关于氢燃料电池汽车和氢气传感器的深度探讨

2020 年的纳博会上，笔者有幸在官方直播间（纳博会和与非网合办）中，与苏州纳格光电的副总经理张克栋先生来了一场关于氢燃料电池汽车和氢气传感器的深度探讨，以下是对讨论结果的一种记录，与小伙伴们分

什么是终极清洁能源汽车？

现下我们对新能源汽车已经不再陌生，以丰田普锐斯为代表的油电混合动力车，以比亚迪秦为代表的插电式混合动力车，以 BMW i3 为代表的增程式电动车，还有以尼桑聆风 LEAF、特斯拉为代表的充电式纯电动车都在不断渗透进千家万户。但新能源汽车可不止以上四类，比如氢燃料电池电动车、甲醇汽车。

以氢燃料电池电动车为例，国外技术已相当成熟，它是一种使用电动机驱动，以氢燃料经电化学反应产生的电能为动力源的新能源汽车。由于化学反应后只生成水，排放接近于零，对比锂电池类新能源汽车，消费者没有续航焦虑问题，无需改变使用习惯，加氢过程只需 5 分钟，长期使用后也没有大容量电池报废后带来的污染问题，因此被称为终极清洁能源汽车。

我国将在氢燃料电池汽车布局上面拉近与国外的差距？

在讨论差距之前，我们先来了解一下历史。如果说电动汽车的历史可以追溯至 1834 年 Thomas Davenport 在美国制造出第一辆直流电机驱动的电动车的话，燃料电池汽车历史也是相当悠久的。1838 年，德国化学家克里斯提安·弗里德里希·尚班提出了燃料电池原理，20 世纪 60 年代，首次应用在美国航空航天管理局的阿波罗登月飞船上，但受到技术与成本的限制，发展速度缓慢，一直停留在演示阶段。

直到 2014 年，燃料电池技术有了长足的进步，在以丰田等日本公司的大力推进下，部分燃料电池汽车已实现量产，比如丰田 Mirai（4 座，续航里程 500 公里）。率先布局氢燃料电池汽车这一点，或许与日本资源匮乏不无关系，此外日本这几年也出台了不少政策，来鼓励发展先进的传统燃油发动机和电动发动机，简单来讲就是双管齐下，而中国在政策端，虽然科技部的万钢部长在 2002、03 年归国之时就开始推行氢燃料电池汽车，但总补贴的角度来看，还是以鼓励纯电动为主的布局，直至 2017、18 年，国家开始大力发展氢能源，并在 2020 年 11 月 2 日国务院出台的《新能源汽车产业发展规划（2021-2035）》中特别提到要“有序推进氢燃料供给体系建设”，但总的来说，对比日本或者欧美，我们是落后的。

但是，从另外一个方面讲，当年我国在燃油汽车方面落后很多代，包括现在的燃油车发动机都不是很好，但在氢燃料电池汽车方面，我们有很多自主知识产权，能生产目前世界上最高效率的电堆，不能说是世界领先，但在某些关键技术方面，与国外发达国家处于并驾齐驱的态势，这一点还是值得肯定的。

为什么氢燃料电池汽车上要安装氢气传感器？

氢气资源非常好，清洁、可再生，但它容易泄露，且爆炸范围非常宽，是目前波浪范围最宽的一种气体，只要和空气混合，达到 4%~75%的比例，就会发生爆炸，属于一级爆炸气体。所以，从制氢站、储氢站、运输车、加氢站，到氢燃料电池汽车都需要对氢气进行检测，尽早发现泄露，立马关掉阀门并发出警报，降低安全隐患。

此外，对于氢燃料电池汽车而言，氢气传感器不仅能用于监测气罐和电堆端氢气的泄露，还能用于检测排放尾气中的氢气浓度。燃料电池汽车也就能根据这些监测的信息来实时分析电堆的性能和反应程度，从而及时调整相关输入指标或数据配置来实现车辆的安全、高效运行。

车规级氢气传感器市场规模有多大？

以氢燃料电池汽车为例，一般需要配置 3~5 个氢气检测模块。

此外，要研究车规级氢气传感器市场，我们就要与氢燃料电池汽车落地情况与趋势关联起来。根据国务院发布的新能源汽车产业蓝皮书显示，到 2025 年，中国的氢燃料电池汽车总量要达到 5 万辆，到 2030 年，这个数字将上升为 100 万辆。因此，假设以 2030 年为时间节点，每辆车配置 3 个氢气检测模块的话，只是汽车方面的用量就要达到 300 万个，再加上整个产业链上氢气传感器的配套情况，保守估计将有 500~1000 万个的量。

单个模组价格方面，由于目前车规级氢气传感器处于被日本 FIS 和日本理研垄断的状态，日本理研的单价约为 5000 元左右，而日本 FIS 的单价则在 1500 元以上，如果是小批量则可能在 2000 元左右。

因此，假设以 2000 元作为单价计算的话，到 2030 年，中国氢燃料电池汽车对氢气传感器的需求价值约在 100 亿~200 亿元之间。

摆脱依赖进口局面，国产突破在即？

上面也提到了氢气传感器目前处于垄断市场状态，这也意味着目前中国对氢气传感器进口的依赖程度非常大。这一方面是车用级氢气传感器需随整车一起经历更为严苛的高低温、抗外力、抗电磁干扰和防护等级高等考验，另一方面也源于国内研发起点较晚，确保产品全面性、可靠性和安全性的设计、分析、验证和整车测试迭代还不到位。

如何解决上述问题呢？其中值得一提的是目前采用的传感器厂商联合车厂研发的机制。像国字号的东风、长安、上汽、广汽，央企一汽，以及民企奇瑞、吉利、长城、比亚迪等都在制定规划并有序推荐。整车厂层面来讲，上汽是走在比较前面的，比如已经发布的荣威 950 和大通商务车，都是属于氢燃料电池汽车。而在车规级氢气传感器层面，国内主要有苏州的纳格光电和河南日立信在做，两家的检测原理不同，苏州纳格光电采用的是纳米材料批量印刷技术与 MEMS 工艺，而河南日立信采用的则是钯合金薄膜吸附原理。就响应速度而言，日本 Fis 可以做到 1s 以内，我国本土厂商苏州纳格光电目前可以做到 2s，而河南日立信的稍慢，需要 10s 左右。根据美国 SAE 标准，对车规级氢气传感器的响应时间要求是 2s 左右，因此苏州纳格光电经过严格车规测试的产品已具备进入主流市场的资质。

写在最后

目前丰田 Mirai 在日本、美国加州和韩国等地都卖得很好，经过补贴后大概三四十万的价格，同等级的 B 级车凯美瑞则只要 20 多万，价格上还是没有优势。但从价格趋势来讲，就电堆层面，两年前 10000 元 /Kw，每辆车要配上 30kW，就要花上 30 万元，而今天这个价格已经降到 1000 元 /Kw，降了整整 10 倍，同样的其他层面的价格也都在往下降，这对于整车推广是十分有利的。

只是目前除了价格层面，氢燃料电池汽车的发展还面临制氢转化效率较低、加氢站配套不足等生态链发展问题。氢气传感器作为其中的一颗螺丝钉，也面临非常多的挑战。苏州纳格光电副总经理张克栋向与非网吐露：“我们做车规级氢气传感器已经有两年多时间了，目前面临最大的问题是，这个行业还没有出台标准细则，比如整车氢气检测模组安装数量、响应时间、回复时间、使用寿命等等，这些都是需要国家层面来制定的。如此，我们企业才会有看齐标杆，产品也会更加规范化。”
编辑：hfy