當前, 全球能源、環境問題日益嚴重, 世界各國都在積極尋求應對方案, 在汽車領域大力推進新能源汽車的目的也正是如此。新能源汽車有不同的類型, 其中, 燃料電池汽車 (Fuel Cell Vehicle, FCV) 不僅能夠在燃料上實現對燃油的完全替代, 而且具有“零排放”、能量轉換效率高、燃料來源多樣並可靈活取自於可再生能源等優勢, 因而被認為是實現未來汽車工業可持續發展的重要方向之一, 也是解決全球能源和環境問題的理想方案之一。
目前, 燃料電池汽車技術尚不夠成熟, 但各國重視程度在不斷提高, 呈現出加大力度推進的態勢。日本、美國、歐盟和韓國等都投入了大量資金和人力開展燃料電池汽車的研究。豐田、本田、通用、福特、奔馳、現代等公司都已經開發出燃料電池車型並進行示範運行, 進入初步應用階段。
對於中國來說, 隨著汽車保有量不斷攀升, 來自汽車產業的能源與環境壓力不斷增大:一方面, 石油對外依存度逐年上升, 已從本世紀初的26%增加至2016年的65%以上, 對能源安全構成了嚴峻挑戰, 實施能源替代迫在眉睫;另一方面, 能源結構中化石能源居於絕對主體地位, 環保壓力巨大, 優化能源結構同樣刻不容緩。氫能熱值較高, 儲量豐富, 來源多樣, 應用廣泛, 特別是具有極佳的環境友好度, 代表著人類能源“脫碳入氫”、徹底避免碳排放的可能前景, 是理想的長期替代能源候選對象之一。從氫能的應用角度看, 燃料電池汽車是重點方向之一, 如果氫能可以在規模龐大、影響廣泛的汽車產業得到規模化的應用, 必將產生深遠影響。也就是說, 發展燃料電池汽車對於改善中國能源結構、推動交通領域低碳轉型以及提升重點產業國際競爭力和科技創新力具有特殊的戰略意義。正因如此, 在《中國製造2025》等綱領性文件中, 中國政府對燃料電池汽車及其相關技術提出了明確的發展規劃, 重視程度不斷提升。
2 燃料電池汽車技術的應用進展
2.1 燃料電池汽車技術簡介
燃料電池 (Fuel Cell, FC) 是一種以電化學反應方式將燃料 (氫氣) 與氧化劑 (空氣) 的化學能轉變為電能的能量轉換裝置。19世紀30年代, 人們提出了燃料電池的初步構想。此後, 隨著技術的發展, 不同級別的燃料電池問世, 並逐步由軍用推廣至民用領域, 如圖1所示。自20世紀後半段開始, 各大汽車廠商紛紛開展了燃料電池汽車的研究, 其中尤其以日本最為領先。目前全世界已有多種高性能燃料電池汽車產品, 初步進入了商業化應用階段。根據電解質的不同, 燃料電池可分為鹼性燃料電池 (Alkaline Fuel Cell, AFC) 、質子交換膜燃料電池 (Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC) 、磷酸燃料電池 (Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC) 、熔融碳酸鹽燃料電池 (Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC) 、固體氧化物燃料電池 (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) 等多種類型, 其使用的燃料和適應的應用場景各有不同, 其中質子交換膜燃料電池具有高比功率、可快速啟動、無腐蝕性、反應溫度低、氧化劑需求低等優勢, 是當前燃料電池汽車的首選。
燃料電池汽車以車載氫氣為能量源, 經燃料電池將氫氣的化學能量轉化為電能, 再以電機驅動車輛行駛, 顯然, 這涉及燃料電池汽車本身以及氫能供應兩方面的全新內容。燃料電池汽車包括車載儲氫系統、燃料電池系統、電驅動系統、整車控制系統和輔助儲能裝置等新元素;氫能供應則包括氫氣從生產、儲存、運輸到加註、使用的全過程。
從整個產業鏈條看, 燃料電池汽車的推廣和應用涉及面廣, 無論對車輛本身還是對氫的製備、儲運、應用等, 都有較高要求。氫的製備主要包括煤氣化制氫、水電解制氫、天然氣重整氣制氫、甲醇裂解制氫等工藝;氫的存儲主要包括高壓氣態儲存、固態氫化物儲存、低溫液氫儲存等方式;相應地, 其運輸方式主要包括車船運輸和管道運輸等;氫的應用層面, 加氫站及其他基礎設施的建設是未來發展的重點。而燃料電池汽車本身, 則是機械、化學、材料、電控等諸多領域的交叉學科。各國正致力於逐步提高性能、降低成本, 以加快推廣應用。
2.2 各國燃料電池汽車技術及其產業化
基於燃料電池汽車的良好前景, 各國對其的關注程度正在不斷提升。日本將氫能利用作為國家戰略方向之一, 對氫能及燃料電池相關產業的發展高度重視。政府、科研機構和企業對燃料電池及燃料電池汽車技術的開發和應用, 持續進行了大量投入, 豐田汽車公司研製的Mirai、本田汽車公司的Clarity, 都是處於國際領先水平的燃料電池轎車產品。美國對燃料電池及燃料電池汽車技術的發展也較為重視, 早在2005年, 即已將氫能列入“主流能源”選擇之一, 並陸續發佈了氫能與燃料電池計劃。美國主要推動了燃料電池汽車在物料運輸等特殊領域的應用, 至2015年, 已有34家企業8 000多輛燃料電池叉車投入運行, 取得了較好的商業化推廣, 同時道路示範車輛也有一定應用。歐盟在歐洲工業委員會和歐洲研究社團等組織的推動下, 在燃料電池及燃料電池汽車方面開展了大量研究與示範應用, 同時, 對用於燃料電池和燃料電池汽車的資金投入、燃料電池車隊推廣項目以及加氫站建設等進行了系統的規劃。
總體而言, 燃料電池汽車正處在由技術研發向商業化推廣過渡的階段, 各國對該技術的重視不斷升溫, 投入持續增加。相比之下, 日本政府對燃料電池及燃料電池汽車技術的推動力度更大, 技術水平也更高, 其先進的燃料電池乘用車車型已經初步實現了商業化, 在燃料電池汽車領域走在了世界前列。
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