造 2025》《国家创新驱动发展战略纲要》《汽车产业中长期发展规划》《节能与新能源汽车技术路线图》《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书》《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》等重要战略规划中，都先后将氢燃料电池汽车列为需要大力发展的产业。

 

　　与此同时，在《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》中的15项重点领域之中，氢燃料电池技术也是位列其一。在2016年发布的《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书》中，更是进一步描绘了中国氢能产业的发展路线图，预计到2030年采用氢燃料电池的车辆将达到200万辆，加氢站数量达到1000座，行业产值突破10000亿元。因此，国家制定引导、扶持性政策是发展氢燃料电池产业和氢燃料汽车的根本保障。

　　

 

　　2、产业层面的发展

 

　　当前，全球氢能产业处于快速式增长期，能源新格局正在形成。而氢能技术发展与未来的产业化将可能带来全球能源安全格局的重大变化。因为，世界主要发达国家从资源、环保等角度出发，都十分重视氢能的发展，而且目前氢能和燃料电池已在一些细分领域初步实现了商业化，所以有关机构预计五年后氢能将迎来产业较大的进展。同时，随着新能源汽车产业发展日趋成熟，作为实现途径之一的燃料电池技术也越来越被重视，由此也将带动氢能产业链的整体发展。

 

　　氢能产业发展会向优势地区集聚。从国际上看，氢能产业主要集聚在美国、加拿大、荷兰、日本等发达国家，其氢能利用技术水平较为先进，如巴拉德、AirLiquide、Daimler、Linde、OMV、Shell、Total、丰田等国际领先的氢能企业均在这些国家和地区。从国内来看，氢能产业也主要集中在经济发达的东南沿海地区，如制氢企业、加氢站等主要分布在环渤海地区、长三角地区、珠三角地区等沿海地区。初步形成了上海氢能产业集聚区、广东佛山氢能产业集聚区、浙江台州氢能产业集聚区、江苏如皋氢能产业集聚区和湖北氢能产业集聚区。我国这几大氢能产业集聚区，必将成为发展氢能产业的基地。

 

　　我国氢能供给体系技术进展较快，制氢方面国内主要关注副产氢纯化、电解水制氢。从环境、成本和效益角度，我国现阶段燃料电池用的氢气来源主要为副产氢纯化。副产氢纯化技术和应用技术是膜分离+变压(温)吸附。这项技术已经发展多年，在工业上有成熟的应用，但因为燃料电池汽车用氢要求高，对去除杂质要求比较严格，因此目前在提纯工艺水平上需要优化和提升。

 

　　今后，随着国家多项产业政策和规划的实施，我国氢能产业已经初见成效，形成了覆盖全国的几大氢能产业集群，并且一些采用氢燃料电池的商用车已在上海、郑州等十余地实现了商业化运营。一向是新能源应用示范田的海南省，更是在今年3月5日印发了《海南省清洁能源汽车发展规划》，明确提出推进加氢站基础设施、氢能示范园区建设。

　　

 

　　3、技术层面的突破

 

　　当前，我国已经在燃料电池关键材料、电堆、动力系统、整车集成以及氢能基础设施等核心技术方面取得了一定的突破，基本建立了具有自主知识产权的燃料电池汽车动力系统技术平台，有些已经达到国际先进水平，实现了燃料电池动力系统与整车的生产能力。其中最关键的氢燃料电池技术，也是最核心材料的质子交换膜、催化剂、气体扩散层、以及双极板都在技术层面取得了突破。

 

　　(1)质子交换膜。质子交换膜是膜电极中最核心的部件之一。对于质子交换膜，有三个主要的技术要求：一是必须具有较高的质子导电性;二是必须有足够低的气体渗透率;三是在运行环境下具有足够的化学和机械稳定性。

 

　　当前在国内，上海有机所、大连化学物理所、武汉理工大学、山东东岳集团、新源动力等是质子交换膜的主要开发和生产单位。以东岳的DF260隔膜为例，膜厚度为15微米，在开路电位情况下耐久性大于600小时，膜在保证性能的前提下运行寿命超过6000小时，干湿循环次数超过20000次，得到AFCC(Automotive Fuel Cell Cooperation，戴姆勒与福特的合资公司)的认可，并给东岳特聘专家、上海交通大学张永明教授颁发了技术达标奖。目前，该膜已经定型量产，二代规划产能20万平方米，至少可满足每年20000辆全功率型FCV的需求。

 

　　(2)催化剂。催化剂以Pt(铂)催化剂为主。中国氢能专家衣宝廉院士在一次专访中曾提到，低Pt催化剂是燃料电池的主要技术方向。当一辆FCV的铂用量低于传统汽车三元催化中铂的用量的时候，就达到了目标。而制备壳型结构的催化剂是降低催化剂用量的一个有效的方法。在“十三五”重点研发计划项目的支持下，大连化物所、上海交通大学、华南理工大学、北京大学、苏州大学等著名研究机构取得了多方面的进展。除此之外，清华大学、重庆大学、厦门大学等研究机构也对非Pt催化剂开发展开了研究，并取得了阶段性成绩。

 

　　(3)膜电极。膜电极方面，武汉理工新能源有限公司早已实现了商业化生产，产能已经达到5000平米，国内开发的第二代膜电极水平和国外商业化膜电极水平差距较小。目前，以开发有序化膜电极和新一代CCM技术为主的研发取得了新的进展。

 

　　(4)双极板。双极板也是燃料电池的核心部件之一。按照功能去命名，叫做“双极集电分离板”更加贴切。基于双极板的作用，其特性必须兼具较好的导电、导热性能，极低的气体渗透率，要有足够的尺寸和足够的强度，还要耐腐蚀。双极板承担着电堆大部分的重量和成本，因此，低成本、轻量化、易生产，是对双极板的具体要求。从材料上看，双极板主要分为石墨双极板、金属双极板和复合材料双极板。目前，国内以开发金属双极板电堆为主要技术路线。尤其丰田Mirai推出钛基双极板燃料电池电堆之后，更坚定了行业开发金属双极板技术方向的信心。双极板技术的难点在于成型、焊接、涂层三个关键步骤。上海治臻新能源装备有限公司依托于上海交通大学的技术力量，已经攻克了双极板成型、焊接、涂层三道技术难关，可以实现双极板国产化、批量化生产，设计年产量可达50万副，至少可供1500辆以上FCV使用。

 

　　综上所述可以看出，我国燃料电池技术与国际领先水平的差距正在缩小，目前已经初步具备了产业化的水平和能力。在今年的两会上，上海交通大学教授、东岳集团首席科学家张永明博士，回答李克强总理对电池膜的问话时说：“从原材料到中间单体，再到成膜，都是我们自己研发的。”李克强总理又问道：“你们另外一张膜怎么样了?”这让张永明博士很感意外，也非常兴奋，因为总理居然还记得近6年前考察公司时了解到的东岳燃料电池膜。他忙拿出另外一张膜说：“这就是我们的燃料电池膜，现在已经走在世界前列。我们已经与奔驰、福特公司建立了合作关系，他们认为我们的离子膜对全球燃料电池汽车的产业化应用非常有意义。”总理听后非常欣慰。因此，技术层面的突破为我国发展氢燃料电池的新能源汽车奠定了坚实的基础。

　　

 

　　三、氢燃料电池的新能源汽车

　　

 

　　1、氢燃料电池是新能源汽车发展的终极动能

 

　　我国纯电动车发展已经有10年的经验，实践证明这是新能源汽车发展的必由之路。从新能源汽车真正意义上讲，电还不是新能源汽车的终极动能，而氢燃料才是新能源汽车的终极动能。现在最大的难点是车载储氢的成本、技术尚未达到最理想的状态，成本偏高。今后一个时期必须解决这个问题，必须靠技术创新——发展新一代车载储氢技术。预计在2030年后，新一代氢能技术或能实现市场化的突破，“被扔掉”的氢将主要是新能源汽车氢能的来源。所以，当前最重要的事情是氢能技术、产业和政策的全方位发展和提升。

　　

 

　　2、发展氢燃料电池新能源汽车的机遇与挑战

 

　　氢燃料电池的特性创造了新能源汽车发展的机遇和挑战。主要表现在以下六个方面：

 

　　(1)氢燃料电池具有良好的环境相容性。氢燃料电池提供的是高效洁净能源，其排放的水不仅量少，而且非常干净，因而不存在水污染问题。同时由于燃料电池不像发动机那样需要将热能转换为机械能，而是直接把化学能转化为电能和热能，能量转换效率高，噪音小。

 

　　(2)氢燃料电池具有良好的操作性能。氢燃料电池发电，不需要复杂庞大的配置设备，电池堆可以模块化组装。例如，一个 4.5MW 的发电装置可以 有 460 个电池组件组成，其发电厂占地面积比火力发电厂小得多。氢燃料电池适合作为分散发电装置。另外与火力、水力和核能发电相比，氢燃料电池电厂的建设周期短，扩建容易，可以完全根据实际需要分期建设。同时氢燃料电池的运行质量高，应对负载的快速变动(如高峰负载)特性优良，在数秒内就可以从低功率变换到额定功率。

 

　　(3)氢燃料电池具有高效的输出性能。氢燃料电池工作时将燃料储存的能量转化为电和热，转换电能的效率在 40%以上，而汽轮机只有 1/3 可以转化为电。

 

　　(4)氢燃料电池鱼油灵活的结构特性。氢燃料电池组装非常灵活，功率大小容易调配，与传统发动机相比，由于氢燃料电池良好的模块性可以在不增加基础设施投资的基础上，通过增减单电池的片数即可轻松实现输出功率和电压的调整，所以建设起来也很容易，而且比较容易实现对电网的调控。燃料电池的这一特点提高了系统稳定性。

 

　　(5)氢燃料电池的氢来源广泛。氢作为二次能源，可通过多种方式获得，如煤制氢、天然气重整制氢、电解水制氢等等。在化石能源被耗尽时，氢将成为世界上的主要燃料及能量。而采用太阳能电解水制氢，过程中没有碳排放，可以认为氢是终极能源。

 

　　(6)氢燃料电池发展存在的问题与挑战。从现阶段发展来看，氢燃料电池的普及遇到一定的瓶颈，主要是政策支持力度、关键技术的突破、市场化的环境因素等。如：制氢、储氢造成电池本身成本较高，配套的基础设施建设滞后等。因此，尽管2018年我国新能源汽车的销量为125.6万辆，同比增长了61.7%。但是氢燃料电池汽车的销量只有1527辆，同比增长20%。由此可见，我国目前存在着重视纯电动汽车发展，对氢燃料电池汽车的发展力度不够。目前市面上销售的氢燃料电池汽车主要使用于城市公交以及旅游景区的固定路线，没有彻底的面向民用消费级市场。其主要原因一是氢燃料电池汽车的研发门槛比较高，厂商不愿意大量资金投入;二是建设加氢站相比于电动充电桩投入的资金更大，而国家对于氢燃料电池汽车的政策资金扶持明显的不如纯电动汽车;三是技术上还有一些瓶颈要继续突破。这些不利因素有望在今后会逐步解决。所以，当前我国发展氢燃料电池新能源汽车任重道远。

　　

 

　　3、我国发展氢燃料电池新能源汽车势在必行

 

　　当前，新能源汽车已在全球范围内形成趋势，新能源汽车是我国战略性新兴产业，以纯电动汽车为代表的清洁燃料的新能源汽车，经过10年的发展，取得了可喜的成果。中国品牌新能源汽车产业链在全球范围内已经占据一定优势。数据显示，截止2018年底，全球新能源汽车累计销量突破550万辆，中国市场累计销售300万辆左右，占全球销量的半数以上。到2030年，带锂离子电池的纯电动车和混合动力车将达8000万辆，而我们规划的燃料电池汽车到2030年大概只有100万辆，这是因为氢燃料电池发展晚10年导致的。

 

　　所以，发展氢燃料电池、发展氢燃料汽车势在必行。因为，氢燃料电池涉及很大范围，在汽车产业里，重心是用于商用车上，但它还有很多用途，如飞机、火车、轮船、发电、储能等，我们应该从能源的角度看这个问题，而不是简单地从轿车的角度看。

 

　　国家发改委和国家能源局在系统内部印发《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》，并同时发布了《能源技术革命重点创新行动路线图》，提出了15项重点创新任务，包括煤炭清洁高效利用技术创新、先进核能技术创新、氢能与燃料电池技术创新、先进储能技术创新、能源互联网技术创新等。

　　

 

　　重点任务

 

　　(1)研究基于可再生能源及先进核能的制氢技术、新一代煤催化气化制氢和甲烷重整/部分氧化制氢技术、分布式制氢技术、氢气纯化技术，开发氢气储运的关键材料及技术设备，实现大规模、低成本氢气的制取、存储、运输、应用一体化，以及加氢站现场储氢、制氢模式的标准化和推广应用。

 

　　(2)研究氢气/空气聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)技术、甲醇/空气聚合物电解质膜燃料电池(MFC)技术，解决新能源动力电源的重大需求，并实现PEMFC电动汽车及MFC增程式电动汽车的示范运行和推广应用。

 

　　(3)研究燃料电池分布式发电技术，实现示范应用并推广。

　　

 

　　战略方向

 

　　(1)氢的制取、储运及加氢站。重点在大规模制氢、分布式制氢、氢的储运材料与技术，以及加氢站等方面开展研发与攻关。

 

　　(2)先进燃料电池。重点在氢气/空气聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)、甲醇/空气聚合物电解质膜燃料电池(MFC)等方面开展研发与攻关。

 

　　(3)燃料电池分布式发电。重点在质子交换膜燃料电池(PEMFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、金属空气燃料电池(MeAFC)，以及分布式制氢与燃料电池(PEMFC 和 SOFC)的一体化设计和系统集成等方面开展研发与攻关。

　　

 

　　创新目标

 

　　(1)2020 年目标。建立健全氢能及燃料电池规模化应用的设计、工艺、检测平台。基本掌握高效氢气制备、纯化、储运和加氢站等关键技术，以及低成本长寿命电催化剂技术、聚合物电解质膜技术、低铂载量多孔电极与膜电极技术、高一致性电堆及系统集成技术，突破关键材料、核心部件、系统集成、过程控制等关键技术，实现氢能及燃料电池技术在动力电源、增程电源、移动电源、分布式电站、加氢站等领域的示范运行或规模化推广应用。其中，PEMFC电源系统额定输出功率 50~100kW、系统比功率≥300Wh/kg、电堆比功率3000W/L以上、使用寿命 5000hr 以上;MFC 电源系统实现额定输出功率5~10kW、系统比能量≥345Wh/kg、使用寿命3000hr以上;开发出接近质子膜燃料电池操作温度、储氢容量高于 5wt%的储氢材料或技术，及长距离、大规模氢的储存及运输技术。

 

　　(2)2030 年目标。实现大规模氢的制取、存储、运输、应用一体化，实现加氢站现场储氢、制氢模式的标准化和推广应用;完全掌握燃料电池核心关键技术，建立完备的燃料电池材料、部件、系统的制备与生产产业链，实现燃料电池和氢能的大规模推广应用。其中，PEMFC 分布式发电系统使用寿命达到 10000hr 以上、SOFC 分布式发电系统使用寿命达到 40000hr 以上、MeAFC 分布式发电系统使用寿命达到 10000hr 以上。

 

　　(3)2050 年展望。实现氢能和燃料电池的普及应用，实现氢能制取利用新探索的突破性进展。

　　

 

　　创新行动

 

　　(1)大规模制氢技术。研究基于可再生能源和先进核能的低成本制氢技术，重点突破太阳能光解制氢和热分解制氢等关键技术，建设示范系统;突破高温碘-硫循环分解水制氢及高温电化学制氢，完成商业化高温核能分解水制氢方案设计。研发新一代煤催化气化制氢和甲烷重整/部分氧化制氢技术。

 

　　(2)分布式制氢技术。研究可再生能源发电与质子交换膜/固体氧化物电池电解水制氢一体化技术，突破高效催化剂、聚合物膜、膜电极和双极板等材料与部件核心技术，掌握适应可再生能源快速变载的高效中压电解制氢电解池技术，建设可再生能源电解水制氢示范并推广应用;研究分布式天然气、氨气、甲醇、液态烃类等传统能源与化工品高效催化制氢技术与工艺，以及高效率低成本膜反应器制氢和氢气纯化技术，形成标准化的加氢站现场制氢模式并示范应用。

 

　　(3)氢气储运技术。开发 70Mpa 等级碳纤维复合材料与储氢罐设备技术、加氢站氢气高压和液态氢的存储技术;研发成本低、循环稳定性好、使用温度接近燃料电池操作温度的氮基、硼基、铝基、镁基和碳基等轻质元素储氢材料;发展以液态化合物和氨等为储氢介质的长距离、大规模氢的储运技术，设计研发高活性、高稳定性和低成本的加氢/脱氢催化剂。

 

　　(4)氢气/空气聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)技术。针对清洁高效新能源动力电源的重大需求，重点突破 PEMFC 的低成本长寿命电催化剂、聚合物电解质膜、有序化膜电极、高一致性电堆及双极板、模块化系统集成、智能化过程检测控制、氢源技术等核心关键技术，解决 PEMFC 性能、寿命、成本等关键问题，并实现 PEMFC电动汽车的示范运行和推广应用。

 

　　所以，落实国家的战略规划必须在今后要着力解决加大加氢站补贴力度，加速氢能源技术研发，明确氢气的能源定位，降低加氢基础设施审批难度，促进我国氢能源技术和氢动能的新能源汽车发展，全面加速氢燃料电池制造与应用的产业化。氢燃料电池的产业化必须具备四个条件，那就是一要有规模化的市场，二要有标准化的产品，三要有专业化的分工，四要有合理的商业模式。如果用这四个标准来衡量，我国燃料电池及在新能源汽车的应用，还有很长的路要走。但是，当前从国家政策、市场需求和企业的努力已经具备了初步产业化的条件。

 

　　有好的土壤，才能孕育出好的技术。不过，目前中国汽车主管部门的思路，是将远程公交、双班出租、城市物流、长途运输等纯电动汽车不能覆盖的市场需求，确定为氢燃料电池的应用场景。这一官方指引，和民间企业的判断，大体一致。另外，根据我国的节能与新能源汽车技术路线图，到2020年将有5000辆氢燃料电池市场，2025年将有5万辆的市场。这些因素，必将带动、促进氢燃料电池和氢燃料新能源汽车的产业化发展。

 

　　作者：北京汽车经济研究会 张 力