鉅大LARGE | 點擊量：707次 | 2021年10月28日
燃料動力電池汽車：產業化怎么樣搶位 ？
文／衣寶廉
目前我國政府非常重視新能源汽車的發展，燃料動力鋰電池汽車具有動力性能高、加氫快、充電快、續航里程長、接近零排放等優點，成為新能源汽車的有力競爭者，也迎來了難得的發展機遇。2018年被稱為氫燃料動力鋰電池汽車產業化快速發展年，展望2019年，我國的車用燃料動力鋰電池技術要在國際上具有競爭力，重要的是要降低成本、提升電堆的工作電流密度和比功率、電池系統的可靠性和耐久性，要科研院所與公司界聯合攻關，大力完善發展燃料動力鋰電池產業鏈，加快促進我國燃料動力鋰電池汽車商業化。
步入產業導入期
過去十多年間，在國家科技計劃和產業技術創新工程的支持下，我國開展了氫能燃料動力鋰電池汽車的研究、開發、示范、運營工作，初步形成了從燃料動力鋰電池電堆、電池系統，到整車研發體系和制造的能力，開展了系統的示范運行。
2014年十二月十五日，日本豐田公司開始銷售MIRAI汽車，同時宣布專利可以無償使用，這對燃料動力鋰電池汽車發展具有重大意義。從國際上看，燃料動力鋰電池汽車已經渡過技術開發階段，進入市場導入階段。從國內來看，燃料動力鋰電池關鍵材料的研究已達國際先進水平，全國政協副主席萬鋼在長春科協年會上指出，氫燃料動力鋰電池在壽命、可靠性、適用性上基本達到了車輛使用要求，我國初步掌握了相關的核心技術，基本建立了具有自主知識產權的燃料動力鋰電池動力系統技術平臺，未來重要是加強協同創新，加快推進燃料動力鋰電池產業的全面發展。
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%
具體來看，在技術層面，氫燃料動力鋰電池發動機功率得到大幅度提升，用70兆帕氣瓶已經可以跑500千米以上，基本上滿足零下30攝氏度啟停工況要求。在電堆方面，國際上燃料動力鋰電池發動機已經達到了四缸內燃機的體積水平，去年本田宣布已經達到了六缸內燃機的水平，功率密度達到每立升3千瓦以上。目前，國內裝車的電堆僅達到每立升2.0千瓦左右，比國外低了1/3左右。
在安全層面，燃料動力鋰電池安全性比較高，但系統比鋰離子電池復雜，同時燃料動力鋰電池的動態響應比較慢。應對這一問題，最有效的解決辦法就是采用電電混合動力——燃料動力鋰電池+二次電池（超級電容器）的方法。二次電池具有削峰填谷的用途，這樣就減少了燃料動力鋰電池功率的變化速度和變化的幅度，在一定程度上彌補了燃料動力鋰電池響應較慢的缺點，同時提高了燃料動力鋰電池的壽命。因此，我國最先研發的氫燃料動力鋰電池技術路線——電電混合技術，也成為目前世界上的主流。
未來，我國將大力推進燃料動力鋰電池在特殊領域的應用，增強相關領域的實力；同時，在民用領域將集中解決壽命與成本兼顧問題，從材料、部件、系統等三個層次進行技術改進與創新，盡快推進燃料動力鋰電池商業化步伐，供應高能效、環境友好的燃料動力鋰電池發電技術，為建立清潔低碳、安全高效的現代能源體系做出貢獻。
規模漸成短板猶存
在具體應用方面，由于燃料動力鋰電池發電原理是電化學，車用效率比較高，可以達到60%左右，因此與純電動汽車和插電式混合動力汽車相比，更適合于大功率、長程的運輸，應用在公交車和重載車方面有明顯的優勢。這也是燃料動力鋰電池車代替柴油車的一個重點領域，早在2015年，由于燃料動力鋰電池乘用車受加氫站的限制，日本豐田和日野合作開發燃料動力鋰電池大巴，準備作為奧運會的通勤車。最近日本豐田公司又開始和美國肯沃斯合作開發重載汽車，準備在美國加州投運10輛氫燃料動力鋰電池卡車，加州空氣委員會為此供應了4500萬美元的資助。
2018年，國內在示范運行層面已經行動起來，比如上海方面表示，準備投入400～500輛商用車示范運行，還要建立動力系統及零部件研發平臺、氫能產業公共服務平臺、燃料動力鋰電池車運營保養中心三個平臺。在河北省張家口，有74輛燃料動力鋰電池車開始示范運行，其運行的意義在于證明寒冷條件下運行的燃料動力鋰電池車只要解決了啟動問題，會比鋰離子電池車更具優越性，可以防止像鋰離子電池受溫度影響比較大的短板。
在公司層面，截至2018年，共有57家公司86個車型入選工信部銷售目錄，其中億華通有23款、廣東國鴻有20款，億華通與神力合作研制了3種類型的燃料動力鋰電池發動機，功率從30千瓦到60千瓦，都已實現裝車示范運行。宇通客車已經開發了三代燃料動力鋰電池車，在鄭州開始示范運行。國鴻氫能引進巴拉德技術后，已經能夠推出30～80千瓦的燃料動力鋰電池電堆，在廣東省云浮市裝載了70輛燃料動力鋰電池大巴車投入運行。
截至2018年底，我國共有2400多輛燃料動力鋰電池車在運行，但運營加氫設施與國外差距較大。從世界范圍來看，截至2017年底，全球運行的加氫站有328座，亞洲119座，歐洲139座，北美68座，南美1座，澳洲1座。其中，日本第一，91座；德國第二，45座；美國第三，40座。到2018年七月，我國共建成加氫站12座并投入運營，在建的加氫站有33座，距離2020年目標建成100座還相差較大。
電堆、系統需兩手抓
2018年十二月初，科技部公布《2019氫能等9大重點專項申報指南征求意見稿》明確提出，將對氫能與燃料動力鋰電池關鍵零部件進行攻關。
目前，雖然燃料動力鋰電池汽車整體應用性能，包括續駛里程、舒適性、加氫時間、低溫適應性，基本都達到了燃油汽車的水平，但面對的問題是沒有大批量的生產線，成本比較高，還要受加氫站的制約。這就要盡快提高燃料動力鋰電池體積、重量比功率，為燃料動力鋰電池商用車應用降低成本，為燃料動力鋰電池乘用車應用打好基礎。
要想降低燃料動力鋰電池發動機的成本，特別是電堆成本，首先要研究提高單體電池的比功率，降低化學極化、歐姆極化和傳質極化。同時，燃料動力鋰電池的壽命是電堆和系統雙方配合的結果，所以同時加強電堆部分、系統部分關鍵部件的研發是今后努力的方向。具體措施包括：
首先，完善燃料動力鋰電池發動機產業鏈，盡快實現電池關鍵材料如電催化劑，質子交換膜、MEA、雙極板等批量生產，為降低電堆成本和提高電堆一致性奠定基礎。例如，建立擴散層碳紙、催化劑、質子交換膜、電極、MEA生產線等，研發生產空壓機、氫氣循環泵等。
其次，提高燃料動力鋰電池電堆的體積、重量比功率，為開發乘用車奠定基礎。開拓燃料動力鋰電池商用車市場也要研發高體積、重量比功率的燃料動力鋰電池電堆。這不僅是為了實現產品體積小的需求，更是為了降低產品成本。要想提高燃料動力鋰電池電堆體積、重量比功率，核心是要提高電堆工作電流密度。目前，國內燃料動力鋰電池電堆單池額定工況的工作電流密度已從每平方厘米0.5～1安培提高到了2～3安培，已經有很大的進步。但要改進燃料動力鋰電池電堆，電堆的工作電力密度要提高，包括制備零部件的一致性和組裝工藝的一致性，否則單片電壓提再高也沒有用。
再次，深入研發電堆的衰減機理，開發抗腐蝕、穩定的新材料，大幅度提高燃料動力鋰電池發動機的可靠性和耐久性。可靠性和耐久性是靠系統和電堆共同來決定的，電堆進步了能促進系統的簡化，所以電堆和系統要相互配合，通過關鍵材料的進步來簡化電池系統。
此外，開展超低鉑、非鉑電催化劑理論與應用研究，從而進一步將燃料動力鋰電池鉑用量降低到小于0.1克/每千瓦，這是國際上燃料動力鋰電池的基本要求。目前，從鉑用量來看，國際上在每千瓦0.2克，國內0.4克左右，因此還要做大量的工作。
最后，建立關鍵部件，包括電堆和電池系統的測試與耐久性快速評價方法。同時盡快建立中立性的檢測機構，這樣對推進我國燃料動力鋰電池技術進步趕上世界先進水平會有重大用途。
從商業化路線圖來看，在2020年前后，隨著技術進步與規模效益的發展，燃料動力鋰電池的成本將不斷下降，競爭力會逐漸提升，燃料動力鋰電池潛在市場也會逐步壯大。在國家大力支持下，通過加強與先進國家合作，在2020～2025年，我們應該能突破關鍵技術，使燃料動力鋰電池汽車能進入S型曲線的起始階段，大幅度的產業化推廣估計要在2025～2030年間。
（作者系我國工程院院士、大連化學物理研究所研究員）
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