歐盟實現(xiàn)碳中和的氫燃料電池技術(shù)經(jīng)濟分析

張強 姜明慧 郝旭輝 王永軍

（中國第一汽車股份有限公司創(chuàng)新技術(shù)研究院，長春 130013）

主題詞：碳中和 氫能 氫燃料電池汽車 FCH JU

1 前言

2015年12 月，歐盟與全球195個國家在巴黎簽署了具有里程碑意義的《巴黎協(xié)定》，這是一個非常重要的國際組織的承諾。作為全球協(xié)作的重大突破，《巴黎協(xié)定》的簽署備受全球矚目，其目標是采取具體措施減緩全球變暖，減少溫室氣體排放，降低氣候變化給全球帶來的威脅。世界主要國家已就氣候控制達成基本共識，即相較于工業(yè)革命前，全球溫度的升高幅度必須控制在2 ℃以內(nèi)。

歐盟在緩解全球變暖有很多技術(shù)戰(zhàn)略舉措，其中重要的是包括氫能與氫燃料電池技術(shù)開發(fā)，這是歐盟實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標的重要舉措。氫燃料電池聯(lián)合承諾計劃（FCH JU）就是在這樣的大背景下成立的，在可預見的未來，歐盟將FCH JU置于清潔、可持續(xù)的能源運輸和能源的最前沿。2003年歐盟在氫能愿景報告明確了氫能的重要性和可持續(xù)能源系統(tǒng)中氫燃料電池技術(shù)的重要地位。這是第一個里程碑，即歐盟第1 次將氫和燃料電池視為歐盟委員會的一個重要議題。

1.1 燃料電池和氫能—從歷史中學習[1]

1973年石油輸出國組織（OPEC）宣布了一項禁運，石油的價格迅速翻了兩番。經(jīng)濟和技術(shù)的繁榮戛然而止。對于世界各國政府來說，OPEC 的禁運是一次重大打擊，強迫各國政府改變他們的能源戰(zhàn)略。歐洲各國政府意識到依靠無法控制的石油來源或無法控制安全可能導致危機再次發(fā)生。這迫使歐洲各國政府不可避免地要尋求和開發(fā)替代能源，包括到風能和太陽能等可再生能源。

1.2 讓愿景成為現(xiàn)實：開啟FCH JU計劃[1]

清潔能源轉(zhuǎn)型在技術(shù)上具有更大的顛覆性，歐盟認為這項技術(shù)的全球性比任何以往的工業(yè)變革都會更加激進。美國經(jīng)濟和社會理論家，杰里米·里夫金（Jeremy Rifkin）認為世界的未來是碳后期，可以用'第三次工業(yè)革命'這樣的詞語來形容世界碳后期。

基于經(jīng)濟、清潔、豐富、無限和可再生的特征，氫燃料電池技術(shù)的優(yōu)點是眾所周知的。正是20世紀70年代的石油危機改變了人們的態(tài)度，能夠在一夜之間激發(fā)能量，催化歐盟長達50年向清潔能源的過渡期。歐盟認為這段旅程也是能源產(chǎn)業(yè)的一場革命，即突出了氫燃料電池的潛力，是未來歐洲實現(xiàn)可持續(xù)能源的橋梁，其中電力和氫能將成為主要的能源載體。

到20 世紀90年代，歐洲越來越依賴化石燃料進口。歐盟擔心這可能會嚴重破壞歐洲經(jīng)濟，當時的歐盟委員會主席羅馬諾·普羅迪具有很高政治意識，認為氫燃料電池是解決能源可持續(xù)發(fā)展的解決方案之一，他是歐盟清潔能源系統(tǒng)的重要推動者。

歐盟委員會2000年11月發(fā)表了“邁向歐洲安全戰(zhàn)略”的綠皮書，其中的“能源供應”概述了歐洲面臨的雙重挑戰(zhàn)，以保護其可持續(xù)的能源供應和應對氣候變化。這份重要的咨詢文件確定了歐洲需要積極的能源政策，以確保可再生清潔能源和應對全球氣候變暖帶來的威脅。

1.3 “一個新的通用能源載體”[1]

綠皮書中包括建議加強氫能研究。即使在這個早期階段，氫被公認為優(yōu)先解決方案，作為未來“車輛的燃料”以及清潔的城市交通的基礎(chǔ)。氫作為潛在的普及能量載體引起了歐盟的特別關(guān)注。

在世紀之交的幾年后，歐盟為大約70個研發(fā)項目提供資金，其中CUTE 示范項目正在歐洲9 個城市進行中，包括氫燃料電池公共汽車隊。馬德里于2003年6月開始運營這些首批公交車隊。歐盟成功實施了如CUTE 示范項目，同時也批準了為期4年的歐盟研究項目增資框架計劃。

作為新興技術(shù)，氫燃料電池面對一個復雜的相互關(guān)聯(lián)的市場，包括技術(shù)、融資和公眾的認知。即使氫燃料電池示范項目在一個地區(qū)實現(xiàn)了里程碑發(fā)展，往往在長期的可持續(xù)部署加氫站仍有很多障礙。原因是建設(shè)加氫站的效果與開發(fā)氫動力汽車的矛盾，公眾不會購買不方便加氫的汽車，而私營企業(yè)則不愿意投資建設(shè)加氫站，氫動力汽車的用戶不多，并沒有達到可以建立加氫站的需求。

歐盟決策者意識到，只有實現(xiàn)足夠數(shù)量的氫動力汽車、氫動力開發(fā)者或氫動力的創(chuàng)新者，氫能才能實現(xiàn)在大量運輸系統(tǒng)方面的應用。這種“臨界批量”的觀點對于能源研究和開發(fā)架構(gòu)的發(fā)展變得越來越重要。

2 合作促使戰(zhàn)略愿景成為現(xiàn)實[1]

為了實現(xiàn)歐盟的氫氣雄心壯志，不斷創(chuàng)新各部門之間的合作，明確氫能戰(zhàn)略愿景至關(guān)重要。專家們認識到不能采用傳統(tǒng)研究和開發(fā)方法，認為能源的綜合發(fā)展與運輸部門的早期參與尤為重要。

在氫能推進中研究人員認識到合作是成功交付氫燃料電池技術(shù)的關(guān)鍵。擺在面前的挑戰(zhàn)是不容懷疑的，必須成立一個機構(gòu)，能夠發(fā)展伙伴關(guān)系并實施未來的氫燃料電池能源系統(tǒng)的機構(gòu)，這樣的能源系統(tǒng)將消除或大大減少當前所面對的那些消極面。2002年歐盟成立了氫燃料電池技術(shù)高級別工作組，這一決定不僅鋪平了最終成立氫燃料電池聯(lián)合承諾（FCH JU）計劃的道路，也使歐盟認識到氫能是未來清潔能源的轉(zhuǎn)折點。在高級別工作組成立大會上，專家們表示氫燃料電池技術(shù)有望在未來經(jīng)濟社會中發(fā)揮關(guān)鍵作用，電力和氫能將是可交互的能源載體。

高級別工作組由19個氫能利益相關(guān)者，包括研究機構(gòu)的代表、行業(yè)、公共機構(gòu)和最終用戶。在6個月內(nèi)高級別工作組編制了氫燃料電池發(fā)展概述，包括可持續(xù)的氫經(jīng)濟發(fā)展時間表，提出了燃料電池技術(shù)實現(xiàn)可持續(xù)能源的發(fā)展需求。

高級別工作組的關(guān)鍵建議包括氫來源，與氫燃料電池技術(shù)合作伙伴關(guān)系的戰(zhàn)略研究議程、氫產(chǎn)業(yè)部署戰(zhàn)略和歐洲氫能技術(shù)路線圖。高級別小組的基本建議就是把氫燃料電池作為集成開放能源系統(tǒng)，解決能源與環(huán)境的挑戰(zhàn)，與間歇可再生能源的多樣性相適應。

通過戰(zhàn)略規(guī)劃，加大氫的研究、加大開發(fā)和部署燃料電池技術(shù)力度，更結(jié)構(gòu)化的方法使氫能源政策、研究、教育和氫能意識發(fā)展起來。協(xié)調(diào)是最基本條件：即在產(chǎn)生至關(guān)重要的臨界批量時，協(xié)調(diào)相關(guān)方的利益，包括市場準入的必要條件。

高級別小組也強調(diào)了基于氫經(jīng)濟的先期研究、開發(fā)和部署的燃料電池投資規(guī)模和固有的風險。解決這些障礙的關(guān)鍵在于跨行業(yè)和跨境合作，這些都離不開公共機構(gòu)的支持。

他們相信這些努力是可以獲得回報的。為此歐盟編制了戰(zhàn)略研究議程，目的是集中最有效地研究資源，研究有前途的解決方案。在歐洲匯集一流研究機構(gòu)，協(xié)調(diào)統(tǒng)一實現(xiàn)很多項目戰(zhàn)略目標。

高級別小組的最終報告清楚地表明，歐盟氫愿景的實現(xiàn)取決于政策、復雜商業(yè)互動和學術(shù)界的努力。歐洲必須努力大幅提升預算，建設(shè)和部署有競爭力的氫技術(shù)和燃料電池工業(yè)。這不應該留給在個體層面上，而是在全面成員國層面上開展工作。獲得全球領(lǐng)導力需要一個歐洲一體化戰(zhàn)略，包括氫燃料電池研究、開發(fā)、示范、市場準入等。

高級別小組呼吁立即組建公私合營的伙伴關(guān)系，應該包括在歐洲的氫能專家、政策制定者和其他利益相關(guān)者，最重要的是要建立創(chuàng)新公司，研究氫燃料電池技術(shù)。

2.1 FCH JU 項目資助[1]

2006年在積極制定了戰(zhàn)略文件之后，歐盟也建立了戰(zhàn)略研究議程、部署戰(zhàn)略和實施計劃，歐洲氫燃料電池技術(shù)平臺（HFP）專家們認為，在歐洲向新的清潔能源技術(shù)轉(zhuǎn)型中，氫燃料電池可以發(fā)揮關(guān)鍵作用。但要打入主流運輸和動力市場，需要共同的研究，制定氫燃料電池部署策略和制定具體的開發(fā)氫能目標。

2008年5月30日，在歐盟委員會工業(yè)和研究組織的公私合作伙伴關(guān)系領(lǐng)導下，根據(jù)理事會條例，設(shè)立了氫燃料電池聯(lián)合承諾（FCH JU）計劃，旨在加速發(fā)展氫燃料電池技術(shù)的部署。在行業(yè)主導的構(gòu)架下，F(xiàn)CH JU計劃積極推動公共和私人利益共同發(fā)展，加強工業(yè)承諾推進這項技術(shù)發(fā)展。

2.2 項目結(jié)構(gòu)和項目使命[1]

第1 研究框架下運作的FCH JU 計劃項目代號為FP7，預算為9.4億歐元，項目持續(xù)了6年，2014年完成了第1階段任務。該項目成功支持了基礎(chǔ)研究、技術(shù)開發(fā)、燃料電池和氫能的示范活動，并獲得了歐盟的廣泛認可，根據(jù)“歐盟地平線2020”決定繼續(xù)并擴大氫燃料電池項目資金框架計劃。

這一階段項目將持續(xù)到2020年，項目預算至少為13.3 億歐元，涉及歐盟委員會、歐洲氫能工業(yè)工作組和歐洲氫能研究工作組，項目總體目標見表1。

表1 FCH JU 項目目標

在歐盟的聯(lián)合承諾中，F(xiàn)CH JU 是獨一無二的、三方公私合作伙伴的方式開發(fā)和部署氫燃料電池技術(shù)合作項目，該項目超越了單一公司或公共研究機構(gòu)的財務方面承諾、資源和能力。FCH JU計劃圍繞2個主要研究項目建立的，是歐盟重要創(chuàng)新的支柱。

（1）能源系統(tǒng)覆蓋用于動力和熱電聯(lián)產(chǎn)的燃料電池發(fā)電、氫氣生產(chǎn)和使用氫可再生能源發(fā)電。

（2）覆蓋全部交通運輸，包括覆蓋公路車輛和非道路移動車輛，如建筑工程車輛、加油基礎(chǔ)設(shè)施和海運、鐵路和航空應用（圖1）。

圖1 FCH JU 項目結(jié)構(gòu)[1]

FCH JU計劃總體項目預算見表2，其中34個跨領(lǐng)域項目，包括標準、安全、教育、顧客知曉等，共3 900萬歐元；114 個能源項目，包括氫生產(chǎn)與分銷和儲存等，共3.54億歐元；52個交通項目，包括公路車輛與非公路移動設(shè)備、加氫站、船舶、鐵路和航空應用，共3.37億歐元。

表2 FCH JU計劃總體項目預算

輔助和支撐項目是第3 大支柱，包括交叉學科子項目，包括安全問題、標準、消費者意識、制造方法和研究。

FCH JU 的首要目標是研發(fā)未來普遍應用和部署的先進技術(shù)，該項目是通過年度公開招標，來獲得競爭性的提案，以確保這些提案真正是由市場需求來決定的。

FCH JU 研究與開發(fā)項目經(jīng)費是以提供財政支持的形式，提供給那些有希望的研究和示范項目提案。這些提案必須按選定標準、通過嚴格獨立的一系列評估程序并獲得最高分。

自2008年以來，已有200多項研究和示范項目通過分享來自歐盟的約7.3 億歐元資金而受益。這個FCHJU 資金的“橋梁”作用使歐洲一些頂級研究團隊將他們的專業(yè)知識用于推進這些關(guān)鍵技術(shù)和推進降低技術(shù)成本，提供真實的氫燃料電池測試，確保用戶有機會體驗氫燃料電池技術(shù)的好處。

FCH JU 的公私三大工作組的核心優(yōu)勢是確保最有希望刺激工業(yè)進一步投資、開發(fā)和生產(chǎn)的能力。通過引入這些技術(shù)獲得市場突破，F(xiàn)CH JU 起著至關(guān)重要的作用，確保提供氫燃料電池技術(shù)潛能。

3 氫燃料電池技術(shù)平臺與技術(shù)基礎(chǔ)

2004年1 月，隨著歐洲氫燃料電池項目的推出，標志著邁向聯(lián)合承諾的第一步得到了落實，并開始了氫燃料電池技術(shù)平臺的構(gòu)建。在氫燃料電池平臺成立的發(fā)布會上，Romano Prodi 說：“我們的目標就是到本世紀中葉，逐步實現(xiàn)基礎(chǔ)于可再生能源體系的完全一體化的氫經(jīng)濟為”。然而，要將這一愿景變?yōu)楝F(xiàn)實，歐洲需要加大研究投入，實施更大范圍的示范和部署項目，需要適合未來氫經(jīng)濟的法規(guī)和標準。歐洲國家只有團結(jié)起來，共同努力才能拉動歐洲的公共和私人資源，以協(xié)調(diào)一致的方式才能取得成功。這就是我們推出歐洲氫能經(jīng)濟伙伴關(guān)系的原因。

Joaquin Martin-Bermejo，作為歐盟氫燃料電池技術(shù)平臺Mirror Group 秘書長，他表示，歐盟氫燃料電池技術(shù)平臺是推動歐洲氫能發(fā)展的最佳方式。歐盟15國在當時現(xiàn)有的研究和技術(shù)開發(fā)現(xiàn)狀，以各自獨立的發(fā)展方式是不能夠形成規(guī)模經(jīng)濟，歐洲需要團結(jié)起來，整合金融和其它資源，開發(fā)先進的氫燃料電池技術(shù)并推向市場，參與擁有先進技術(shù)的美國和日本的國際競爭。

平臺第一次將歐盟委員會、工業(yè)和其他來自氫燃料電池和氫能的利益攸關(guān)方匯聚在一起，包括供應鏈，歐盟致力于將氫投入到清潔能源地圖中。

平臺的任務是確定“顛覆性”的觸發(fā)器式的技術(shù)，并將它們納入整體氫燃料電池發(fā)展計劃中。需要有意識地制定針對早期市場的適當市場策略，并建立大規(guī)模示范項目，推動氫燃料電池項目進入公眾領(lǐng)域并加速市場融入進程。平臺在2004年至2007年期間發(fā)揮了關(guān)鍵作用，為氫能開發(fā)奠定了基礎(chǔ)，采取了決定性的步驟來發(fā)展共同的能源政策。平臺為創(chuàng)建燃料電池和氫聯(lián)合承諾計劃奠定了基礎(chǔ)。

氫燃料電池技術(shù)可以改變交通運輸行業(yè)3個關(guān)鍵領(lǐng)域：能源、動力系統(tǒng)和基礎(chǔ)設(shè)施。歐盟的政策環(huán)境是另一個因素，來推動氫燃料電池技術(shù)。國際能源署的技術(shù)路線圖報告指出，氫可以幫助實現(xiàn)低碳運輸，氫將可再生能源融入能源系統(tǒng)，并對工業(yè)企業(yè)脫碳做出貢獻。氫能不再是在政治和立法辯論的邊緣，歐盟已經(jīng)認識到氫燃料電池技術(shù)是歐洲低碳轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵推動因素。

氫燃料電池技術(shù)的優(yōu)點

（1）氫燃料電池僅排放水，不產(chǎn)生二氧化碳排放，是應對全球變暖的關(guān)鍵技術(shù)，燃料電池不產(chǎn)生大氣污染物，如氮氧化物，SOx或顆粒物質(zhì)。

（2）氫燃料電池發(fā)動機沒有運動部件，其運轉(zhuǎn)安靜可靠。

（3）氫燃料電池發(fā)動機不依靠燃燒來釋放能量，這使其效率很高，熱損失很少。

（4）氫燃料電池用途廣泛：可以用做車輛動力，可以用于固定式發(fā)電機或采暖，可以用于家用發(fā)電，也可以用于工業(yè)發(fā)電。

有4 種類型的燃料電池，都是基于相同的原理，即將氫和氧轉(zhuǎn)化為電能或制熱。通常按燃料電池使用的電解質(zhì)類型進行分類，因為電解質(zhì)決定了化學反應類型。主要包括堿性燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池、固體氧化物燃料電池和熔融碳酸鹽燃料電池，不同類型的燃料電池技術(shù)平臺信息詳細見表3。

表3 燃料電池技術(shù)平臺

（1）堿性燃料電池

堿性燃料電池（AFC）是第一個開發(fā)和部署的燃料電池技術(shù)，主要是用于美國太空計劃。AFC使用氫氧化鉀溶液作為電解質(zhì)，通常在約150～200℃的溫度下運行。AFC的效率約為70%，取決于電極上的鉑催化劑含量。

（2）質(zhì)子交換膜燃料電池

質(zhì)子交換膜（PEM）燃料電池使用聚合物電解質(zhì)，通常是氫原子可滲透形式的薄膜。PEM 需要每側(cè)都有鉑催化劑。雖然效率不高，通常約為40～50%，但其價格較低，工作溫度不高，使其成為理想的家庭發(fā)電裝置，汽車應用的前景廣闊。此外與AFC 不同，PEM不用液體因此可以避免電解液泄漏。

（3）固體氧化物燃料電池

顧名思義，固體氧化物燃料電池（SOFC）依賴于固體電解質(zhì)，通常是金屬氧化物。這些電池效率約為60%，但運行溫度約為500～1 000°C。這個高溫意味著SOFC不需要鉑催化劑來進行催化反應。廢熱也可以被用來生產(chǎn)蒸汽，從而獲得更多的電力。SOFC 運行時無污染、無噪音，適合城市使用。

（4）熔融碳酸鹽燃料電池

熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）使用熔融的碳酸鹽混合物電解質(zhì)。與SOFC類似，MCFC在650°C的高溫下運行，因此不需要鉑催化劑，降低了生產(chǎn)成本。MCFC運行的效率較高，并且可以使用天然氣或沼氣，其副產(chǎn)品可能對其它燃料電池類型的催化劑有毒害作用。

4 歐洲氫燃料政策進展[1]

在歐洲的能源政策中，2007年氫燃料電池技術(shù)首次在歐洲戰(zhàn)略能源技術(shù)計劃（SET-Plan）中獲得認可，氫燃料電池技術(shù)的商業(yè)化被作為“未來十年的關(guān)鍵歐盟技術(shù)挑戰(zhàn)”。SET-Plan 呼吁改革研究經(jīng)費制度，要在“燃料電池和氫聯(lián)合技術(shù)倡議”下，在公私合作伙伴關(guān)系下開展歐洲新興產(chǎn)業(yè)的研究和示范項目。

能源和氣候政策要求能源系統(tǒng)要提升效率，同時還要保障脫碳后能源系統(tǒng)的安全，氫燃料電池技術(shù)方案應作為最高優(yōu)先級。值得注意的是，2016年可持續(xù)能源安全系列政策突出了歐洲天然氣的重要性，能源轉(zhuǎn)型中歐盟有史以來第一次將固休氧化物氫燃料電池作為最接近市場成熟的創(chuàng)新和高效的技術(shù)。

2016年11 月清潔能源適用于所有歐洲的系列政策突出了可再生氣體的作用，包括綠色氫，可再生能源目標。FCH JU 持續(xù)支持綠色制氫和儲存。但是，包括儲存在內(nèi)的氫能的開發(fā)尚未充分發(fā)揮潛力，在歐洲委員會關(guān)于2017年能源工作中，優(yōu)先考慮的是綜合儲能解決方案。

2050年歐盟溫室氣體排放減排目標是60%，交通運輸領(lǐng)域在2020年使用再生能源的可以貢獻10%的份額，這個目標份額可以部分通過清潔、綠色、可再生的氫能來滿足。歐盟不斷對二氧化碳法規(guī)進行審查，二氧化碳限值在持續(xù)降低，這可以促進創(chuàng)新的氫燃料電池電動汽車動力系統(tǒng)快速轉(zhuǎn)化為可行的商業(yè)化。同時2014年替代燃料基礎(chǔ)設(shè)施指令促進了歐盟成員國將氫氣納入其國家規(guī)劃中，包括加氫站的部署。

5 歐盟氫燃料電池技術(shù)成熟度水平

氫燃料電池技術(shù)是一種創(chuàng)新技術(shù)，在研發(fā)、示范和應用過程中存在不同的成熟度。歐盟采用了美國宇航局開發(fā)的技術(shù)成熟度水平（TRLs）的評估方法，評估氫燃料電池技術(shù)從原理、原型設(shè)計開發(fā)到產(chǎn)業(yè)化應用中9級技術(shù)成熟度水平（表4）。

表4 技術(shù)成熟度水平

根據(jù)2018年9月羅蘭貝格咨詢公司為FCH JU計劃項目編寫的研究報告表明，歐盟在交通領(lǐng)域的成熟公交、轎車、城市物流車、重型卡車和軌道車輛使用氫燃料電池技術(shù)成熟度達到了7 級（圖2），即普遍完成了原型演示與示范運行，包括轎車在環(huán)境友好、部署和示范運行環(huán)境方面取得了很多的經(jīng)驗。

圖2 基于關(guān)鍵評價準則的燃料電池技術(shù)應用成熟度評價[2]

6 燃料電池的技術(shù)突破

歐盟氫燃料電池產(chǎn)業(yè)相關(guān)制造商、研究機構(gòu)多年來從實驗室到產(chǎn)業(yè)示范，不斷進行技術(shù)測試和改進，不斷提高氫燃料電池的壽命和可靠性，這是提高其商業(yè)潛力的關(guān)鍵。FCH JU 不斷推動示范項目開展，提高了TRLs 水平，有效地促進了歐盟研究機構(gòu)與產(chǎn)業(yè)的合作，在氫燃料電池技術(shù)的多個領(lǐng)域取得了突破（見表5、表6和表7）。

表5 技術(shù)突破項目指標

表6 NANO-CAT項目催化劑技術(shù)突破[3]

表7 SMARTCAT項目催化劑技術(shù)突破[3]

6.1 膜電極組件

燃料電池堆核心的重要組成部分是膜電極（MEA），MEA 研究的重點是其催化劑鉑的載量。目前，大多數(shù)燃料電池的催化劑均為鉑，如何降低鉑載量或?qū)ふ移涮娲?，同時又保證燃料電池堆性能是燃料電池研究的核心任務之一，是降低電池堆成本重要措施之一。

由于行業(yè)研究之間的有效合作，低成本催化劑的研究活動取得了成功。CNRS（Center National de Recherche,Scientifique）和Johnson Matthey Fuel Cell 等研究機構(gòu)研究了含有超低鉑的燃料電池壽命，CNRS 參與了IMMEDIATE（2013-2016）PEM燃料電池項目，他們采用了裝載量最少的銠或鉑MEA 的燃料電池堆能夠在高于100°C的溫度下可靠運行。由于非常好的性價比，寶馬公司決定在其氫燃料電池汽車產(chǎn)品開發(fā)中采用CNRS 和Johnson Matthey Fuel Cells 項目的電池堆方案。

具有較高水平的TRL 項目涉及所有三個組織緊隨其后，旨在增加制造準備水平，以質(zhì)量為目標生產(chǎn)。Volumetriq 項目，從2015年開始運行至2019年，正在研究能夠高的PEM 燃料電池組件功率密度和量產(chǎn)能力嵌入式質(zhì)量控制。與此同時，另一個FCH JU資助的項目，Inspire（2016-2019）正在尋求發(fā)展隨著時間的推移降低功率衰減的電堆，年產(chǎn)量為50 000臺，低于50歐元/kW。此外，F(xiàn)CH JU鼓勵研究尋找方法簡化制造過程。目前，很多MEA 在實驗室中手工組裝，未來半自動或理想的全自動化制造和裝配將實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟。

6.2 乘用車燃料電池堆

AUTO-STACK CORE 是歐盟FCH JU 的重要項目之一，是FCH JU在交通運輸領(lǐng)域的技術(shù)平臺，是大幅度提高規(guī)模經(jīng)濟重要技術(shù)支撐，通過OEM 投資，成本通過共享來實現(xiàn)用于不同車輛和車輛級別的電堆硬件。該項目已經(jīng)看到平臺電堆的重量級別與系列功率的型譜關(guān)系，燃料電池技術(shù)還有進一步的空間改進，F(xiàn)CH JU 推動的合作正在使歐洲燃料電池堆更接近市場需求。

FCH JU 燃料電池電堆已經(jīng)經(jīng)過了幾代研發(fā)，功率密度、經(jīng)濟性和壽命等指標已經(jīng)取得了突破性進展，一些技術(shù)指標已經(jīng)獲得了突破（見表5），基本上接近了汽車主機廠苛刻的技術(shù)要求，獲得了社會的認可，已經(jīng)開始在汽車主機廠限量生產(chǎn)。

近年來歐盟仍在繼續(xù)推進氫能與氫燃料電池項目，努力提高技術(shù)成熟度，達到批量生產(chǎn)和商用化大批量應用的8到9級。2017年7月，德國啟動了“Autostack 行業(yè)”項目，該項目融資6 000 萬歐元，項目工期為三年，項目宗旨是實現(xiàn)自動化組裝高品質(zhì)、高性能的電堆，這是一個燃料電池汽車大規(guī)模上市的先決條件。通過這個新項目，歐盟將整合零散的資源，構(gòu)建完整的工業(yè)化生產(chǎn)燃料電池汽車版圖。這項努力的主旨是提高燃料電池性能、使用壽命和可靠性，同時降低成本。該項目是由國家氫和燃料電池組織技術(shù)（NOW）協(xié)調(diào)的國家創(chuàng)新計劃氫和燃料電池技術(shù)（NIP）項目的一部分。這是歐盟充分利用歐洲的研究和創(chuàng)新資源，激發(fā)靈感并支持行業(yè)合作的重大國家舉措。

7 氫燃料電池示范運行與技術(shù)經(jīng)濟分析

7.1 氫燃料電池公共汽車示范項目

氫燃料電池正在進入發(fā)電市場以及運輸、工業(yè)和住宅領(lǐng)域，因此，在CO減排和加強能源安全方面發(fā)揮了重要作用。然而，這仍然需要廣泛的公共和私人加強研究和開發(fā)（R&D），以實現(xiàn)技術(shù)突破并帶來這些商業(yè)成熟技術(shù)。FCH JU 在積極發(fā)揮主導作用。優(yōu)先研發(fā)議程，關(guān)注最關(guān)鍵的研發(fā)項目活動，組織跨地區(qū)示范與應用項目，分配基于投資回報率（ROI）項目資金。支持燃料電池公共汽車的發(fā)展是FCH JU的一項重要的戰(zhàn)略舉措，包括從產(chǎn)品制造到可行的商業(yè)案例。

雖然燃料電池公共汽車在購買價格上仍然比傳統(tǒng)的柴油公共汽車貴，F(xiàn)CH JU 積極支持實現(xiàn)這些公共汽車業(yè)務場景的商業(yè)化。價格差異不可避免地會降低了技術(shù)改善和實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟的愿望，F(xiàn)CH JU 積極鼓勵各方參與到項目中，以進行更現(xiàn)實的評估燃料電池公共汽車使用成本，F(xiàn)CH JU 為每輛燃料電池公共汽車的購置增加了200 000歐元預算。為打開市場大門，F(xiàn)CH JU開展了JIVE項目，在歐洲主要城市部署139 輛燃料電池公共汽車，幫助行業(yè)實現(xiàn)所需的商用化經(jīng)濟規(guī)模，這是歐洲最大規(guī)模的氫燃料電池公共汽車示范項目。

FCH JU 成功在科隆、倫敦等歐洲城市大規(guī)模部署氫燃料電池公共汽車，公眾實實在在體驗到了氫燃料電池公共汽車運行帶來的清潔空氣和無噪音的良好環(huán)境，各國政府和民眾支持對更大范圍和更大規(guī)模的部署氫燃料電池公共汽車，初步估計200～300輛公共汽車已經(jīng)上升到900多輛。通過示范運行展現(xiàn)對氫燃料電池技術(shù)的信心，也是進一步降低商用化進程循環(huán)的成本，是降低其它潛在城市部署燃料電池技術(shù)的投資、運營和制造商風險的重要舉措。

7.2 氫燃料電池轎車示范項目

盡管傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車經(jīng)歷了持續(xù)的技術(shù)改進，其使用中的排放物在持續(xù)降低，雖然政府在燃油稅和其它政策措施上不斷激勵傳統(tǒng)汽車發(fā)展，但是其對化石燃料的依賴使其無法在極其嚴格的環(huán)保法規(guī)中可持續(xù)生存，F(xiàn)CH JU 認為內(nèi)燃機汽車正在臨界期壽命的終點。氫燃料電池技術(shù)在其它替代燃料技術(shù)中是最理想的解決方案。目前氫燃料電池轎車的續(xù)駛里程已經(jīng)達到了500 km，不久將達到800 km，加氫時間也已經(jīng)達到了傳統(tǒng)汽車的水平。

巴黎已經(jīng)擁有60輛燃料電池出租車，是最大的世界上燃料電池出租車車隊，計劃增加數(shù)百輛。其他汽車共享計劃正在部署使用這些清潔可靠的出租車，汽車制造商開始為消費者制造氫燃料汽車，當然與之配套的加氫站仍是阻礙氫燃料電池汽車發(fā)展的主要因素之一，包括城市加氫站建設(shè)的規(guī)劃、充足的供應，以提升消費者信心。

為加快氫燃料電池轎車的部署，F(xiàn)CH JU 資助了一系列項目，最大的FCEV（燃料電池電動汽車）示范項目是HyFIVE和H2ME。HyFIVE有已經(jīng)投入運行的185 輛氫氣車輛和6 個加氫站。市場的轎車來自5 個全球領(lǐng)先的汽車公司：寶馬、戴姆勒、本田、現(xiàn)代和豐田。該項目成功部署在3 個不同區(qū)域、6 大歐洲城市的氫燃料網(wǎng)聯(lián)，即倫敦、哥本哈根、因斯布魯克、慕尼黑、斯圖加特和博爾扎諾。

FCH JU 還資助了歐洲氫能儲運（H2ME）項目，該項目匯集建立了歐洲氫運輸與加氫站網(wǎng)絡，主要在法國、德國、英國和斯堪的納維亞等國家部署，顯著擴大歐洲的燃料電池車輛使用和加氫站網(wǎng)絡建設(shè)。H2ME是迄今為止最大的FCH汽車示范項目，測試來自領(lǐng)先的汽車主機廠的最新技術(shù)和加氫站建設(shè)與供應。H2ME 項目于2015年開始部署了29 個氫氣加油站和325 輛車。2016年H2ME2 項目又增加了20 個加氫站和1 100輛氫燃料電池轎車。

7.3 氫燃料電池汽車示范與技術(shù)經(jīng)濟分析

FCH JU 多年來在歐盟主要國家和城市協(xié)調(diào)部署了大量的氫燃料電池汽車與加氫站建設(shè)和示范運營項目，為氫燃料電池汽車大批量商用運營奠定了技術(shù)與經(jīng)濟基礎(chǔ)，豐富成果見表8，為全球氫燃料電池技術(shù)發(fā)展中起到了重要的引領(lǐng)和示范作用。

表8 FCH示范項目技術(shù)成果[2]

羅蘭貝格在其研究報告中對城市氫燃料電池客車和轎車進行了技術(shù)經(jīng)濟與環(huán)境評估，評估的主要結(jié)論是，2017年氫燃料電池客車的成本比最初的原型車有顯著下降，但生命周期成本（TCO）比柴油客車高40%～50%，約為3.75 歐元/km，未來仍有很大的降低成本潛力。在氫燃料電池所有的應用中，客車的應用是最接近商用水平的，預計會有更多的汽車主機廠在城市中投放客車。燃料電池客車的續(xù)駛里程達到了250～450 km，加氫時間為7～15 min（圖3）。

圖3 氫燃料電池客車技術(shù)經(jīng)濟與環(huán)境評估[2]

同樣，羅蘭貝格在其研究報告中對歐盟的氫燃料電池的轎車也進行了評估（圖4），表明氫燃料電池轎車的TCO比柴油高40～50%，氫燃料電池轎車TCO約為0.57 歐元/km，也有很大的降成本潛力。羅蘭貝格的研究報告結(jié)論是：氫燃料電池技術(shù)商業(yè)化已經(jīng)接近成熟，隨著加氫站的不斷部署，領(lǐng)先的汽車主機廠將不斷引入氫燃料電池汽車。氫燃料電池轎車的續(xù)駛里程已經(jīng)達到了350～700 km，最高車速達到了160 km/h，加氫時間為3～4 min。

圖4 氫燃料電池轎車技術(shù)經(jīng)濟與環(huán)境評估[2]

通過大規(guī)模示范和部署氫燃料電池汽車，F(xiàn)CH JU獲得了現(xiàn)實運行條件下的第1手資料和信息，這些信息的為氫移動出行的技術(shù)經(jīng)濟分析和發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。根據(jù)Tractebel和Hinicio 2017年聯(lián)合發(fā)表的研究告報（STUDY ON EARLY BUSINESS CASES FOR H2 IN ENERGY STORAGE AND MORE BROADLY POWER TO H2 APPLICATIONS），典型的公交客車車隊為20 臺，每年運行307 天，在城市每天運行250 km,氫燃料電池車經(jīng)濟性為10 kg/100 km,每天每臺車氫消耗量為25 kg。公交客車加氫站需要35 MPa的壓力,加氫站（泵端）可接受的價格為6～7 歐元/kg（表9）。

表9 移動出行案例[4]

根據(jù)2018年Element Energy Limited 發(fā)表的研究報告（Strategies for joint procurement of fuel cell buses—A study for the Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking），燃料電池客車生命周期分析（TCO）分析表明，基于2020年的目標價格，隨著批量的增加，成本下降，燃料電池客車將可以與純電客車進行競爭（圖5）。

圖5 法國客車生命周期成本分析（TCO）[5]

在FCH 最新的項目評估報告中，通過在法國Albi場景分析，獲得了在氫移動出行方面很有價值的數(shù)據(jù)，與2017年數(shù)據(jù)相比，2025年后氫價格、凈利潤、服務凈收益投資回報期等數(shù)據(jù)將有很大改善（表10），這為2025年后氫經(jīng)濟的發(fā)展提供堅實的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。同時報告也指出了在稅收、車隊規(guī)模、加氫價格等方面關(guān)鍵風險因素，為今后氫經(jīng)濟的發(fā)展提出了努力方向。

表10 移動服務與氫經(jīng)濟分析[4]

通過大規(guī)模的示范運營可以看到，氫燃料電池汽車正在為歐洲清潔空氣和環(huán)境友好做出了貢獻，這是一項清潔交通的核心技術(shù)，通過持續(xù)的技術(shù)改進和不斷的政策激勵，歐盟相信未來氫燃料電池汽車將是推動歐洲清潔移動出行的重要舉措，在2018年FCH JU發(fā)布的氫燃料電池研究報告中，對氫燃料電池汽車的部署示范運行制定了中期和中長期規(guī)劃（表11 和表12）。其中到中期（已確定）的2022年，歐盟將部署168 臺公共汽車、1011 臺轎車、17 臺卡車和89 座加氫站。中長期燃料電池公共汽車、卡車、轎車和加氫站的部署將大幅度提升，已經(jīng)接近規(guī)模市場經(jīng)濟水平。

表11 中長期氫燃料電池技術(shù)應用部署規(guī)劃[2]

表12 中期燃料電池應用項目（已經(jīng)確定項目）[2]

Chardonnet 的早期商業(yè)案例研究報告還指出，氫能將為歐盟的低碳化社會效益做出巨大貢獻（表13），到2025年，每輛車將減少1.9 t 的CO排放（按20 000 km 路行駛里程），每1 kg 氫可以獲得0.2（歐洲大陸）～0.4（英國）歐元的收益。

表13 低碳化的社會效益[4]

8 結(jié)束語與展望

歐盟在氫燃料電池技術(shù)的應用與發(fā)展達成了共同愿景與目標，建立了FCH JU 聯(lián)合承諾計劃。經(jīng)過10年的努力，聯(lián)合企業(yè)、研究機構(gòu)和大學，為歐洲開拓了最前沿的氫燃料電池技術(shù)，建立了氫燃料電池在交通運輸、航空、航海和固定發(fā)電的技術(shù)平臺。

在FCH JU 獨特的組織構(gòu)架下，建立了政府公共事業(yè)戰(zhàn)略合作，聯(lián)合研究機構(gòu)和企業(yè)規(guī)模部署了氫燃料電池項目，使得氫燃料電池在交通運輸領(lǐng)域的技術(shù)應用成熟度達到了7級。

通過FCH JU 的合作與交流，氫燃料電池技術(shù)取得了重大進展，關(guān)鍵領(lǐng)域技術(shù)和指標取得了突破，生命周期成本進一步減低，燃料電池性能、可靠和耐久性和效率指標有明顯的提升。在FCH JU大框架下使歐洲的氫燃料電池技術(shù)在世界保持領(lǐng)先地位，更高效地促進了氫燃料電池專業(yè)知識交流，同時為綠色氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展建立了規(guī)模發(fā)展框架。

在FCH JU 的推動下，歐盟正在加速氫燃料電池汽車的示范運行項目，為大規(guī)模進入市場提供堅實的技術(shù)經(jīng)濟基礎(chǔ)，為歐盟能源與交通運輸實現(xiàn)脫碳的愿景提供創(chuàng)新的動力，為未來的技術(shù)應用研發(fā)先進技術(shù)，為未來的技術(shù)應用搭建示范運營橋梁。

FCH JU 在中長期仍將加大燃料電池汽車的示范運行，展望未來2030年，歐盟燃料電池轎車、公共汽車將是一個負擔得起的很方便的移動出行選擇。隨著歐洲2030年的氣候和能源目標的實現(xiàn)，氫燃料電池將成為減少CO排放目標的主要貢獻者，預計在1990年基礎(chǔ)上排放量將減少40%，包括氫能在內(nèi)的可再生能源將占歐洲的27%能源需求，能源效率將提高27%。

2020年12 月歐盟最新的目標是在1990年基礎(chǔ)上減少CO2排放55%，這將為氫燃料電池技術(shù)發(fā)展提供更大的空間。

到2050年，在FCH JU 和歐盟各國政府的共同努力下，將呈現(xiàn)大規(guī)模的氫燃料電池市場擴張和零排放運輸。氫燃料電池和氫能技術(shù)將促進交通領(lǐng)域零碳排放的愿景成為現(xiàn)實，F(xiàn)CH JU 正在為歐盟開啟綠色能源之旅。