康庄or 荆棘？ 探索氢燃料电池汽车的前路

温室效应的加剧导致全球气候变暖，这已经成为影响人类生存和发展的主要因素。“加氢减碳”是实现全球能源转型、中国“碳达峰”“碳中和”目标的必由之路。而在能源转型的道路上，全球诸多国家展现了史无前例的默契：日本、韩国、澳大利亚、德国等国家先后发布了国际氢能的战略，中国的五部委也发布了为期4 年的燃料电池汽车的示范应用工程政策。

氢能，作为一种高效、清洁的能源，是实现双碳目标的重要一环。而燃料电池汽车以其优异的技术表现，和电动汽车形成互补，成为新能源汽车重要的发展路线之一，也是战略新兴产业发展的落脚点。在这样的背景下，燃料电池产业要如何抓住这一变革的机遇，遇到了哪些难题，又该如何在科技创新的道路上继续取得突破？本期特别报道，让我们深入氢燃料电池产业链，听一听业内企业的声音。

氢燃料电池行业的发展现状

氢能是一种优秀的储能介质，可实现多种能源的转化，提供更高的储能密度、更长的存储周期以及超远距离的运输，因此，氢能的利用是绿色发展的一个重要抓手。

氢燃料电池的示范应用可以分为几个阶段，最早由汽车制造企业牵头推动，以2015 年丰田发布第一款Mirai 作为里程碑，完成了氢燃料电池在关键技术以及产业工程技术上的诸多突破，随后逐渐进入到以中国为代表的商用车领域的小规模量产。截至今年，中国燃料电池汽车保有量还不足一万辆，目前主要应用在商用车领域，走向市场化，未来还有非常长的一段路要走。

在重塑集团董事长兼首席执行官林琦看来，氢能和燃料电池的发展进入到一个崭新的台阶可以以2020 年为节点，因为在那之后，行业环境开始有了起色，以氢气为能源的生态建设正在逐步成型。例如，全球主要的油气公司，如中国石化、壳牌等开始在氢能源领域进行长期投资。此外，汽车制造商和零部件企业开始逐步有了氢燃料电池相关的产品规划以及技术投入，例如潍柴动力、康明斯、博世等柴油机零部件企业也在氢燃料电池领域加大了投入，甚至有了相关产品的应用。

对于装备类的企业来说，打通核心技术，同时能够再强链补链去构建完整的产业链，是实现国产化替代的重要步骤。

“目前我们能够实现的零部件国产化率为85%，在上海的本地化率为50%，自主研发的占比为20%，我们以这样的基础逐渐形成产业链，实现目标，预计到2023 年我们的零部件国产化率可以达到100%。”林琦说道。

上海捷氢科技股份有限公司总经理卢兵兵对于国产化替代也分享了捷氢科技的相关成果，“电堆核心部件实现了100% 的国产化，生产和检测设备目前基本实现国产化，200 千瓦以下的研发和测试设备性能比肩国际水平，涂布领域也已经有所突破。而在质子交换膜等氢燃料电池的核心材料方面，还需进一步努力达到国际同等水平。”

“捷氢科技拥有全方位的生产制造能力，具备膜电极电堆、燃料电池系统、储氢系统等全产业链的自主研发和自主生产能力，实现了自动化、数字化和柔性化的生产。我们也和上游企业在合作，进一步优化产品的耐久性等指标，要全面达到世界先进水平，预计在2023 年左右会有突破。依靠规模效应、材料工艺和方法的突破、国产化替代、上下游的全方位的协同以及法律法规的标准规范相衔接配套来实现成本降低。我们的目标是2025 年在部分应用场景实现燃料电池TCU 与燃油车相当。”

复制锂电行业的成功之路？

大功率电堆技术亟待突破为何大家对氢燃料电池如此感兴趣？因为其拥有很长的产业链，既有能源端又有应用端，还有装备产业端，在这样庞大的产业链条之下，从上游的制氢，到下游的储运，都蕴藏着非常大的机遇。

近日，《氢能产业发展中长期规划（2021-2035 年）》发布，并且制定了发展目标。规划提出，到2025 年，形成较为完善的氢能产业发展制度政策环境，产业创新能力显著提高，基本掌握核心技术和制造工艺，初步建立较为完整的供应链和产业体系。氢能示范应用取得明显成效，清洁能源制氢及氢能储运技术取得较大进展，市场竞争力大幅提升，初步建立以工业副产氢和可再生能源制氢就近利用为主的氢能供应体系。燃料电池车辆保有量约5 万辆，部署建设一批加氢站。

可再生能源制氢量达到10-20 万吨/ 年，成为新增氢能消费的重要组成部分，实现二氧化碳减排100-200 万吨/ 年。再经过5 年的发展，到2030 年，形成较为完备的氢能产业技术创新体系、清洁能源制氢及供应体系，产业布局合理有序，可再生能源制氢广泛应用，有力支撑碳达峰目标实现。到2035 年，形成氢能产业体系，构建涵盖交通、储能、工业等领域的多元氢能应用生态。可再生能源制氢在终端能源消费中的比重明显提升，对能源绿色转型发展起到重要支撑作用。

当前，很多人将燃料电池行业的2021 年和动力电池行业的2010 年去做对比。2010 年时，提出十城千辆的电动汽车推广计划，通过7 ～ 8 年的努力，在2018 年时，国内新能源汽车销量刚刚突破120 万辆。而到了2021 年，国内新能源汽车销量已破350 万辆，市场占有率提升至13.4%。动力电池汽车走过了十年，才开辟出来这样一条赛道，这或许能给燃料电池行业也带来一些启示。

“我不赞成弯道超车的说法，其实新能源汽车是开辟了一条新的赛道，从原本机械的动力系统变为由电池驱动。随着续航、补能时间、低温性能、自重等问题解决以后，新能源汽车的发展趋势会越来越好。”卢兵兵表示，“等到基础设施足够完善了，续航是个伪命题。等那个时候，真正比拼的是补能的便利性、低温性能、经济性等。”

“我们希望在以奖代补的政策推动下，可以实现关键领域尤其是电动核心零部件自主掌控，同时性能指标以及成本优势能够走在全球前面。我认为，在政策以及未来整个市场的推动下，燃料电池有机会去复制锂电池的成功之路，目前这一领域中国在全球拥有竞争优势，这也是资本看好国内氢能产业的重要因素。”卢兵兵发表了他的见解。

大功率电堆技术亟待突破

“燃料电池在重型商用车领域已开始有批量化应用，但存在‘小马拉大车’的情形——动力不足、氢耗高，行业突破大功率电堆技术势在必行。”上海氢晨新能源科技有限公司总经理易培云呼吁道。

商用车的应用有几大特点，首先是重载，需要持续的大功率输出；第二是对于耐久性的要求，长寿命成为关键要素；第三是商用车运行环境相对比较恶劣，需要宽温域的运行条件。因此，氢晨科技把产品开发的关键目标锁定在了产品的全生命周期成本，体现了产品的经济性。此外，可靠性也是企业在开发产品的时候着重考虑的要素，因此氢晨科技的技术研发重点是在电堆的材料及工艺以及系统级的控制策略。

“经过长时间的研发投入，我们构建了自己的技术体系，包括面向高精密性的系统设计和控制技术、面向高寒环境的无损的低温冷启动技术以及面向长寿命的电堆材料体系及水热平衡技术。”易培云说道。

相较于石墨（复合）板电堆，金属板电堆在功率、功率密度、重量、体积、抗振、批量制备、冷启动等方面优势明显。那目前金属板电堆的技术难点在哪里？其遇到的瓶颈有哪些？

首先，燃料电池的运行环境很恶劣：高电压、高氧化、高湿度，导致金属板的抗腐蚀性非常难，影响寿命。其次，金属板的设计与加工制造的难度非常大：阴极板与阳极板高度关联，不能独立设计；冷却液流场由阴极流场背面和阳极流场背面组成，无法单独设计；极板在冲压、清洗、焊接、镀层等几个工序都有变形的可能性；需要考虑板材的特性与加工难度，不能有分子水平大小的针眼；极板的面积越大，加工难度越大。

“从燃料电池发明到今天已有100 多年的时间了，为什么到今天才觉得有希望用？主要是因为制造太难了。”易培云说道，“以100kW 的电堆为例，单片金属板的面积大约在700 平方厘米，它大概有400 个双极板、400 个膜电极，800 个密封圈，密封长度大概1500 米，如果按照单件来算的话，大概有4000 多个零件，要把这些零件全部串联在一起，同时要确保碳值均匀不泄露，难度非常大。”

在易培云看来，燃料电池要实现产业化，需要突破三个难题：一是材料设计，二是流体设计，三是工艺装备设计。“我们的目标就是把电堆做好。我认为燃料电池的体积目前已经做到和发动机相当，而其寿命的验证时间非常长，目前开发迭代的速度也非常快，目前还没有一代产品真正完成全生命周期的验证。”他说道，“对于燃料电池的核心技术，例如电堆里的两个膜电极以及双极板，还有膜电极的核心材料，则需要整个产业链共同努力去突破。”

“燃料电池行业迎来黄金10 年”

业内人士普遍认为，到2025 年左右，氢燃料电池产业会迎来拐点，燃料电池汽车的数量会实现突破。“随着十四五结束以后政府规划的加氢站落地，国产替代化到时候也比较成熟，加上对应的法律法规也都配套齐全了，我认为到2025 年燃料电池汽车会迎来第一个拐点。随着基础设施完善，氢的可获得性改善，国产化替代问题已经完全解决，硬件成本和电池系统、电堆BOP 成本急剧下降，再通过4~5 年的努力，预计2028 年~2030 年会迎来第二个拐点，氢燃料电池汽车可与其他车型具备一样的成本优势。”卢兵兵分享了他对氢燃料电池汽车未来发展趋势的判断。

在林琦看来，除了中国，国外很多企业开始把目光放向氢气作为能源用于燃料电池发电的各种应用。随着能源类的投资加码，产品走向成熟，应用场景拓展，加上政策支持，在这四个维度之下，他认为燃料电池行业从2020 年起就开始迎来高速发展的黄金10 年。“这是一个关键的时间窗口，相信同行也会看到曙光。”

此外，他认为中国有非常好的产业基础和市场环境。“首先，中国的商用车在全球的占比非常大，重卡也拥有全球近1/3 的保有量。其次，我们有很好的政策体系，在过去十年锂电行业的发展下，我们对新能源汽车发展有一定的经验。在商用车的场景中，我们的产业基础也非常好。在这样的环境下，我认为中国市场能够帮助氢能燃料电池产业走上一个新台阶。”

“目前全球燃料电池汽车已进入示范应用阶段。除了车用领域，氢能也将应用在生活中的各个场景。”林琦透露，为此，重塑集团正加快寻找和验证新市场机遇增长点，如海外车用领域，国内工程机械、船舶、氢储能、分布式发电领域。同样在商业模式搭建上，重塑集团主导构建产业发展生态圈，联合产品端、能源端、场景端共同构建项目联合体，保障示范任务高质量完成。

随着我国燃料电池行业的快速发展，燃料电池汽车已经进入产业化的初级阶段，当前，氢能与燃料电池产业发展受到国家高度重视。氢能与燃料电池汽车产业化进程正加快，这需要行业上下游企业坚持自主创新，协同创新，加强安全意识，以满足车规级品质要求。对于“卡脖子”的技术难点，以及燃料电池关键材料和部件的批量生产及成本问题，需要行业上下游的共同努力。由“氢”变重，相信燃料电池汽车的大规模商业化应用就在不远的未来，我们也期待这条新的赛道上能够有更多丰硕的成果！

来源：荣格-《国际汽车设计及制造》


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