本文通過解析我國氫能規(guī)劃的重點(diǎn)方向，分析當(dāng)下氫能動(dòng)力的技術(shù)路線、氫能發(fā)展路徑與潛在的應(yīng)用場(chǎng)景，闡述我國氫能產(chǎn)業(yè)與應(yīng)用端發(fā)展現(xiàn)狀并給予趨勢(shì)研判、發(fā)展建議。

一、我國氫能動(dòng)力技術(shù)主要路線

當(dāng)前對(duì)氫能的利用主要以燃料電池技術(shù)為主，但由于成本高昂，包括催化劑貴金屬、氫氣制取等方面材料與技術(shù)的制約，氫燃料電池技術(shù)還未能在多場(chǎng)景中應(yīng)用中普及。與此同時(shí)，利用氫氣可燃性通過內(nèi)燃機(jī)燃燒的氫動(dòng)力內(nèi)燃機(jī)技術(shù)路線逐漸受到關(guān)注，氫氣與燃料電池、氫內(nèi)燃機(jī)這2條主要技術(shù)路線在應(yīng)用場(chǎng)景中各有利弊，如表2所示。

我國氫燃料電池國產(chǎn)化進(jìn)程

我國燃料電池電堆及系統(tǒng)技術(shù)整體較“十三五”期間有較大發(fā)展，但主要零部件與國際先進(jìn)水平差距各不相同。質(zhì)子交換膜作為膜電極核心材料之一，國產(chǎn)化率不斷提高，2020年國產(chǎn)質(zhì)子交換膜需求量為44000m2，其中，國產(chǎn)質(zhì)子交換膜市場(chǎng)占有率為7.5%。當(dāng)前國內(nèi)單車Pt用量約為0.3g/kW，與國際先進(jìn)水平存在一定差距。針對(duì)Pt資源有限，原料成本高昂的問題，催化劑綜合性能需要進(jìn)一步提升。國內(nèi)石墨雙極板較成熟，金屬和復(fù)合材料雙極板在我國研究起步較晚，技術(shù)和國產(chǎn)化程度仍有2.2氫內(nèi)燃機(jī)需建立適應(yīng)氫氣特性的體系氫內(nèi)燃機(jī)在結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)差距不大，其生產(chǎn)可以依托現(xiàn)有工業(yè)體系，進(jìn)行低成本批量生產(chǎn)，但車載儲(chǔ)氫、爆燃及回火問題仍需關(guān)注。一方面，將氫氣引入發(fā)動(dòng)機(jī)中，需要技術(shù)與裝備支持，解決在有限空間儲(chǔ)存足量氫氣，以保證氫燃料供應(yīng)面臨的挑戰(zhàn)；另一方面，由于氫內(nèi)燃機(jī)自身特點(diǎn)而產(chǎn)生的爆燃、回火安全問題有待解決。若能建立適應(yīng)氫氣特性的內(nèi)燃機(jī)體系，氫內(nèi)燃機(jī)在短期內(nèi)將有力支撐交通減碳。

表2  氫動(dòng)力主要技術(shù)路線特性對(duì)比

二、氫動(dòng)力應(yīng)用場(chǎng)景

2.1 我國氫燃料電池乘商用車發(fā)展階段不同

目前我國已經(jīng)形成涵蓋宏觀政策、財(cái)政優(yōu)惠、技術(shù)創(chuàng)新多方面的氫燃料電池汽車政策體系，隨著2020年國家“以獎(jiǎng)代補(bǔ)”和示范城市群陸續(xù)公布，氫燃料電池汽車相關(guān)政策數(shù)量快速增加，2022年一季度超過200項(xiàng)，相關(guān)地方政策規(guī)劃數(shù)量仍在上升中。各產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)企業(yè)積極布局氫燃料電池，探索商業(yè)化模式，結(jié)合示范政策、市場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀和2022年北京冬奧會(huì)等重大活動(dòng)的需求，我國形成了氫燃料電池商用車先行的布局，尤其是中重型商用車，包括客車和重型載貨車，其采購量和投放量增加，并在全國各地陸續(xù)開展示范運(yùn)營，應(yīng)用場(chǎng)景主要涵蓋環(huán)衛(wèi)、物流、港口運(yùn)輸、城際貨運(yùn)、礦石和渣土運(yùn)輸。對(duì)于氫燃料電池乘用車國內(nèi)企業(yè)積極研發(fā)布局，但尚未形成示范運(yùn)行格局。

2022年10月，工信部發(fā)布《關(guān)于2018—2020年度新能源汽車推廣應(yīng)用補(bǔ)助資金清算審核終審和2020—2022年度補(bǔ)助資金預(yù)撥情況的公示》，2018—2020年期間，共計(jì)有10家車企的2317輛燃料電池汽車通過了專家審核，共獲得國家財(cái)政補(bǔ)貼資金累計(jì)為10.241億元，平均每輛車可獲得補(bǔ)貼金額為44.20萬元。本批次通過終審的車型均為燃料電池商用車，其中，燃料電池廂式貨車和燃料電池客車占比分別為51%、49%，具體情況如圖1所示。

圖1  2018—2020年度燃料電池汽車獲補(bǔ)車型數(shù)量及占比

同時(shí)，2022年前3季度工信部發(fā)布的燃料電池汽車產(chǎn)品公告中，累計(jì)上榜284款燃料電池商用車，總占接近100%，燃料電池乘用車車型僅為3款，如北汽和重慶長(zhǎng)安燃料電池乘用車型（圖2、圖3）根據(jù)終端上牌數(shù)據(jù)，2022年1—9月燃料電池汽車?yán)塾?jì)實(shí)銷2589輛，其中燃料電池貨車和客車?yán)塾?jì)銷量2508輛，占比96.87%，燃料電池乘用車?yán)塾?jì)銷量81輛，占比3.13%。結(jié)合各類數(shù)據(jù)乘商用燃料電池車型占比情況可知，當(dāng)前，我國燃料電池汽車商用車先行，形成初步發(fā)展規(guī)模，乘用車、商用車發(fā)展階段不同。

2.3 我國新能源驗(yàn)證飛機(jī)試飛

航空領(lǐng)域CO2排放量占全球CO2排放總量的2%以上，而氫燃料飛機(jī)具有很多優(yōu)勢(shì)，如液態(tài)氫燃料不會(huì)產(chǎn)生過多排放污染物，與推力相同燃用傳統(tǒng)化石燃料的航空發(fā)動(dòng)機(jī)相比，其燃燒產(chǎn)物主要為水，同時(shí)氫燃料所具有的熱值較高，約為傳統(tǒng)航空燃油的280%。

因此，隨著氫燃料電池新能源技術(shù)的發(fā)展，全球主要國家紛紛布局研制新能源飛機(jī)。2015年，德國航空航天中心推出全球首架氫燃料電池飛機(jī)HY4的研制計(jì)劃。美歐積極倡導(dǎo)氫能動(dòng)力飛機(jī)，布局出臺(tái)了一系列計(jì)劃。歐盟“潔凈天空3”計(jì)劃中強(qiáng)調(diào)，環(huán)保型綠色飛機(jī)需在2035年投入使用。2020年9月，空客公司發(fā)布ZEROe氫能概念機(jī)，預(yù)計(jì)搭載120~200名乘客，航程為3700km左右。2021年年初，英國啟動(dòng)了開發(fā)新型氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的氫電混合動(dòng)力系統(tǒng)（H2GEAR）項(xiàng)目（圖4），初期應(yīng)用于19座通勤飛機(jī)，后將拓展到79~90座支線客機(jī)。

在2017年1月，由中科院大連化物所與遼寧通用航空研究院聯(lián)合研制的我國首架雙座氫燃料電池試驗(yàn)機(jī)在沈陽試飛成功，目前遼寧通用航空研究院正在開展4座氫燃料電池飛機(jī)的研制。2019年3月，中國商飛“靈雀H”新能源驗(yàn)證飛機(jī)（圖5）在鄭州機(jī)場(chǎng)試飛成功，探索飛機(jī)動(dòng)力、氫燃料電池技術(shù)、動(dòng)力系統(tǒng)集成、安全保障技術(shù)在飛機(jī)上的融合發(fā)展。未來，隨著相關(guān)政策與標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)和氫燃料飛機(jī)相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)設(shè)施關(guān)鍵問題的完善，氫能動(dòng)力飛機(jī)將進(jìn)一步發(fā)展。

2.3 我國氫能船舶處于起步階段

在航運(yùn)領(lǐng)域，柴油機(jī)動(dòng)力船舶伴生的能耗與環(huán)境問題日漸突出，如2020年我國航運(yùn)業(yè)二氧化碳排放量約占交通運(yùn)輸領(lǐng)域排放量的12.6%，水運(yùn)交通運(yùn)載工具綠色化是水運(yùn)行業(yè)未來的發(fā)展趨勢(shì)，在此背景下，全球主要國家積極開展氫動(dòng)力船舶研發(fā)。國外氫動(dòng)力船舶產(chǎn)業(yè)發(fā)展相對(duì)成熟，應(yīng)用場(chǎng)景已涵蓋湖泊、內(nèi)河、近海場(chǎng)景，如德國Alsterwasser內(nèi)河氫燃料電池游船，配備2套燃料電池系統(tǒng)，每套峰值功率48kW，最大載客量為100人，美國WATER-GO-ROUND，配備功率為360kW的燃料電池系統(tǒng)，載客80人。

2021年，我國“仙湖1號(hào)”游船利用30kW質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)，載客達(dá)20~30人，同年“三峽氫舟1號(hào)”方案設(shè)計(jì)通過審查，將利用500kW質(zhì)子交換膜燃料電池和電池系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最高航速達(dá)28km/h。未來，我國氫動(dòng)力船舶應(yīng)用場(chǎng)景，可按照先內(nèi)河、湖泊，再近海，最后遠(yuǎn)洋的發(fā)展順序，通過加大氫能利用范圍和規(guī)模，打造氫能航運(yùn)產(chǎn)業(yè)生態(tài)，促進(jìn)重點(diǎn)地區(qū)氫能產(chǎn)業(yè)鏈全面發(fā)展。

2.4 我國企業(yè)布局研發(fā)氫內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)品

與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)相比，氫內(nèi)燃機(jī)具有節(jié)能環(huán)保、輸出功率高的特點(diǎn)，至今已有幾十年的發(fā)展歷史，早在2000年，如福特汽車、寶馬等車企就開始了氫內(nèi)燃機(jī)的研究，國內(nèi)如長(zhǎng)安汽車曾投入資金進(jìn)行氫內(nèi)燃機(jī)研發(fā)。我國在2009年，由北京理工大學(xué)氫內(nèi)燃機(jī)團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)出我國第一輛氫內(nèi)燃機(jī)轎車，并成功行駛超過10000km，目前北京理工大學(xué)氫內(nèi)燃機(jī)團(tuán)隊(duì)基本搭建氫內(nèi)燃機(jī)的整套試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)。2022年，一汽、濰柴、廣汽先后發(fā)布?xì)鋬?nèi)燃機(jī)相關(guān)產(chǎn)品。2022年6月8日，一汽解放自主設(shè)計(jì)研發(fā)的國內(nèi)首款重型商用車缸內(nèi)直噴氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)成功點(diǎn)火并穩(wěn)定運(yùn)行，該款氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)基于13L重型發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，額定功率為372kW，指示熱效率達(dá)到55%，性能指標(biāo)國內(nèi)領(lǐng)先。

三、氫能動(dòng)力建議及展望

3.1 繼續(xù)加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，推廣氫能產(chǎn)業(yè)示范應(yīng)用

在國家氫能戰(zhàn)略的推動(dòng)下，明確氫能發(fā)展目標(biāo)、技術(shù)路線、重點(diǎn)內(nèi)容，通過燃料電池城市群的示范作用，吸取經(jīng)驗(yàn)與不足，逐步完善氫能政策體系和標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)，融合政府、行業(yè)、企業(yè)多方力量，依托我國超大規(guī)模市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，培育壯大龍頭企業(yè)，逐步降低燃料電池制造成本，實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)。

3.2 鼓勵(lì)技術(shù)創(chuàng)新，深度挖掘氫能動(dòng)力應(yīng)用場(chǎng)景潛力

通過設(shè)立氫能相關(guān)技術(shù)研究課題等形式、鼓勵(lì)技術(shù)重點(diǎn)突破，不斷創(chuàng)新。同時(shí)以燃料電池技術(shù)為主要發(fā)展路線，以氫燃料電池汽車為突破口，逐步擴(kuò)大氫能在飛機(jī)、船舶交通領(lǐng)域的應(yīng)用，明晰適應(yīng)我國國情的氫能動(dòng)力技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景，結(jié)合國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)交通全領(lǐng)域的深度脫碳和綠色發(fā)展。

四、結(jié)論

本文通過解析我國氫能戰(zhàn)略，分析了當(dāng)前氫能動(dòng)力主要利用形式及應(yīng)用場(chǎng)景的發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢(shì)。未來，隨著示范城市的推進(jìn)，我國氫能在政策和市場(chǎng)方面都將進(jìn)一步完善，燃料電池電堆及相關(guān)部件關(guān)鍵技術(shù)繼續(xù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化替代及超越，最終燃料電池產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)更大功率、更高功率密度以及更優(yōu)可靠性和耐久性。同時(shí)，氫能動(dòng)力應(yīng)用場(chǎng)景將以燃料電池商用車為先，積累示范應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，逐步擴(kuò)大到乘用車、船舶和飛機(jī)的陸、海、空交通領(lǐng)域，助力氫能實(shí)現(xiàn)交通行業(yè)的深度脫碳，推動(dòng)我國雙碳目標(biāo)有效達(dá)成。(作者：李可)