北京億華通科技股份有限公司 康啟平 劉豔秋
一、燃料電池專用車產業的總體情況
1、國際情況：歐、美、日、韓等國家在推出燃料電池乘用車的同時，也在積極研發燃料電池專用車。
早在2017年4月，豐田發布了其精心打造的零排放氫燃料重型卡車車隊的計劃，希望藉此解決目前汽車燃料的瓶頸問題。豐田氫燃料重卡配備了兩個Mirai氫燃料電池堆以及一塊12kWh容量動力電池，其輸出功率可達670馬力，續駛裡程可以達到320公裡，最大載重為36.3噸。同時，豐田還在美國港口城市洛杉磯，開始對氫燃料電池重型卡車進行可行性測試研究。
2017年9月，UPS聯邦快遞公司在美國加利福利亞州薩克拉門託市投放氫燃料電池物流車。UPS與美國能源部緊密合作，雖然僅有200km增程距離，但這臺物流車已經過5000小時運營測試，參與試運營的物流車更有利於加州各地加氫站的建設。
2017年11月德國郵政DHL集團加入燃料電池汽車陣營，這些燃料電池汽車具有80公裡續航裡程，最高速度85公裡/小時，並且在不久的將來可以實現200公裡的續航裡程和約120公裡的最高時速。德國郵政現在正在測試StreetScooter WORKL公司為燃料電池汽車提供的數百臺驅動裝置。配備這些驅動裝置的這些車輛續航裡程可達500多公裡，德國郵政DHL集團計劃在未來兩年進行試運行工作。
Nikola One是美國尼古拉卡車在2016年5月發布的一款概念型燃料電池電動卡車。這款H2型號的卡車採用氫燃料電池、320kWh鋰離子電池，以及純電傳動系統的組合(概念車上共有6個驅動電機，每軸一個)。據了解，尼古拉氫燃料重卡的輸出功率最高可達1000馬力，按照氫氣罐體容量的不同，續駛裡程從1287公裡至1931公裡，全面超越傳統柴油卡車，尼古拉卡車計劃於2020年正式推向市場。隨後在2018年5月安海斯布希公司向尼古拉公司訂購了800輛氫燃料電池卡車，這些卡車的估計航程在500到1,200英裡之間，量產預計將在2020年開始。
2018年1月在Tractebel協調下，啟動了歐洲可持續清潔城市垃圾運輸的燃料電池垃圾車項目，聯合電動車和燃料電池製造商共同合作開發高性能燃料電池垃圾車。
2018年9月，現代汽車與瑞士H2 Energy公司籤署了關於提供氫燃料電池重卡產品的諒解備忘錄（MOU）：從2019年開始，現代汽車將在為期五年的時間裡，向H2 Energy公司提供1000臺氫燃料電池重卡，車型包括冷藏車及一般箱體車。它採用適用於NEXO氫燃料電池車的兩個並聯的190kW氫燃料電池系統、高性能電機及高效率電池組等核心部件，一次充電可以續航約400公裡。同時，為了確保足夠的行程，還將在駕駛室和箱體之間安裝八個大型氫氣罐。
2018年7月，豐田汽車公司北美公司（簡稱TMNA）發布了氫燃料電池Class 8大型商用卡車的升級版車型，在充滿氫的情況下，常規行駛續航裡程可延長至大約480公裡。
2、國內情況：目前我國燃料電池專用車以物流車為主，並已在北京、上海、佛山、西安等地進行了商業化運營。
2018年以來，廣東國能聯盛新能源汽車有限公司在佛山、雲浮、中山等地實行試運營，25輛氫燃料電池廂式物流新車組成一條綠色、環保的配送鏈，把鮮活農產品等送到佛山、雲浮兩地。
2018年1月，上海陸續投入500輛氫燃料電池物流車進行商業化示範運營，燃料電池系統功率為30kW，攜帶的3個35MPa儲氫瓶，總儲氫量達到10kg，一次加氫時間3-5分鐘，續航裡程可達400公裡。這批燃料電池物流車的業務涉及京東、雲鳥、申通快遞、宜家、盒馬鮮生等配送體系。
2018年3月，西安新青年與陝西晶元低碳經濟服務中心進行合作，共推「西安氫城」計劃，雙方將在氫燃料電池專用車技術研發、整車製造、制氫廠與加氫站建設、氫能配套、氫車推廣、社會公益、項目融資等多個方面攜手推進產業化運營落地，並通過聯合新能源物流車企、物流運營企業和司機用戶的「碳普惠」積分認證體系，共同推進大西安「氫物流」的產業化應用與「碳普惠」平臺低碳減排積分體系的社會推廣，在2018上線運營400輛燃料電池物流車，並建設2座加氫站。同時，計劃到2020年在西安市場投放1000輛氫燃料電池物流車，圍繞西安三環周邊建設8座加氫站。
在環衛專用車領域，2017年12月中國重汽在山東濟南發布了針對環衛領域的新能源輕卡，豪沃氫能源卡車。這款氫能源汽車搭載功率35kW質子交換膜燃料電池加40Ah的鋰離子電池組，能夠滿足汽車的運行需要。電機功率120kW，扭矩達到1100N·m。此車在勻速行駛時，動力電池為驅動電機提供能量，燃料電池則為電池充電。當加速行駛時，動力電池和燃料電池組同時為車提供能量，滿足動力需求。在剎車減速時，摩擦制動能量可以回收，減少能量損失，制動能量回收率超過10%。
2018年2月，陝汽控股在「2035戰略」規劃發布會現場，展示了使用氫燃料電池作為動力的德龍L3000氫燃料環衛車，是國內首款針對城市環衛市場研發的燃料電池專用車。這款車的續航裡程可達300公裡，採用氫燃料電池+動力電池的組合。環衛車的工作區域一般都在城市核心區域，使用清潔無汙染的氫燃料電池車，對於改善城市空氣品質具有很大的環保優勢。
二、燃料電池專用車技術發展情況
1、技術發展特點
1）燃料電池產業鏈情況
經過幾十年的積累，燃料電池產業鏈總體而言，已達到了商業化應用的技術要求。國外燃料電池全產業鏈經過豐田、本田、現代、奔馳等整車企業的培育，已經形成了比較完整的產業鏈體系。國內的燃料電池產業鏈體系基本形成，少量關鍵材料及核心零部件目前還依賴進口，但隨著國內燃料電池產業的快速發展，相信會有更多的資本和企業介入，通過全球資源的技術整合，預期3～5年內在市場驅動下，國產關鍵材料及核心零部件將逐步取代進口。
2）燃料電池關鍵材料及核心零部件
關鍵材料及核心零部件方面，燃料電池電堆已實現國產化並完成批量裝車應用。上海神力自主研發的石墨雙極板燃料電池電堆壽命達到10000h，體積功率密度超過2.0kW/L，綜合性能接近國際水平。但是，國內燃料電池產業鏈還不夠完整，關鍵材料及核心零部件的質量對燃料電池系統的整體性能和壽命影響非常大。儘管膜電極、質子交換膜、催化劑、雙極板、空壓機、水泵具備國產化能力，但在產品性能上需進一步提高。另外，碳紙、氫氣循環泵、增溼器、減壓閥等關鍵材料及核心零部件目前還處於產品研發階段，需依賴進口，使得燃料電池系統成本難以下降。
3）燃料電池專用車
整車方面，國內燃料電池專用車採用電-電混合技術，主要以增程型、能量混合型為主，燃料電池系統功率一般為30～40kW，動力電池容量為20～30kWh，隨著燃料電池系統技術的進步，部分企業根據燃料電池專用車的使用場景開始投入大功率燃料電池系統的研發。北京億華通目前正在聯合北汽福田開發35噸和49噸重卡，燃料電池系統功率超過120kW，整車可實現-30℃啟動和-40℃存儲，達到國際先進水平。
2、主要技術突破點
1）燃料電池系統功率及密度得到了提升。上海神力開發的石墨雙極板燃料電池電堆功率密度大於2.0kW/L，高於國際同類產品。新源動力開發的金屬雙極板燃料電池電堆功率密度達到3.0kW/L，接近國際同類產品。北京億華通研製的燃料電池發動機額定功率密度超過300W/kg，已提前實現了我國商用車燃料電池系統2020年的技術目標。
2）燃料電池系統壽命接近國際先進水平。巴拉德研製的燃料電池系統平均壽命在10000h以上，個別燃料電池系統壽命甚至超過25000h。北京億華通採用國產電堆集成的燃料電池系統壽命達到8000h，逐漸接近國際先進水平，隨著國產化輔助零部件的產品質量不斷提升，國產燃料電池系統壽命將進一步增加。
3）電堆冷啟動性能還需要提高。燃料電池電堆冷啟動方面，國內上海神力、新源動力等企業研製的燃料電池電堆可實現-20℃自啟動和-40℃存儲，與代表國際先進水平的-30℃自啟動還有一定差距，但差距在逐漸縮小。
4）燃料電池系統成本降低。用於催化劑的鉑載量目前已降低到0.4g/kW，武漢理工新能源開發的膜電極鉑載量進一步降低到0.3 g/kW，樣品已進入工程化驗證階段，新型非貴金屬催化劑也正在研發過程中並嘗試替代貴金屬催化劑。關鍵材料及核心零部件逐漸國產化，空壓機、水泵等產品質量不斷提高，多家企業投入氫氣循環泵、增溼器及管閥件的研製，預計2～3年可以實現國產化。
3、目前亟需解決的技術難點及解決方案
儘管目前我國燃料電池專用車已有小批量商業化示範應用，但在燃料電池系統技術、成本和氫能基礎設施配套方面還存在瓶頸，制約了燃料電池專用車的產業發展。
1）燃料電池系統冷啟動性能和耐久性與國際先進水平還有一定差距。燃料電池技術研發起點高，需要大量政府層面的科研資金投入。科技部門設立關鍵材料及核心零部件研發項目，給予相應的資金支持，投入基礎材料研究，實現產品技術突破，提高系統集成及控制技術應用。
2）燃料電池系統成本較高。目前國內膜電極鉑載量為0.4g/kW，而國際先進水平達到0.12g/kW，根據美國DOE的最終目標是將鉑載量控制在0.05g/kW左右。開發低載Pt量、高活性和高穩定性的低Pt催化劑是研究重點，通過優化和改進Pt基催化劑結構、開發新型碳載體來降低Pt負載量，提高Pt利用率。質子交換膜、碳紙、氫氣循環泵、減壓閥等關鍵材料和核心零部件等還主要需要依賴進口，成本較高。國家及地方政府部門應該設立技術攻關項目及資金支持，同時相關研究機構及企業也加大研發力度，實現關鍵材料及核心零部件國產化。
3）氫能基礎設施配套不足。在加氫站建設方面存在管理部門不明確、審批流程不清晰、審批周期長、加氫站建設標準
不完善等問題。同時，由於運營車輛少、國家建站補貼取消，使加氫站投資回報周期長，極大的影響了加氫站的建設積極性和建設進度。政府部門需要在加氫站建設項目審批、建設及運營補貼政策等方面予以支持，完善加氫站建設標準，引導加氫站超前建設布局，推廣油-氫合建站建設，保障氫燃料電池汽車的規模化推廣。建設成本高也是限制加氫站建設的主要原因之一，其中設備費用高達80%。氫氣壓縮機、高壓儲氫罐、氫氣加注機是加氫站系統的三大核心裝備，目前僅氫氣加注機進入產品測試階段，其餘還處於研製處於起步階段。建議以政府為主導，聯合研發機構及企業，集中力量實現技術突破，同時參與國際合作，提高產品技術、性能及品質，從而降低成本。
4、國內外技術差異
我國燃料電池系統集成技術已達到國際水平，燃料電池電堆的功率密度、壽命和低溫冷啟動性能等方面都得到提高。國內外燃料電池發動機的主要性能參數對比如表所示，在系統額定功率、金屬板電堆的體積功率密度以及石墨板電堆壽命方面略低於國外水平，其他性能與國外水平相當。此外，在關鍵材料及核心零部件方面，質子交換膜、碳布、氫氣循環泵、增溼器以及部分管閥件還依賴進口。
表國內外燃料電池發動機主要性能參數對比
三、未來幾年燃料電池專用車技術發展趨勢
未來幾年燃料電池專用車將繼續採用電-電混合技術，但燃料電池系統額定功率將逐漸增大，實現全功率型動力系統轉變。燃料電池系統耐久性提高，達到與整車同壽命。目前依賴進口的關鍵材料及核心零部件將逐漸實現國產化，大幅度降低燃料電池系統成本。燃料電池專用車將採用70MPa高壓儲氫系統，並進一步開發重卡及牽引車等車載液氫技術。
四、未來市場需求分析預測
燃料電池專用車適用於中重型、遠距離等應用場景，主要應用領域有環衛專用車、工程專用車、運輸專用車及其他特種專用車。2016～2018年我國累計銷售3428輛燃料電池汽車，其中燃料電池物流車超過1100輛，佔比達32%。未來，燃料電池專用車在中重型物流車領域將繼續得到快速發展，同時，為緩解城市大氣汙染，環衛專用車和工程專用車領域也將得到廣泛應用。
五、建議
加快質子交換膜、碳紙、氫氣循環泵、減壓閥等關鍵材料及核心零部件的國產化，提高膜電極、催化劑、雙極板、空壓機、水泵等已實現國產化產品的質量和性能，有利於大幅降低燃料電池成本，推動燃料電池專用車的商業化應用。
隨著技術的發展，氫氣在制、儲、運環節能夠實現安全可控，但目前對氫的認識依然停留在危化品階段。需要將氫氣由危化品轉為能源管理，普及氫安全知識、氫使用規範，及時調整氫氣制、儲、運、相關標準，降低成本，適應市場需求，真正發揮氫作為清潔能源的作用。另外，目前IV型瓶技術、液氫技術已經成熟，但缺乏相應規範、標準，導致我國依然採用普通長管拖車運輸氣態氫氣，造成運輸成本高。
國家主導明確加氫站建設主管單位及審批流程，同時對加氫站建設和運營給予補貼支持，加速氫氣制、儲、運及加氫站建設的產業布局，推動燃料電池專用車大規模商業化應用。