我国燃料电池汽车发展中的痛点问题评析

　　根据中国汽车工业协会数据，2019年1-7月，我国氢燃料电池汽车生产1176辆，同比增长8.8倍，销售1106辆，同比增长10.1倍。从产销同比增长率看，目前我国氢燃料汽车市场发展确实迅猛，但从绝对的产销数值来看，与2019年1-7月的新能源汽车产销近70万辆的数量来比，可以忽略不计，具体比较(见下表，数据来源中汽协)：

　　从上述数据比较可知，当前我国燃料电池汽车销量规模较小，远未达大规模的放量阶段;那么，制约我国目前氢燃料电池汽车大规模发展的主要痛点有哪些?现评析如下：

　　一、 燃料电池使用成本高，是制约我国氢燃料电池汽车发展的痛点

　　从丰田Mirai2014年推出以来，5年时间过去，燃料电池车的售价目前仍高达45万/辆，大部分成本投入在其燃料电池系统上。且由于产业化时间短，燃料电池的单位使用成本同样明显高于传统燃油车及电动车。燃料电池车大规模推广目前急需解决的问题是多个环节的降低成本及提高效率。 燃料电池车目前能耗情况为7.5公斤氢气/百公里，而氢气单价目前为40元/公斤左右，则单位使用成本约为3元/公里。而燃油车、电动车单位使用成本则分别仅为0.49、0.20元每公里。尽管在考虑国补/地补以后，一辆燃料电池客车售价可能低至30万元，其全生命周期的使用成本很高。 依据国家对于氢燃料电池的技术路径，国家对于燃料电池车大规模普及的节点应该设置在2030年左右。 根据欧阳明高博士的公开演讲，储氢系统走向成熟也需要花10年左右的时间。

　　二、储氢、加氢以及燃料电池系统技术瓶颈是”痛点“的根源

　　从上下游角度而言，氢燃料电池相较于锂电池产业链较长，主要可以分为制氢、储/运/加氢、燃料电池及配套装置以及下游应用等环节。 其中，制氢环节主要为石化品制取、工业副产品、电解水等三种方式，真正的关键环节为氢气储运及氢能转化。根据美国能源部(DOE)的测算，对于氢能源车而言，电堆是初期发展的最大瓶颈，成本占比极高，但长期来看储氢/供氢成本占比具备刚性。 根据测算，燃料电池系统成本在年产1k、50k、500k时成本绝对值分别为45、6.6、2.1万元/辆，价值量占比从56.96%大幅下降至14.74%，占比前高后低的主要原因是：

　　1、这一环节最不成熟，前期付出大量研发成本，一旦走向成熟，单纯的材料成本很低;

　　2、燃料电池系统相当于燃油车的发动机，其成本不会随续驶里程提升呈现类似比例扩大。储氢/供氢在年产1k、50k、500k时成本绝对值分别为15.5、4.9、2.2万元/辆，价值量占比从19.62%下降至15.44%。成本具有刚性。

　　如何破解上述痛点?

　　一、 首先要大力发展加氢站。当前发展加氢站的关键是要降低加氢站成本，而降低加氢站成本的核心是设备必须国产化

　　1、我国加氢站数量明显落后于美日等国家。 根据GGII统计，2017年底我国仅有15座加氢站运营，2018年仅有22座，且地区间分布不均衡，50%以上集中在广东、江苏、河北。发达国家如日本、美国、韩国分别为100座、69座、14座在运营。

　　2、与电动车爆发初期相比，电动车存量与充电设施存量之比也远比当前氢燃料电池合理。2014年底，电动车保有量为12.4万辆左右，充电桩保有量为3.1万个左右，充电站保有量约为780座，车桩比为4:1车与充电站的比例为159:1，而2018年底，燃料电池车与加氢站的配置比例仅为127:1，由于目前没有私人/企业加氢设施，均为集中加氢，我国加氢站的发展是严重滞后的。

　　3、加氢站建设成本高，发展进度滞后于氢燃料电池车。 目前一个中等规模加氢站平均建站费用约1000~2000万元，且由于氢燃料电池汽车数量较少，导致加氢站运营难度加大。 加氢站建设成本之所以居高不下，是由于关键设备受制于进口，其中投资占比最大的进口压缩机，占成本比例达到30%左右，其次是进口储氢设备和加氢设备，占成本的比例分别达到20%和15%左右(以日加注量为500kg的加氢站为例，主要成本占比如下)：

　　从以上几点分析可知：目前我国突破加氢环节的重点是：必须加氢站先行，而突破加氢站的关键是以设备国产化为核心，只有这样才能降低加氢站的成本，这是氢燃料汽车产业化的基础。

　　三、积极探索储氢/运氢多种可行性方案

　　储氢目前有多种解决方案，主要的四种方式为高压气态氢、液化氢、化学储氢、吸附储氢等。 在我国使用较为普遍的为高压气态储氢，技术成熟、成本较低，但其储氢密度很难达到国际能源署(IEA)或者美国能源部(DOE)的技术要求。

　　1、高压气态储氢技术 是指在高压下将氢气压缩，以高密度气态形式储存，具有成本较低、能耗低、易脱氢、工作条件较宽等特点， 是我国发展最成熟、最常用的储氢技术。 储罐工作压力须在 35～70 MPa。日本目前正在从制度上鼓励车载氢瓶单次充气压力的安全上限值从70MPa提高到88MPa。

　　该技术的缺点在于：

　　1) 能量密度较低，即使是供太空用的钛瓶储氢重量仅为5%左右;

　　2) 储氢密度受压力影响较大，压力又受储罐材质限制。因此，目前研究热点在于储罐材质的改进。目前，高压储氢储罐主要包括金属储罐、金属内衬纤维缠绕储罐和全复合轻质纤维缠绕储罐。

　　2、液氢储运 是将氢气以液态的形式储存，具备较多优势，也是在日美运用比较普遍的方式。液态氢具有很高的密度，体积比容量大，体积占比小，常温、常压下液氢的密度为气态氢的845倍，能够使得储运简单。这种容器除了制造难度大，成本高昂之外，还存在易挥发、运行过程中安全隐患多等问题。

　　3、化学储氢技术 是利用储氢介质在一定条件下能与氢气反应生成稳定化合物，再通过改变条件实现放氢的技术，主要包括有机液体储氢、液氨储氢、配位氢化物储氢、无机物储氢与甲醇储氢。化学储氢的优势在于储氢密度较高、安全性较高，但往往需要配备相应的加氢、脱氢装置，成本较高;脱氢反应效率较低，氢气纯度不高;脱氢反应常在高温下进行，催化剂易结焦失活等。

　　4、吸附储氢为近30年以来发展的新技术，主要含括金属合金、碳质材料、水合物、金属框架物等等 。吸附储氢最大的优势是较为安全，但一定程度地存在化学储氢放氢难、储氢密度不高等问题，同时其成本相对较高。水合物法储氢具有易脱氢、成本低、能耗低等特点，但其储氢密度较低。

　　因此，如何探索到一种更适合我国储氢的技术方案，是今后突破“痛点”的重要环节。

　　四、研发具备国产化和高温质子交换膜的燃料电池系统

　　燃料电池是一种高效、环保的能源转化装置，相当于燃料电池车的发动机。 它的优点在于能量转化效率比较高，产物只有水，污染小，使用寿命长。按照燃料电池电解质的区别，又可以分为质子交换膜燃料电池、碱性燃料电池、磷酸盐燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池等类型。其中，质子交换膜电池具有电解液保存完整、产物水容易排出、电池使用寿命长等优势，在电动机、分散电站、移动动力源等领域使用广泛。

　　质子交换膜两种方案：常温膜与高温膜，高温膜在电电混动领域大有可为

　　以高温质子交换膜膜电极(MEA)为核心的燃料电池总系统不同于全氟磺酸膜电极，其优势体现在几个方面：

　　(1)工作温度较高，电极的反应动力提高，催化剂的活性提高，从而降低催化剂铂碳负载量，，这样可以有效电池成本。

　　(2)氢气作燃料时(氢气主要通过裂解反应从甲醇或天然气中制取得，CO含量会比较高)，CO在低温下极易毒化阳极催化剂，和催化剂形成Pt-CO络合物，降低催化剂活性。温度的提高同样会使得贵金属催化剂CO耐受性得到了显著提高。

　　(3)水热管理系统简单。

　　(4)由于催化剂用量降低、水热管理系统简单等优势，高温质子交换膜成本较低。

　　然而，高温质子交换膜并非没有缺陷，以代表膜产品PBI(中聚苯并咪唑)为例，纯PBI在常温下是绝缘体，电导率极低，这就需要对PBI进行改性处理，掺杂导电离子，才能提高PBI的电导率。主流的解决方案为将PBI膜浸泡到磷酸当中，得到磷酸掺杂的PBI膜，以提高其电导率然而这又会导致磷酸掺杂的PBI容易溶胀，机械强度降低。并且，在高温的条件下，磷酸容易随着温度过高而流失，导致质子电导率的降低。因而又需要寻找不依赖水和磷酸的质子导体。无机固体酸由于在中高温下具有着比较高的电导率并且运输方便，得到比较大范围的关注，成为主要研发方向。

　　目前，高温质子交换膜已具备一定商用基础。 其重要特性为：可以不依赖高纯氢气制备，储存(含汽车储氢)，可以直接使用甲醇重整出来的含杂质的氢气，燃料电池总系统的复杂程度减低，运行无故障率提高。据据中国能源报报道：日前，由宁波市政府引进，上海博氢新能源科技有限公司运营的全球首个以“甲醇”为加注介质的氢燃料电池生产基地正式奠基。项目选址宁波慈溪，拟投资额约30亿元，规划一期年产能5万台套，将于2019年第三季度投产，可供1万辆甲醇氢燃料电池汽车使用，预计2020年项目将完全建成投产，可实现年产20万台套氢燃料电池。