清華大學—— 徐梁飛 李建秋
2018年國內外氫能與燃料電池行業發生了巨大的變化，多個國家與跨國企業相繼決定加大對於燃料電池的投入，加速燃料電池汽車技術發展。燃料電池客車作為當前最重要的應用載體，其示範運營與技術發展收到了各方的廣泛關注。
隨著跨國公司的持續研發投入與政府的長期政策支持，燃料電池客車技術發展越來越成熟，表1-1是美國可再生能源實驗室所公布的2018年美國燃料電池客車的總體技術現狀。從表中可以看到，現階段燃料電池客車技術在耐久性、可靠性、經濟性等方面都取得了巨大的進步，大量指標已經接近美國能源部2020年目標，目前差距較大的部分仍然在製造成本方面，相比2020年的最終應用目標60萬美金，現階段的單車製造成本仍然在127萬美金以上，降成本壓力仍然很大。
表1-1 美國2018年燃料電池客車技術現狀
需要特別注意的是，經過長期的示範驗證，國際跨國公司與研究機構已經基本解決客車用燃料電池的耐久性問題，取得了具有實用價值的實車驗證結果。圖1-1是美國可再生能源實驗室所公布的2018年美國燃料電池客車運營情況。截至2018年7月，美國境內所有27輛燃料電池的客車的平均壽命已經達到13260h。其中所屬AC Transit的燃料電池客車示範運營時間最長，所用燃料電池電堆主要由UTC Power提供。報告中提到，AC Transit的5輛燃料電池客車累計示範運營時間已經超過25000h，提前滿足美國能源部2020年的性能要求。
目前示範運營中工作時間最長的燃料電池客車在不更換燃料電池電堆的情況下已經工作了29000h，動力系統使用壽命已經與傳統內燃機相當，具備完全商業化的潛能。對比2017年巴拉德宣布在倫敦示範的燃料電池客車運行時間達到2.5萬小時，歐美已經在燃料電池耐久性方面取得了據有說服力的實證結果。
圖1-1 美國燃料電池客車的示範記錄（截止2018年7月）
作為世界上最大的燃料電池汽車市場，中國2018年的燃料電池客車發展速度十分迅速，總體勢頭超出市場預期。
2018年全年中國燃料電池汽車產量超過1600臺，其中燃料電池客車銷量超過420臺，佔比全國銷量50%以上，同比增長260%。在各地政府示範項目的支持下，2018年燃料電池客車採購合同與示範項目大量落地，未來呈現加速增長的趨勢。
2018年之前，中國燃料電池客車示範運營主要集中在北京、上海、廣東等有較好基礎的省份。隨著氫能與燃料電池行業的快速發展，2018年燃料電池客車在全國呈現蔓延趨勢。
4月份，氫燃料電池車商業化營運車隊在遼寧省撫順市新賓滿族自治縣上線。
5月份，中車電動全新一代具備智能輔助駕駛功能的12米氫燃料電池客車交付山東萊蕪與浙江嘉興進行路試。客車使用輪邊電機驅動，動力強勁且無機械差速裝置。
6月份，東方電氣與蜀都客車聯合製造的氫燃料電池客車投入四川成都郫都區運行。
6月份，五洲龍公司所開發的燃料電池客車投入大同示範運營。
7月份，全球首批最大氫燃料電池公交車訂單正式交付張家口，福田歐輝49輛氫燃料電池城市客車正式投入運營，服務冬奧會期間公眾綠色出行。
8月份，宇通燃料電池客車正式投入鄭州使用，這是河南首次使用商業化燃料電池公交車。
9月份，武漢開沃新能源有限公司開發的氫燃料電池動力公交車在武漢東湖新技術開發區進行試運行。
9月份，申沃向上海嘉定公交交付6輛燃料電池客車，進行示範運營。
10月份，宇通向張家口交付25輛燃料電池公交，投入示範運營。
10月份，北京開展首批12米燃料電池客車示範運營。
11月份，佛山飛馳與馬來西亞政府籤訂3臺燃料電池客車訂單。
12月份，中通客車40輛燃料電池公交交付山西大同。
12月份，佛山飛馳70輛燃料電池公交車投入佛山運營。
經過2017年的醞釀，2018年燃料電池客車在國內呈現全面開花的局面。隨著各地氫能基礎設施建設的發展與燃料電池客車示範不斷深入，未來幾年中國燃料電池將處於加速發展階段。
1、燃料電池客車技術發展特點
受限於燃料電池電堆技術發展水平，2018年國內燃料電池客車普遍採用能量型混合動力系統，燃料電池以準穩態對外輸出功率，以儘量減少電堆啟停、大負載、怠速等惡劣工況。類比內燃機混合動力技術，該構型下燃料電池系統類似於增程器，為系統提供總體功率需求的平均值，系統動態功率通過動力電池來滿足。此構型可以顯著提高燃料電池耐久性，改善系統經濟性。
需要注意的是，該構型下燃料電池客車的工況適應性較差，當客車從城市工況轉變為城郊工況，或開啟空調時，整車平均功率需求將會顯著提高，能量型系統的燃料電池一般按照常規工況進行匹配，總體功率需求提高之後可能出現匹配不當的問題，導致系統動力電池的荷電狀態(State of Charge,SoC)不斷下降，無法正常進行營運。
2018年主流燃料電池企業已經基本掌握30kW、40kW燃料電池系統的設計開發技術，並開始推進關鍵零部件的國產化替代，相關產品廣泛應用於2018年生產的燃料電池客車。國內部分企業已經完成60kW與100kW燃料電池系統設計開發技術，為下一步全功率燃料電池混合動力系統的開發奠定了基礎。
2、燃料電池客車實現的主要技術突破點
2018年國內燃料電池客車在整車層面繼續並跑、在燃料電池發動機層面繼續跟跑。部分車型實現如下技術突破點。
1）整車動力性、經濟性水平穩步提升。隨著實車示範數量與地點的大幅提高，全國多個企業技術團隊都實現了燃料電池客車開發的技術迭代，整體動力性與經濟性已經達到國際一流水平。以張家口示範運營的燃料電池客車為例，高海拔環境下單車每天運行250公裡，最長裡程已經超過6萬公裡，實際道路平均百公裡氫耗可達到6.7kg/100km。
2）整車可靠性與環境適應性不斷改善。通過全國多個城市、多種應用場景的燃料電池客車設計開發，客車可靠性與適應性得到了充分驗證。現階段多個企業技術團隊已經實現-40℃存儲與-30℃冷啟動，部分車型具備廢熱利用的綜合熱管理功能，產品適應性顯著提高。
3）燃料電池耐久性逐步提升。通過材料、電堆設計、系統匹配與控制策略優化等措施的改進，燃料電池汽車的耐久性不斷提高，國內產品的預測壽命普遍達到10000小時以上。此外，上汽開發的燃料電池系統首次實現了5000小時的耐久性驗證，是國內公開的最長時間的耐久性測試結果。
3、目前亟需解決的技術難點及解決方案
與純電動客車相比，國內燃料電池客車重點突出高適應性、長續航、快速加氫等優勢，與純電形成差異化競爭。但在實際運營中，燃料電池客車的實際表現與用戶期待相比還要進一步提高，需要在續航裡程、耐久性、可靠性、經濟性與成本等方面進一步突破，亟需解決的技術難點和方案如下：
1）續航裡程
現有的燃料電池客車主要採用35MPa儲氫技術，真實續航裡程普遍在400km以下，部分車型不足300km，行業期待的500km以上續航裡程仍有較大的差距。為了進一步提高燃料電池客車的續航裡程，需要進一步發展燃料電池儲氫技術，基於我國基礎工業情況，深入探索70MPa、高壓深冷、液氫等大容量車載儲氫技術，進一步提高車載儲能能量密度。此外，進一步提高燃料電池經濟性，也有助於提高總續航裡程。
2）耐久性
現階段國內燃料電池客車示範運營還十分不充分，最長單車累計裡程不足8萬公裡，實車燃料電池累計壽命不足3000小時，與國際一流企業還存在較大差距。燃料電池耐久性是一個多層次、多維度耦合問題，為了進一步提高燃料電池耐久性，需要從材料、電堆設計、系統控制與示範驗證等多個方面進行突破。尤其需要注意實車示範數據的驗證與經驗積累，基於當前真實耐久性問題進行產品開發迭代。
3）可靠性
隨著燃料電池客車需求快速增加，企業產能嚴重不足，量產產線、核心零部件缺乏相關標準。從手工組裝過渡到批量化生產，燃料電池客車產品可靠性面臨較大挑戰。為了提高燃料電池客車的可靠性，下一步需要引入傳統客車行業製造生產標準，加快關鍵上下遊企業的聯動設計，通過快速的反覆迭代提高零部件與整體可靠性。
4）經濟性
受益於動力系統的能量型構型設計，我國國產燃料電池客車的百公裡氫耗已經達到7kg水平，在國際上已經處於較優水平，但對應中國的氫能發展目標，還需要進一步降低百公裡成本，才能具備和純電動、內燃機的競爭力。未來需要進一步提高燃料電池的材料活性與發動機設計匹配能力，優化整車空調的綜合能量管理，提升整車總體效率。
5）成本
現階段國產燃料電池客車的製造成本年相比國外同類型客車具有較大優勢，單車售價已經普遍達到美國能源部的最終要求，低於60萬美金。但是與傳統內燃機客車、純電動客車相比，燃料電池客車仍然有較大壓力。為了進一步降低成本，需要加快膜電極、雙極板、空壓機、循環泵、氫瓶等關鍵零部件的國產化替代與降成本，進一步引導相關傳統企業參與其中，通過量產化降低成本。
4、國內外技術差異
國內外燃料電池客車主要技術差異在於動力系統構型設計，國外燃料電池客車主要採用全功率型混合動力構型，燃料電池功率較大；國內由於大功率燃料電池技術還未全面突破，一般採用增程式混合動力構型。此外，由於國內燃料電池行業呈現逐年跨越式發展趨勢，部分示範車型會嘗試使用一些前沿技術，例如輪邊電機、高壓深冷儲氫等。國外相關技術迭代較慢。
三、未來幾年燃料電池客車技術發展趨勢
基於2018年上市車型來看，未來燃料電池客車所匹配的燃料電池系統功率將會逐步提高，從增程型混合動力系統向全功率混合動力系統轉變，適應高速、高續航裡程和高環境適應性的需求。
另一方面，車載儲氫系統將會從35MPa向更高能量密度的技術路線切換，與純電動客車形成更加明顯的技術指標差異性。
四、未來市場需求分析預測
現階段燃料電池客車市場與政策的關係十分緊密。與純電動汽車相似，燃料電池客車也存在年底搶裝現象，2018年12月燃料電池客車的銷售量佔比全年總量的78%，政策仍然是短期決定下一階段燃料電池客車市場最核心的因素之一。
其次，地方市場發展與轉型的決心也是未來燃料電池市場發展的另一個重要因素。受制於前期發展規劃與基礎建設的影響，2018年廣東省深圳、佛山、廣州、雲浮四地區銷售的燃料電池汽車總量佔到全國銷量的60％。此外，北京、張家口地區也是燃料電池汽車主要銷售區域，兩地分別銷售燃料電池汽車90、74輛。隨著山東、四川、大同、嘉興、武漢等省份與城市的氫能與燃料電池發展規劃落地，未來市場需求會呈現井噴式發展。
從使用性能來看，北方地區純電動燃料電池客車冬季續航問題越來越嚴重，在北方、高海拔變化地區，燃料電池客車替換是未來的主要趨勢。
五、其他重要的方面
1、制氫、運氫、加氫基礎設施方面的產業發展與政策推動，對於下一階段更大規模燃料電池客車示範運營具有重要影響。
2、加快布局關鍵零部件的國產化，隨著燃料電池客車市場不斷打開，通過快速迭代降成本與提高產品可靠性是下一階段的關鍵任務。
3、進一步研究大功率燃料電池系統的設計、集成、控制與評價方法。