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中国燃料电池汽车产业链的现状及发展

当今世界正经历从化石能源向氢能等非化石能源过渡的重大转换期,能源领域的革命以及关键技术的突破势在必行。氢能作为二次能源,具有来源广泛、终端零排等优势,更可作为能源互联的媒介,被公认为集中式可再生能源大规模长周期储存的最佳途径,在能源体系中具有特殊的战略地位。以氢为燃料的燃料电池可将化学能直接转化为电能,不受卡诺循环的限制,清洁无污染、发电效率高,其模块化结构有利于在各领域的大范围应用,尤以交通运输及固定式发电领域为重。其中,质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有工作温度低、启动快等优点,是理想的车载能量源。截至2019年12月,全球燃料电池汽车总保有量为24132辆,2019年销量达到10409辆,创历史新高。
燃料电池汽车产业链总体较长,主要包括上游氢气及加氢站、中游燃料电池和下游燃料电池汽车等多个环节,每个环节都对产业的发展起着至关重要的作用。近年来,我国的燃料电池产业链发展正处于提速期,政策措施不断完善,企业数目持续增长,关键技术取得进步。然而总体来看,燃料电池系统细分领域的核心技术尚待突破,氢气储运及加注等关键技术仍存短板,基础设施建设相对滞后。未来,以国家开发燃料电池汽车示范应用为契机,技术革新、市场拓展将被不断推进,我国燃料电池汽车产业前景可期。由于篇幅的限制,本文主要聚焦产业链的中游和下游部分,燃料电池和燃料电池汽车。

一、中国燃料电池汽车产业链发展现状
1.中游:燃料电池
燃料电池发动机分为燃料电池电堆与辅助子系统两大部分,其中燃料电池电堆中的核心材料包括膜电极、双极板及其他部件,辅助子系统中,氢气循环装置、空压机和加湿器等重要组件对于燃料电池系统性能的提升有着不可或缺的作用。
(1)燃料电池电堆与关键材料
经过长足的发展,燃料电池电堆在单堆功率、功率密度和冷启动温度,以及寿命与最高效率等指标上获得了突破,国产电池电堆性能已经达到国际平均水平,而领先企业已与世界先进水平相当。以捷氢为例,其开发的新一代燃料电池电堆功率可达130kW,功率密度3.8kW/L,耐久性达到10000h。与2015年相比,国产电堆普遍的单堆功率由35kW提升至48kW,石墨板、金属板电堆的功率密度分别由1.5kW/L、2.0kW/L提升至2.2kW/L、3.0kW/L,冷启动温度由-20℃提升至-30℃,石墨板、金属板电堆寿命由五年前的3000h分别提升至12000h、5000h,电堆最高效率由55%提升至60%。但整体来讲,国产电堆在比功率、冷启动技术、规模化生产工艺等方面还存在较大进步空间,成本还需大幅降低。
膜电极方面,国内已有自主研发生产线,性能与寿命可与国际先进水平抗衡,且可实现商业化生产。膜电极生产技术经历了热压法、CCM法和有序化膜电极的革新,其中有序化膜电极是下一代膜电极制备技术的主攻方向。
质子交换膜方面,核心材料——全氟磺酸树脂几乎完全依赖进口,市场基本被国外少数公司垄断。国产质子交换膜具有价格优势,但出于稳定性和可靠性的考量,当前用量偏低的情况下,进口膜依然占有主导地位。
催化剂方面,国内产业化尚显空白,产品较为单一,催化剂的批量化制备技术被日本、英国等国外供应商把控。与国际水平相比铂载量较高,这是国产电堆成本偏高的原因之一。
气体扩散层方面,国产炭纸的性能均一性与稳定性尚未得到实验验证,处于初级碳微孔层的制备阶段,产品被日本、加拿大、德国等国家的大厂所垄断,对于大规模生产工艺的开发亟待探索。
双极板按材料主要分为石墨板、金属板、复合板,目前国内以石墨双极板为主,技术指标已与国外相当,但厚度与国际一流水平尚有差距,国内金属双极板的基材开发仍为空白。纯国产复合膜压碳板处于研制开发阶段,预计2021年开始1mm薄板的批量生产。
(2)燃料电池系统及核心零部件
目前,我国燃料电池系统已基本实现国产化,自主研发的燃料电池发动机性能及环境适应性不断提升。以亿华通为例,系统功率已超100kW,功率密度达到500W/kg。国产燃料电池系统普遍额定功率可达到60kW以上,最高效率达到53%,冷启动温度-30℃。系统寿命方面,乘用车、商用车燃料电池系统均已实现2016年发布的《燃料电池汽车技术路线图》中5000h、10000h的目标。但商用车燃料电池系统最高效率与设定的2020年55%的目标还有差距,乘用车燃料电池系统成本由于现有生产规模限制,未实现万套级1500元/kW的要求。
系统关键零部件方面,已实现空压机与氢气循环泵等系统主要部件的国产化,并处于配套及小批量应用阶段:
空压机的主要类型有螺杆式、离心式和罗茨式,目前国内外生产商中80%以上选择离心式空压机作为其产品研发方向,而价格更低、更适合商用重卡应用的罗茨式空压机在国内市场上占据份额较大,2019年出货量占比超过50%。国产空压机可满足燃料电池汽车试运营阶段的需求,但在可靠性和使用寿命上尚待有效验证。
氢气循环泵方面,主要市场份额仍然被国外企业占据,国内可实现小批量供货,主要针对小功率级别的电堆,且产品的安全性、可靠性、系统适配性还待实车验证。除了传统的氢气循环泵技术方案,覆盖全功率范围工作的引射器也是供氢系统的未来重点发展方向之一,国内已有以德燃动力为代表的企业进行了引射-回氢组件的研发与生产。
车载储氢瓶方面,35MPa储氢瓶已实现国产批量化应用,而由于标准法规不够完善、关键材料价格高昂、需求低迷等原因,国际上获得批量生产实用的更具成本与性能优势的70MPa储氢瓶在国内的研发较为落后。不过随着国家标准的放开,针对70MPaⅣ型瓶的布局业已开展,70MPa储氢瓶阀和减压阀取得了突破性进展,同时,以佛山市为例的一些地方政府发布的项目申报通知中也已明确提到,将资助企业突破70MPaIV型氢气瓶的复合材料结构关键技术,促进国产IV型氢气瓶的研制。
2.下游:整车
目前我国燃料电池整车主要由客车和专用车主导,燃料电池乘用车的研发也开始起步。截至2019年底,燃料电池汽车全球销量达到25212辆,我国销量为6178辆,位于全球第二,占比超过四分之一。2019年,我国燃料电池汽车产销分别为2833辆和2737辆,同比分别增长85.5%和79.2%。2020年上半年受疫情冲击,我国燃料电池汽车产量为582辆,较2019年同期的1408辆减少58.7%。车型方面,与2019年相同,仍只产出客车及专用车,无乘用车,其中客车产量为549辆,占据大部分比例。
在政策及规划不断支持的大背景下,我国燃料电池汽车商业化示范运营收获颇丰。燃料电池汽车商业化的示范运行已在北京、上海和广州等36个城市开展,全国累计推广超过6500辆燃料电池汽车,成为世界上运营燃料电池商用车最多的国家,国内已形成华东、华南、京津冀以及华中四个区域性产业集群,覆盖了氢气的制取、储运及应用等全产业链,并在发展燃料电池汽车的过程中摸索各自的商业应用模式。其中,长三角地区副产氢资源丰富,相关产业链基础最为完善,是国内燃料电池汽车运营数量最多的地区之一;广东省对氢能源的政策支持力度大,佛山、云浮的氢能产业布局处于国内前列;北京依托张家口冬奥会这一重大项目,高校以及科研单位,占据明显的技术优势和市场优势;河南郑州、湖北武汉也分别拥有宇通客车、武汉理工新能源等一批龙头企业,发展空间广阔。燃料电池客车技术方面,系统额定功率稳步提升,40~60kW的燃料电池客车占比从2018年的12%提升至2020年的78%,60~80kW占比从2018年的11%提升至2020年的22%。代表性企业有上汽大通、郑州宇通、佛山飞驰、厦门金旅、上海申龙、云南五龙、中通客车等;燃料电池专用车方面,上海申龙、中通客车等企业在上海和深圳等地区实现了轻中型氢燃料物流车的商业化落地,东风、江铃、解放、大运等9家车企也在推出了牵引车、厢式物流车及环卫车型。我国的燃料电池商用车采用电-电混合的技术路线,与国外相比续航里程及整车成本上具有一定优势,普遍达到500km,最高车速达到80km/h,可实现-30℃冷启动,但在燃料电池系统额定功率和整车耐久性方面与国外先进水平还有差距,整车成本较高,商用车的寿命也尚未在实践中得到准确评估。
燃料电池乘用车领域,国外整车性能已能接近传统汽车水平,以丰田Mirai、本田Clarity、现代Nexo为代表的车型已实现量产及销售。国内目前进入发售阶段的燃料电池乘用车有2016年发布的燃料电池轿车上汽荣威950FCV,以及2020年发布的国内首款燃料电池MPV上汽大通MAXUSEUNIQ7。虽然实现量产的燃料电池乘用车型寥寥无几,但国内几乎所有整车企业已经在该领域有所布局,并取得了阶段性成果。


二、总结与展望

现如今,我国已基本掌握了燃料电池整车设计、动力系统与关键零部件的核心技术,基本建立了具有自主知识产权、相对完整的燃料电池汽车产业链,但规模化生产水平仍略有滞后,总体技术水平与国外一流水准差距尚存。相对高昂的制造成本、亟待攻关的核心技术、尚显薄弱的基础设施是制约我国燃料电池汽车产业链进一步发展的主要瓶颈。
未来,在燃料电池汽车产业链的上游,光伏、风电等可再生能源制氢将得到大力推广,形成因地制宜、高效低碳的氢能生产网络;氢能储运方面,发展45PMa以上的高压气态储氢,开展长距离液氢运输以及液氢加氢站应用,逐渐向以液氢为主流的解决方案过渡;车载储氢将以70MPaⅣ型瓶为主,从常温向低温、小容积向大容积发展,随着碳纤维关键材料和高压管阀件的国产化,车载储氢成本将降低60%以上;加氢站的类型将逐渐多样化、专业化、标准化,通过与地方政府的统筹规划,央企与国企将牵头带领加氢站多点开花,形成更加完备的上游产业配套。
产业链中游,燃料电池电堆与关键材料方面,从性能提高与体积降低两方面入手,燃料电池的功率密度将进一步提高。从降低活化极化、欧姆极化和传质极化等切入,研究新型高稳定、高活性的低Pt或非Pt催化剂,稳定性及耐高温性好的复合膜、碱性膜,机械性、加工性、导电性更优的金属及复合材料双极板,改进催化剂、膜、双极板等关键材料的性能;同时降低极板等硬件的厚度,提高集成度等。燃料电池系统方面,零部件高度集成化、系统结构简单化将成为趋势,高度智能化的大功率高性能燃料电池系统成为主流。此外,规模化生产工艺将促进燃料电池制造成本的进一步降低。
下游燃料电池整车领域,将朝着高动力、长续航和系统高度集成化的目标发展,商用车作为整个燃料电池行业的突破口,在原有车型的基础上,推广车型将向载重大、距离长的中重卡倾斜,燃料电池汽车的应用场景将被不断拓宽,在长途客运、牵引车及港口拖车等领域实现全面推广,进而带动乘用车的示范性运营或分时租赁,促进降本及基础设施建设,推动燃料电池技术向私人消费领域深入的进程。
在行之有效的能源管理规范、中央及各地政府的政策扶持、产学研一体化的科学模式、群策群力的技术攻关氛围、完善的测试评估标准体系的保驾护航之下,燃料电池汽车产业方兴未艾,圆满完成我国《节能与新能源汽车产业发展规划》中提出的关于燃料电池汽车“2025年十万辆的应用规模、2030年百万辆的大规模商业化应用”的既定目标,指日可待。

注:本文首发于《汽车纵横》杂志2020年12月刊

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