从制造燃料电池核心技术、成本评燃料电池汽车产业化

　　根据中汽协数据，2019年1-8月氢燃料电池汽车产销分别为1194辆和1125辆，同比增长7倍和7.3倍。尽管同比增幅很大，但产销的绝对数量仍然很小，离产业化和规模化相差甚远。主要原因是燃料电池等关键部件的核心技术和成本问题至今没有解决，因为燃料电池的核心技术和成本是直接影响燃料电池汽车能否产业化的关键项之一(当然还有加氢、储氢等核心技术，本文暂不探讨)，现作以下评析。

　　众所周知，氢燃料电池汽车系统主要包括空气泵、燃料电池系统，氢气罐及电极驱动系统。氢氧在电堆内部发生电化学反应产生能量，驱动电机、然后驱动整个汽车。目前汽车使用的质子交换膜氢能燃料电池，具有转换效率高、容量大、比能量高、功率范围广、不用充电、零排放等优点，但由于制造燃料电池的核心技术难度大、成本高，系统复杂，汽车领域也只是刚开始初步示范应用，燃料电池离产业化还有想当长的路要走。

　　首先，专家认为氢能燃料电池单电池运行要达到以下三个指标，才标志着燃料电池能真正的实现产业化：

　　第一个是单电池的电压，即在2A/cm2下电池电压要大于0.65V;第二个要使铂催化剂的ORR质量活性大于现有铂催化剂的5倍;

　　第三个是膜电极氧气传输速率大于现在膜电极的2倍。这是三个重要的指标。

　　其次，制造氢能燃料电池中有哪些核心技术需要掌握，才能实现燃料电池的产业化?

　　专家认为，必须掌握制造燃料电池的五大的核心技术，才能实现真正的产业化。

　　第一是催化剂。目前使用的催化剂最可能在商业化汽车中应用的是碳支持的铂金催化剂，但铂的高价格及稀有可能对产业化带来不利。因此降低铂使用量或用非贵金属催化剂取代是目前急需研究开发的。尽管目前有不同的催化剂出台，只有铂催化剂是最实际能用得上的，其他的催化剂如Pt合金、壳-壳、非贵催化剂、单晶形状、金属有机框架等目前仍处在研究前沿。

　　第二个大的核心技术是质子交换膜。目前主要应用的有三类：全氟磺酸膜、增强型全氟磺酸膜、高温型复合质子交换膜。这些膜价格还是比较贵的，稳定性也需要进一步地提升。

　　第三个大的核心技术是膜电极，膜电极目前主要以催化剂/膜/催化剂三合一体的膜电极为主(CCM)。国内有一些公司和研究单位在做，但相对国外还是有差距。

　　第四个大的核心技术是双极板，其中双极板被称为燃料电池电堆的“骨架”(直接影响着电堆的重量和体积)，其可以起到收集传导电流、分隔反应气体、支撑电池以及冷却等作用，并直接决定了电堆的输出功率大小和使用寿命。由于双极板在燃料电池电堆的重要地位，对它也提出了高要求，须具有高导电性和气密性、耐腐蚀性、高机械强度、重量轻等特性，并在实际生产上要求双极板容易加工、尺寸变化率低，成本可控制。目前，双极板按照制造材料，可分为石墨板、金属板和复合板，三类双极板在性质上和应用场景上各具特点，目前双极板品种主要有三种：石墨双极板、金属双极板、复合双极板。后二者是目前研究开发的前沿。

　　第五大核心技术是高压无油空气泵。目前还不能够生产像国外一样高性能的空气泵。氢能燃料电池需要把空气压缩到三个大气压，才能发挥高性能。燃料电池电堆是燃料电池的最核心部分，其核心部件包括质子交换膜和双极板等。

　　关于燃料电池示范运营的情况，也是人们比较关心的。目前燃料电池已经进入第三代燃料电池汽车示范阶段，日本在这方面处于领先地位。国内外各个大的汽车公司都在做燃料电池汽车，中国目前已进入到推广示范阶段。至于氢能燃料电池市场的规模，2017年到2030年有一个预测，呈现一个指数上涨，2030年以前燃料电池汽车将成为全球市场增速最快的细分市场。2025年整个市场将达到230亿美元的巨大市场，其中汽车的燃料电池占近90%左右。另外，氢能质子膜燃料电池已被公认为是电动车的终极主力电源。

　　关于燃料电池商业化方面的进程，是直接关系到燃料电池汽车产业化的发展。燃料电池为什么还没有达到真正的产业化，除了上述的五大核心技术尚未完全掌握外，第一个问题就是太贵。从整体燃料电池堆的价格来看，其中铂催化层及其制造过程的花费就占大约50%左右，另外占比大的就是双极板和膜(具体见下图)。

　　燃料电池汽车成本中最关键的是燃料电池系统成本。而燃料电池系统成本由燃料电池堆、空气供给系统、氢气供给系统、冷却排水系统及电能控制系统等部分组成，其中电池堆成本占比高达 61%，电池堆成本则由催化剂、质子交换膜、双极板和气体扩散层组成，其中催化剂成本占比高达 53%，其他材料占比较为平均，约为 10% 左右(具体如下图)

　　降低燃料电池堆的成本。从而降低燃料电池系统成本是通向产业化的关键，其中降低膜电极(催化剂层和膜的三合一结构)及双极板的成本至关重要。美国能源部对于实现产业化已经设立了目标，其中包括功率密度、燃料电堆发动机的性能等方面。比如燃料电池发动机系统的功率密度要达到850W/L，耐久性要达到8000小时，以及整车的价格要控制在30美元/kW，要达到这三个大的产业化目标，还需继续努力。丰田的Mirai是目前最先进的氢能燃料电池汽车，700公里的续航历程，氢气罐可装700个大气压的氢气。但是要真正能够达到赚钱的水平，可能还需要一定的努力。

　　我国目前与氢能源燃料电池有关的企事业单位，数据统计大约有400多家，这是一个很大的集群。如按区域划分，可以分成7个大的氢产业集群，重点企业间也有相互跨区域的合作。另外，中国燃料电池产业链也已经基本形成，但是还很不完善。目前国内燃料电池与国外的主要差距在什么地方?先比较一下燃料电池汽车。可以看到，中国自主开发的燃料电池在车型开发、整体动力性、续航里程、燃料电池发动机功率、低温启动与国外存在着不显著的差距，但是在关键部件上还是存在一定的差距，比如说高性能空压机、氢循环泵、水泵、散热器、中冷器等还得主要靠进口。尤其是膜电极在性能和可靠性上还赶不上加拿大巴拉德公司的。这些都受制于人，亟待攻关。因此，要清醒地认识在关键材料及器件技术方面我国与国际先进水平的差距。在《中国制造 2025》中明确支持燃料电池汽车的发展，推动新能源汽车与国际先进水平接轨的战略，提出三个发展阶段，首先是关键材料及及零部件实现国产化;其次是燃料电池及电池堆整车性能逐步提升 ; 再者是到 2020 实现 1000 辆、2025 年实现 5 万辆、2030 年实现 100 万辆燃料电池汽车应用规模。

　　综上所述，制造燃料电池的高难核心技术和高昂的成本，是制约燃料电池汽车产业化的根本原因之一，更是制约我国推进燃料电池汽车产业化的重要瓶颈。具体的说，在燃料电池方面，我国要从以下几个方面加大努力，建议政府将其提升到战略高度，进行顶层设计，协调产学研各方面的资源和力量，大力推进燃料电池产业化，从而促进燃料电池汽车产业化：

　　1、降低燃料电池成本、提高耐久性仍然是我们商业化的努力方向，主要集中在催化剂、膜、膜电极、双极板、高压空气泵几个核心技术方面。

　　2、对于质子交换膜燃料电池的可持续发展，研发非贵金属催化剂以取代目前的铂催化剂可能是我们努力的方向。这是因为铂不但非常贵，也很稀少

　　3、要下大力气掌握燃料电池五大核心技术，使我国在燃料电池汽车的竞争力与发达国家相比肩，甚至领先。

　　4、要有明确的推进计划、时间节点、责任人、政府责任部门。