鉅大LARGE | 點擊量：742次 | 2021年12月22日
我國燃料動力電池汽車發展情況及建議
大力發展新能源汽車是應對全球能源短缺和環境污染的重大戰略舉措。在眾多的新能源汽車中，燃料動力電池汽車因其具有零排放、效率高、燃料來源多元化、能源可再生等優勢而被認為是未來汽車工業可持續發展重要方向，是解決全球能源問題和氣候變化理想方法，因此，世界重要國家和組織投入大量資金用于燃料動力電池汽車關鍵技術攻關。目前，國際燃料動力電池汽車現已進入技術與市場示范階段。在國際競爭日趨激烈環境中，隨著技術研發和試驗考核不斷深入，我國燃料動力電池汽車面對著發展后勁不足，技術創新突破難、產業化基礎薄弱、專業人才缺乏等難題，嚴重阻礙了我國燃料動力電池汽車技術進步，因此，我國要抓住新能源汽車戰略性新興產業培育和發展的政策機遇，發揮政策引導用途，聚焦重大、重點突破燃料動力電池汽車關鍵技術和共性技術，穩步推進燃料動力電池汽車技術進步。
一、國外燃料動力電池汽車發展現狀
長期以來，世界各國政府和重要汽車集團都高度重視燃料動力電池汽車研發，投入大量資金用于燃料動力電池汽車及氫能研發、試驗考核和市場培育。繼在第六框架計劃中拿出大量資金用于燃料動力電池汽車和氫能研究，2009年，歐盟批準燃料動力電池和氫能技術項目行動計劃，計劃從歐盟第七框架計劃中拿出4.7億歐元，持續資助燃料動力電池汽車及基礎設施技術研發。德國政府高度重視燃料動力電池汽車及氫能研發，交通部、環境署、經濟部等部門聯合啟動燃料動力電池及氫能國家創新計劃，擬與公司聯合資助14億歐元，用與燃料動力電池汽車、氫能等關鍵技術研發，以確定德國在燃料動力電池汽車領域的國際領先地位和競爭力。以經產省為代表的日本政府高度重視并持續開展燃料動力電池汽車和氫能開發，在過去30年時間內先后投入上千億日元用于燃料動力電池汽車和氫能的基礎科學研究、技術攻關和示范推廣。隸屬于經產省的燃料動力電池商業化組織(FCCJ)先后與2009年七月和2010年七月公布了《燃料動力電池汽車和加氫站2015年商業化路線圖》，明確指出2011年-2015年開展燃料動力電池汽車技術驗證和市場示范，隨后進入商業化示范推廣前期。為落實燃料動力電池汽車在日本的推廣，2011年一月，包括豐田、本田、尼桑三大汽車廠商在內的日本13家汽車和能源公司共同簽訂協議，決定在東京、大阪、名古屋和福岡四大都市圈的市區和高速公路上建立100座加氫站，并通過完善設計、改善生產技術等方法大幅降低燃料動力電池汽車生產成本，培育燃料動力電池汽車市場。美國政府對燃料動力電池汽車支持在布什任職期間達到頂峰，在奧巴馬政府期間，美國能源部宣布從美國振興計劃(AmericanRecoveryandReinvestmentActFunding)中撥款4190萬美元支持燃料動力電池特種車的研發和示范，另在2011年美國財政預算中安排5000萬美元用于燃料動力電池和氫能技術研發。此外，加拿大、韓國、澳大利亞、巴西、法國和英國等國家政府積極支持燃料動力電池汽車和氫能研發。2009年，戴姆勒、福特、通用、豐田、本田和現代汽車6個世界重要汽車公司簽署備忘錄，持續開展燃料動力電池汽車研發，計劃于2015大力推廣燃料動力電池汽車，并快速形成幾十萬輛燃料動力電池汽車保有量。與此同時，在德國交通部長見證下，德國巴符能源公司(德國第三大電力公司)、奧地利OMV石油公司、殼牌公司、法國道達爾公司(全球第四大石油化工公司)和瑞典Vattenfall(歐洲第五大能源公司)等全球大型能源公司簽訂備忘錄，決定在德國建設燃料動力電池汽車基礎設施以促進燃料動力電池汽車在德國的推廣。
經過長時間、持續穩步的支持，國外燃料動力電池汽車產品的可靠性、環境適應性(如低溫啟動性能)取得了重大突破，示范運行不斷深入，并陸續推出用于租賃商業化示范的先進燃料動力電池汽車，燃料動力電池汽車進入技術與市場示范階段。產品成本控制與配套基礎設施建設成為制約燃料動力電池汽車商業化推廣重要因素。
二、國內燃料動力電池汽車發展現狀
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
在國家“十五”“863”計劃電動汽車關鍵技術重大科技專項和“十一五”節能與新能源汽車重大項目支持下，我國燃料動力電池汽車技術研發取得重要進展，基本掌握了整車、動力系統與關鍵零部件的核心技術;建立了具有自主知識產權的燃料動力電池汽車動力系統技術平臺;形成了燃料動力電池發動機、動力鋰電池、DC/DC變換器、驅動電機、儲氫與供氫系統等關鍵零部件配套研發體系，具有百量級燃料動力電池汽車動力系統平臺與整車生產量力。研制的“超越”系列、“上海牌”、“帕薩特”、“奔騰”、“志翔”等燃料動力電池汽車經受住了大規模、高溫、大強度示范考核，成功服務于2008北京奧運會和2010年上海世博會。在燃料動力電池關鍵基礎技術研究方面，開發出高活性、抗聚集的電催化劑，以及高比表面積、抗氧化的擔體，開發出了與國際商品化水平相當的增強型符合自增濕質子交換膜，研制出高導電性/高穩定性碳紙，初步解決了雙極板的抗腐蝕和導電性問題，掌握了絲網印刷膜電極技術。在燃料動力電池汽車整車及動力系統平臺前沿技術方面，建立了燃料動力電池汽車動力系統平臺設計理論和方法，探索了基于模塊化思想的整車柔性適配技術，研發了燃料動力電池汽車功率控制單元及其它關鍵零部件，開展了燃料動力電池汽車整車可靠性、電安全、氫安全、一體化熱管理、智能容錯控制、碰撞安全性等關鍵技術研究。在公共平臺建設方面，形成了燃料動力電池汽車開發軟、硬件測試環境，建立了國家級燃料動力電池、系統平臺和車輛工程技術中心或測試基地，制定了8條燃料動力電池汽車及氫能專用國家標準。但是，受限于傳統車輛開發技術水平、燃料動力電池發動機功率密度、動力系統可靠性、整車環境適應性等性能限制以及商業推廣模式研究和基礎設施建設滯后等因素，我國燃料動力電池汽車仍然處于技術驗證與特定考核試驗考核階段。
三、國內外燃料動力電池汽車技術狀態比較分析
(一)燃料動力電池整車集成技術
如表1所示，我國自主開發的燃料動力電池汽車在車型開發、整車動力性、續駛里程、燃料動力電池發動機功率等方面與國外存在一定的差距，在等效燃料經濟性水平和車輛噪聲水平與國外基本處于同一水平。
在燃料動力電池汽車車型平臺開發方面，國外已經由基于傳統車輛平臺改造形成燃料動力電池汽車模式走向為燃料動力電池汽車打造全新整車平臺階段，如本田汽車公司Clarity，豐田汽車公司FCHV,戴姆勒奔馳公司F-Cell和通用公司ChevroletEquinox等均是為燃料動力電池汽車動力系統技術平臺而全新打造的專用化整車平臺，基于這些整車平臺，國外汽車公司開展了如空氣動力學性能、輕量化、車身碰撞安全性、底盤系統主動控制以及面向舒適性的人機界面與人機工程等研究。在國內，以上汽股份、上海大眾、一汽、長安、奇瑞等公司為代表開發的燃料動力電池轎車均基于傳統內燃機車輛進行改制，尚未掌握燃料動力電池汽車專用車身開發、底盤開發、底盤動力學主動控制等關鍵技術，與國外存在較大差距。
在車輛動力性能方面，重要受限于燃料動力電池功率輸出水平和整車集成及輕量化技術水平，我國燃料動力電池汽車整車加速性能明顯低于世界主流燃料動力電池汽車加速性能。
在車輛續駛里程方面，到目前為止，我國基本掌握了350Mpa高壓儲氫和加注系統關鍵技術，實現高壓氫氣瓶等部件國產化開發，但某些關鍵閥門、傳感器還依賴進口，700Mpa氫氣存儲關鍵技術和關鍵部件仍然處在研發階段，其直接制約了我國燃料動力電池汽車續駛里程提高。
在整車燃油經濟性水平、車外噪聲水平上。我國燃料動力電池汽車與國外同類型汽車處于同一水平甚至領先地位(參考2006年法國必比登挑戰賽結果，燃油經濟性等效為傳統內燃機汽油消耗：3-3.5L/100公里，車外加速噪聲維持在70dB左右)。
注：1-我國城市循環工況;2-NEDC工況;3-EpA工況。
(二)燃料動力電池發動機技術
在燃料動力電池發動集成度方面，我國轎車用燃料動力電池發動機輸出功率等級、功率密度等性能參數明顯低于國外同類型燃料動力電池汽車用燃料動力電池技術性能(國外燃料動力電池電堆質量功率密度已超過1600W/kg，體積功率密度已超過2700W/L;而國內燃料動力電池電堆質量功率密度維持在700W/kg左右，體積功率密度維持在1000W/L左右)。
在燃料動力電池發動機環境適應性尤其是低溫冷啟動性能方面，國外燃料動力電池汽車已經實現甚至環境中冷啟動，并在北歐瑞典地區開展冬季寒冷工況下實車道路實驗。相比國外，我國燃料動力電池汽車冷啟動性能基本上還處在水平，燃料動力電池電堆也僅在實驗室中實現環境中啟動。
在燃料動力電池發動機可靠性、壽命方面，國外燃料動力電池電堆2010年壽命水平比2003年提高兩倍，其中燃料動力電池質子交換膜已經超過7300h(采用美國3M公司的MEA)，電堆實驗室壽命提高到5000h以上，安全性和可靠性水平基本達到了傳統內燃機汽車同等水平。在整車可靠性和壽命方面，其性能已經基本滿足整車產品需求。戴姆勒奔馳汽車開發的F-Cell系列樣車已經進行了總共超過450萬公里的路試。美國UTC公司通過改進燃料動力電池系統控制策略，規避或減緩由起停、動態加載、低載怠速、零下儲存與啟動等過程導致的燃料動力電池壽命衰減，其與ACTransit運輸公司合作在加州奧克蘭市開展燃料動力電池汽車示范運行，截至2010年六月底，其120kW的燃料動力電池系統(pureMotionModel120)在沒有更換任何部件情況下運行了7000h，遠遠超過了美國能源部制定的2015年5000h壽命目標。相比國外，我國燃料動力電池汽車雖然經受住了北京奧運會、美國加州示范運行和上海世博會等大型國際活動的高溫、高強度示范運行考驗，但燃料動力電池電堆及關鍵部件壽命仍然無法滿足整車產品壽命要求，低壓燃料動力電池單堆動態循環工況試驗運行時間僅突破1500h，預測壽命亦僅2000h。
在燃料動力電池發動機成本控制關鍵技術研究方面，國外一方面研究低鉑燃料動力電池技術，減少催化劑用量，另一方面研究催化劑抗毒性，降低其運行成本，同時還開發非鉑催化劑來代替貴重金屬pt。在低鉑燃料動力電池技術方面，目前國外已經研制低鉑用量燃料動力電池電堆。通用公司通過采用核殼型合金催化劑、有序化MEA等技術，不但提高了燃料動力電池性能，而且pt擔量也得到了大幅度降低，一臺燃料動力電池發動機中貴金屬催化劑pt的用量從上一代的80g降低到30g，并計劃于2015年降低到10g。豐田公司開發的燃料動力電池電堆pt用量也降低到原來的30%。催化劑抗毒性已經成為國際研究熱點，國外科研機構試圖通過提高催化劑抗毒性，使燃料動力電池可以直接利用粗氫發電，從而降低其運行成本。在非鉑燃料動力電池技術方面，國際積極開發其它類型如堿性聚合物膜燃料動力電池，實現催化劑材料非pt化，從而降低燃料動力電池發動機成本。2010年四月，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室宣布，該研究機構已經開發出由碳、鐵、鈷組成的催化劑，其成本非常低，而其性能可以和鉑基燃料動力電池電堆最高水平相比，且在遏制過氧化氫出現等方面明顯優于鉑基燃料動力電池電堆。一系列研究成果直接推動燃料動力電池汽車成本降低，據美國DOE估計，燃料動力電池系統成本已由2002年的275美元/kW降低至2009年的62美元/kW(按50萬套產量測算)。近期豐田公司高層公開宣布，2015年將實現燃料動力電池汽車零售價5萬美元/輛的目標。此外，隨著新研制非鉑催化劑大量使用，燃料動力電池汽車成本還將進一步降低。我國于“十一五”末期已經開始開展燃料動力電池汽車成本控制研究，受限于燃料動力電池發動機和氫氣存儲系統成本，燃料動力電池轎車成本仍然很高。
(三)高壓儲氫系統技術
從表1可以看出，目前國外主流燃料動力電池汽車車型均采用70Mpa的氫氣存儲和供給系統，而國內燃料動力電池汽車的高壓氫氣存儲系統壓力仍然維持在35Mpa水平，這一定程度上影響了我國燃料動力電池汽車整車續駛里程能力。與此同時，國內35Mpa的氫氣存儲和供給系統中的傳感器、閥門等零件還依賴進口，直接導致氫氣存儲與供給系統成本過高。
四、燃料動力電池汽車與純電動汽車技術比較分析
與純電動汽車相比，燃料動力電池汽車具有續駛里程長、低溫冷啟動性能好和能量補充快等優點(見表2)，但產品成本高和基礎設施稀缺;燃料動力電池汽車性能基本滿足用戶需求，必將成為未來高端純電驅動車輛主體車型。隨著新型非鉑催化劑的研制成功和應用，燃料動力電池汽車成本將進一步降低，燃料動力電池汽車市場化進程將大幅提速。
表2純電動、燃料動力電池及傳統內燃機比較分析表
五、存在問題和建議
(一)技術創新與研發投入
1.聚焦重大，重點突破關鍵技術
燃料動力電池汽車是一個“機-電-液-氫”相互耦合用途復雜系統，是一個依賴機械、化工、電力電子、材料等工業基礎的復雜系統，是一個涉及車輛工程、機械工程、材料工程、管理工程、信息工程、交通工程等多學科交叉融合的系統，是一個涉及基礎科學研究、前沿技術開發和新技術應用的科學技術問題綜合體。
鑒于我國的機械、化工、電力電子和材料工業基礎相對薄弱，應發揮集中力量辦大事社會主義制度優勢，從國家層面整合資源，聚焦重大，重點突破燃料動力電池汽車關鍵技術：
1)適合燃料動力電池汽車動力系統技術平臺的全新結構整車平臺
燃料動力電池汽車動力系統技術平臺由于結構復雜、分布式智能控制、系統電壓高、氫氣存儲壓力高、碰撞性能要求高等特點，對整車碰撞安全性、空氣動力學、整車熱管理、底盤主動控制、舒適性、驅動系統拓撲結構提出了新要求，采用傳統車輛改制燃料動力電池汽車已經無法滿足燃料動力電池汽車整車發展趨勢，因此，未來國家科技計劃中應進一步聚焦，開展全新結構燃料動力電池汽車尤其是中高級燃料動力電池汽車全新結構整車平臺開發。
2)燃料動力電池汽車動力系統平臺柔性模塊化技術及其關鍵零部件開發
借鑒國外同類型燃料動力電池汽車“E-FLEX”和“十一五”柔性適配技術等，開展全新結構整車下的動力系統平臺模塊化、一體化、智能化集成設計技術。
3)燃料動力電池發動機壽命、可靠性和環境適應性研究
在燃料動力電池發動機壽命、可靠性和環境適應性性能方面，我國已經落后于國外主流燃料動力電池電堆開發商和系統集成制造商。我國燃料動力電池發動機處在研發關鍵時期，國家應集我國內優勢資源，強強聯合，開展燃料動力電池發動機壽命、可靠性、環境適應性專項攻關，并同步開展發動機系統成本控制方法研究。
4)低鉑、非鉑燃料動力電池電堆研發
低鉑、非鉑燃料動力電池技術是降低燃料動力電池汽車整車成本的重要措施。因此在“十二五”期間科技計劃中，應重點研究高穩定性、抗毒、低pt催化劑與抗氧化、長壽命的催化劑載體;高耐久性、低成本、高質子傳導性的復合膜和烴類高溫質子交換膜;高性能、高導電性炭紙;解決模壓金屬雙極板應力釋放問題，提高雙極板的平整度和耐溫性能;完善表面耐腐蝕導電涂層技術，提高耐久性與穩定性;構建質子、水、電與氣體的有效傳遞通道，研究有序結構的薄層膜電極組件。
研發能滿足低濕條件運行非鉑/低鉑、低成本的pEMFC電堆，提高電堆環境適應性(如抗CO中毒、抗醇性能)，開發以質子交換膜為電解質、中溫、中壓為特點的車用燃料動力電池系統及關鍵零部件技術。
5)氫能基礎設施關鍵技術及安全風險評估
研究固體聚合物電解槽(SpE)電解制氫技術，包括SpE關鍵材料、電堆結構優化、電解系統集成等技術;系統評價35Mpa加氫站(移動/固定)模式、經濟性、可靠性及安全性，全面優化氫氣加注解決方法，開發車載70Mpa高壓儲氫和快速加注系統關鍵技術及關鍵部件。探索適合車用的基于儲氫材料的復合儲氫原理和技術。
6)燃料動力電池汽車商業化推廣模式與市場培育
研究多元互動政策體系、長期激勵機制對燃料動力電池汽車產業化進程用途模式和效果;探索適合燃料動力電池汽車的商業推廣模式的和市場培育方法;研究燃料動力電池汽車市場導入評價標準體系;創建基于“技術鏈”的燃料動力電池汽車研發和示范推廣產業技術創新聯盟。
2.持續支持，加大研發投入
在國內主流大型整車公司疲于建立傳統汽車自主創新能力，小型汽車生產商研發熱情高漲但技術研發基礎薄弱尷尬情況下，國家政府部門應站在加強自主創新能力，建設社會主義創新型國家戰略高度，以支撐培養國家技術創新和知識創新體系建設，支撐汽車產業結構升級，實現汽車工業跨越式發展為目標，發揮政府政策引導用途，發揮社會主義集中力量辦大事的優勢，發揮市場配置資源的基礎用途，持續支持加大新能源汽車研發。此外，燃料動力電池汽車由于其系統的復雜性、綜合性、交叉型等特點，政府部門應進一步加大科技計劃投入，支撐燃料動力電池汽車關鍵技術和共性技術突破。
表3全球重要組織、國家和公司投入燃料動力電池汽車和氫能研發資金統計表
表3給出了世界重要國家對燃料動力電池汽車和氫能的投入情況，分析得到：我國在燃料動力電池汽車整體研發基礎薄弱現狀下，研發投入仍然明顯低于世界重要國家的燃料動力電池汽車研發投入。在國外汽車生產商紛紛將2014～2016年作為燃料動力電池汽車市場導入起點情況下，我國政府更應加大研發投入力度，抓住留給我國約4～6年時間迎頭趕上，提升我國燃料動力電池汽車技術水平，實現新能源汽車跨越式發展。
(二)政策引導與發展環境
3.加大示范財政補貼額度，執行財政積極引導政策
2009年初，財政部、科技部、國家發展改革委、工業和信息化部(以下簡稱四部委)聯合召開啟動會，共同啟動“十城千輛”節能與新能源汽車示范推廣試點工程，決定在公交、出租、環衛、公務、郵政等公共服務領域開展節能與新能源汽車購買試點工作。與此同時，國家頒布了《節能與新能源汽車示范推廣財政補助資金管理暫行辦法》，燃料動力電池轎車、純電動汽車和純電動特種車均納入公共服務用乘用車和輕型商用車類，由于其具有100%節油率水平，分別獲得了國家財政補貼25萬元/輛、6萬元/輛和3000元/kWh標準，如表4。從補貼額度上看，燃料動力電池汽車獲得了更多的國家財政補貼額度，但是從財政補貼與整車成本差值平均值看，由于燃料動力電池汽車整車成本高，在獲得相應國家補貼之后，仍然存在很大的差額，這必將阻礙燃料動力電池汽車示范推廣。因此，政府應調整新能源汽車財政補貼標準，引導燃料動力電池汽車發展。
表4國家財政補貼與車輛成本統計表
4.標準先行，開展燃料動力電池汽車標準體系建設
經過聯系兩個五年電動汽車科技計劃攻關，我國累計頒布了56條國家或行業電動汽車技術標準，初步建立了電動汽車技術標準體系，基本能夠滿足當前電動汽車科學研究、產品試驗、產業化生產指導、產品市場準入和商業化示范推廣應用要，被公認為處于世界前列。但分析已頒布技術標準發現，我國燃料動力電池汽車相關技術標準只有8項，而同期ISO有19項，美國SAE有16項，我國燃料動力電池汽車技術標準嚴重缺乏，如表5。與此同時，在現有8項燃料動力電池汽車技術標準中，其中5項重要圍繞氫能基礎設施，而燃料動力電池汽車整車和零部件分別只有1項，燃料動力電池汽車整車及關鍵零部件技術標準嚴重缺乏，因此在“十二五”期間，國家應該加大投入，進行燃料動力電池汽車(含整車和關鍵零部件的設計、生產和試驗等)技術標準研究，建立燃料動力電池汽車技術標準體系。
表5國家財政補貼與車輛成本統計表
5.積極籌備、規劃未來燃料動力電池汽車氫氣供給網絡
目前全世界已經有200余個加氫站，與此同時，歐洲計劃在2015年前投資5億元建設40個加氫站，韓國擬建50個加氫站，意大利擬建25個加氫站，日本于2012年前再新增10個加氫站，并于2015年前在東京、名古屋、大阪和福岡四大城市市區和高速公路建設100座加氫站，德國巴符能源公司(德國第三大電力公司)、奧地利OMV石油公司、殼牌公司、法國道達爾公司(全球第四大石油化工公司)和瑞典Vattenfall(歐洲第五大能源公司)等全球大型能源公司簽訂備忘錄，決定在德國建設燃料動力電池汽車基礎設施以促進燃料動力電池汽車在德國的推廣。我國在2008北京奧運會和2010年上海世博會大型國際活動背景下共建設了3座加氫站，研制了2輛移動加氫車。隨著燃料動力電池汽車由技術驗證和試驗考核階段向市場培育過渡，“能源供應商-基礎設施制造商-基礎設施運營商-城市規劃、環境測評等政府部門”應以價值鏈為紐帶聯合起來，結合我國能源分布、產業聚集和現有工作基礎，統籌規劃，以點帶線，以線構面，建立“點-線-面”結合的氫氣“制取-運輸-存儲-加注”網絡。在項目初期，應參考日本等相關經驗，設立“氫氣社區”項目，探索氫氣制取-運輸-使用一體化智能社區。
(三)人才培養與國際合作
6.積極培養國際化人才，實現可持續發展
科技創新，人才為本。燃料動力電池汽車和氫能具有涉及多行業、多學科交叉特點，應結合國家人才戰略，積極主動參與全球教育與科技合作，實現立體式、多層次人才培養，人才支撐燃料動力電池汽車技術創新。
7.面向國際，積極參與國際技術競爭與合作
為共同推進燃料動力電池和氫能技術進步，德國、日本、英國、加拿大、歐盟、美國、韓國、我國等國家和組織聯合成立了國際氫能合作組織，開展學術交流和研發信息共享。與此同時，世界重要國家為促進本國氫能和燃料動力電池技術創新，設立了形式各樣的合作交流平臺，如美國FCHEA、日本NEDO、德國NOW、加拿大和英國的HFCA等。相關機構依托該平臺開展政府攻關、公司技術服務和學術科研交流等活動。我國作為世界燃料動力電池和氫能重要力量，應積極主動參與國際合作分工，與上述機構開展合作，并積極參與歐盟第七框架計劃、聯合國環境署、政府間合作協定項目申報和具體執行。在堅持自主創新基礎上，執行開發，引入競爭，跟蹤并引領燃料動力電池汽車和氫能技術進步。
