我國氫燃料電池汽車的現(xiàn)狀及發(fā)展策略

李志強，王 侃，王會杰

（西華大學 汽車與交通學院，四川 成都 610039）

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，汽車的普及率和保有量在顯著提升，2020年全國汽車保有量達到3.72億輛，汽車產(chǎn)業(yè)進入了黃金時代，但是化石燃料匱乏危機、全球氣候變暖和環(huán)境污染等問題也日趨嚴重。因此，大力發(fā)展新能源汽車，成為我國保護環(huán)境、節(jié)約能源的主要措施[1-2]。氫燃料電池汽車具有零污染、零排放、高效率、續(xù)航里程長、加氫時間短、低溫啟動性好等優(yōu)點，被公認為21世紀最有潛力的新能源清潔動力汽車，特別是能夠彌補我國純電動汽車的不足，是我國新能源汽車“三縱三橫”研究布局的重要環(huán)節(jié)[3-4]。但是目前我國氫燃料汽車產(chǎn)業(yè)還存在電池成本高、加氫站少、制氫困難等問題，對氫燃料電池汽車發(fā)展帶來巨大沖擊[5]，本文將結(jié)合目前一些急需解決的問題，為氫燃料電池汽車提出一些具有時效性的發(fā)展策略。

1 燃料電池概述

氫燃料電池作為氫燃料電池汽車的核心，通過電化學反應把燃料中的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置[6]。如圖1所示，氫燃料電池工作原理是將氫氣和氧氣分別供給電池內(nèi)部的陽極和陰極，氫氣通過陽極在催生劑的作用下生成一個帶正電荷的氫離子和一個帶負電荷的電子，氫離子透過電解質(zhì)到達陰極并且與氧氣結(jié)合生成水，而陽極中的電子只能通過外部電路到達陰極形成回路，最終產(chǎn)生電流[7]。氫燃料種類繁多，通常按照電解質(zhì)的不同分為堿性燃料電池、磷酸型燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池和固體氧化物燃料電池[8]。目前，在市場上使用率較大的是以質(zhì)子交換膜作為核心材料的燃料電池，主要原因是由于質(zhì)子交換膜室溫下啟動速度快，無電解質(zhì)流失，且具有較高的比功率與比能量[9-10]。

圖1 氫燃料電池的工作原理

2 氫燃料電池汽車的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 氫燃料電池汽車市場現(xiàn)狀

氫燃料電池汽車作為新一代的新能源汽車，對汽車產(chǎn)業(yè)結(jié)構調(diào)整起著主導性作用。自從2015年以來，我國氫燃料汽車呈現(xiàn)不斷上升的趨勢，在2019年我國氫燃料汽車產(chǎn)量達到3 018輛，而在2020年期間，全球受世界衛(wèi)生事件的嚴重影響，以及政府的補貼力度減弱，氫燃料電池汽車受到嚴重的沖擊，總產(chǎn)量只有1 199輛。根據(jù)中國燃料電池汽車市場現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢分析，如圖2所示，2015年氫燃料電池汽車產(chǎn)量10輛，2016年氫燃料電池628輛，2017年氫燃料電池汽車1 272輛，2018年氫燃料電池汽車1 612輛，2019年氫燃料電池汽車3 018年，2020年氫燃料電池汽車1 199輛。

圖2 2015—2020年氫燃料電池汽車產(chǎn)量

我國氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)結(jié)構中，氫燃料電池客車的產(chǎn)量占比逐年升高。如圖3所示，2016年氫燃料客車28輛，2017年氫燃料電池客車189輛，2018年氫燃料電池客車710輛，2019年氫燃料電池客車1 340輛，2020年氫燃料電池客車549輛。目前，氫燃料電池客車生產(chǎn)主要集中在上汽大通、宇通客車、飛馳汽車、廈門金旅和申龍客車這五家客車企業(yè)[11]。隨著市場的擴大，我國未來幾年的氫燃料電池汽車仍然有巨大前景。

圖3 2016—2020年氫燃料電池客車產(chǎn)量

2.2 氫燃料電池汽車行業(yè)政策

目前我國政府對于氫燃料電池汽車的發(fā)展相當重視。2016年12月，國務院發(fā)布了《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》提到推進燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)化。2018年四部委發(fā)布了《關于調(diào)整完善新能源汽車推廣應用財政補貼政策的通知》改善了燃料電池汽車的補貼技術要求，2019年四部委發(fā)布了《關于進一步完善新能源汽車推廣應用財政補貼政策的通知》。2020年頒布了《中華人民共和國能源法征求意見稿》進一步鼓勵大力發(fā)展氫燃料汽車，2020年4月30日頒布了《關于完善新能源汽車推廣應用財政補貼政策的通知》，財政部進一步明確“以獎代補、擇優(yōu)支持”的思路，如表1所示到2025年，我國要求實現(xiàn)10萬輛氫燃料電池汽車的規(guī)模[12]。這些政策都將有力推動氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展。

表1 氫燃料電池汽車行業(yè)政策

3 國內(nèi)氫燃料電池汽車發(fā)展中存在的問題

3.1 氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈不完善

我國氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈較長，主要包括兩大部分，第一部分是氫燃料電池系統(tǒng)及關鍵部件，第二部分是整車生產(chǎn)。與傳統(tǒng)汽車相比較，增加了氫燃料系統(tǒng)和車載供氫系統(tǒng)，目前受到國內(nèi)工業(yè)水平的影響，在實際生產(chǎn)中，核心部件和關鍵基礎材料仍然依賴進口[13]。而產(chǎn)業(yè)鏈所涉及的主要零部件包括高壓儲氫瓶、減壓閥、氫氣循環(huán)泵、空氣壓縮機、DCDC轉(zhuǎn)化器、水泵、散熱器、各種控制器等，其中主要的核心零部件包括氫氣循環(huán)泵、空壓機、增濕器、質(zhì)子交換膜，核心部件目前主要依托于國外供應商，國內(nèi)許多龍頭企業(yè)發(fā)揮的產(chǎn)業(yè)鏈的帶頭作用還不足，氫燃料電池系統(tǒng)中的核心技術嚴重缺失，給未來發(fā)展氫燃料電池汽車帶來一定的影響[14-15]。

3.2 燃料電池生產(chǎn)成本較高

氫燃料電池系統(tǒng)占據(jù)整車成本的50%，氫燃料電池（電堆）占據(jù)了氫燃料電池系統(tǒng)成本的60%，而造成氫燃料電池成本高的原因有兩點，第一，氫燃料電池結(jié)構比較特殊；第二，電池的制造材料價格昂貴[16]，其中電堆中雙極板、催化劑、質(zhì)子交換膜、碳紙等材料是氫燃料電池的主要成本，其核心材料包括鉑催化劑、電解質(zhì)膜和雙極板[17]；氫燃料電池都是使用鉑作為催化劑，該金屬成本較高；且由于氫燃料電池中的電解質(zhì)膜具有很好的氧化和還原穩(wěn)定性，所以電解質(zhì)膜的價格也較貴；燃料電池中的雙極板主要是石墨烯材料，其加工成本大。

3.3 氫能基礎設施建設相對落后

目前，我國儲氫技術還不夠成熟，氫氣儲存的安全性、氫氣濃度、成本等問題是影響氫燃料電池發(fā)展的核心。目前常用的儲氫技術包括物理儲氫、化學儲氫、其他儲氫。物理儲氫雖然成本低，但是安全性較差；化學儲氫雖然安全性較高，但是放氫較難，且濃度較低；其他儲氫也存在安全性高，但儲氫濃度低的問題。

隨著氫燃料電池汽車的發(fā)展，加氫站的建設是基礎設施建設之一。目前國內(nèi)建設一座加氫站需要消耗200美元～250美元，成本較高。近年來，隨著政策的支持，加氫站也在不斷增加，截至2020年12月底，我國建設了118座加氫站。如圖4所示，加氫站的數(shù)量也在不斷的增加，2018年，全國加氫站369座，2019年，全國加氫站432座，2020年，全國加氫站553座。但是從全國范圍來看，全國的加氫站的數(shù)量依然較少。

圖4 2018—2020年全國加氫站數(shù)量

4 氫燃料電池汽車發(fā)展的策略

4.1 加強完善氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈

氫燃料電池汽車要實現(xiàn)快速的發(fā)展，必須把核心部件的技術掌握在自己手中，才能夠更好地發(fā)展氫燃料電池汽車。首先，從國家政策導向出發(fā)，國家對燃料電池產(chǎn)業(yè)扶持的重心必須向上游關鍵材料及零部件轉(zhuǎn)移，陸續(xù)出臺一系列產(chǎn)業(yè)鏈培育、技術研發(fā)創(chuàng)新、重大技術攻關等政策，才能使氫燃料電池汽車的產(chǎn)業(yè)鏈具有核心競爭力[18]。其次，要加強氫燃料電池中各個零部件制作的國產(chǎn)化和技術水平，提升各個核心部件和系統(tǒng)的研發(fā)，從而形成封閉的產(chǎn)業(yè)鏈，促進氫燃料電池汽車的發(fā)展。最后，要加強系統(tǒng)制造商和整車企業(yè)的研發(fā)，建立產(chǎn)學研聯(lián)盟，促進技術的研發(fā)[19]。

4.2 加強研發(fā)投入，降低電池生產(chǎn)成本

目前，對于氫燃料電池汽車電池的制造材料價格昂貴等一系列問題。首先，要實施財政政策、金融政策、產(chǎn)業(yè)組織政策和企業(yè)幫扶政策等相關政策，加強龍頭企業(yè)建設、加大人才培養(yǎng)和引進力度，有效地加快企業(yè)的自主研發(fā)能力。其次，企業(yè)要不斷突破制造材料昂貴、稀缺的瓶頸，自主研發(fā)具有低成本、高穩(wěn)定的新材料，例如：可以用其他材料代替雙極板所使用的石墨烯材料，實現(xiàn)批量生產(chǎn)，降低電池生產(chǎn)成本[20]。最后，要實現(xiàn)電池技術的技術突破離不開專業(yè)人才，因此，要建設一支穩(wěn)定的專業(yè)人才隊伍，推進電池核心技術的突破。

4.3 加強政策引領，促進氫能基礎設施完善

目前，我國儲氫技術相對比較落后，面對氫氣具有易燃、易爆、易泄露的特性，要不斷提高各類儲氫技術的效率，降低儲氫過程中的成本，提高安全性[21]。面對我國氫燃能基礎設施相對落后、加氫站較少的問題。首先，堅持市場主導與政策驅(qū)動并行，逐步建立科學合理的產(chǎn)業(yè)補貼政策，將加氫站納入國家重點扶持的公共基礎設施[22]。最后，要推進加氫站基礎設施建設，完善加氫站建設的相關政策，細化更新各類標準，完善建設過程中的各種審批流程，降低審批難度，提升建設效率[23]。

5 結(jié)論

本文對我國氫燃料電池汽車市場現(xiàn)狀和行業(yè)政策進行了概述，并分析了我國氫燃料電池汽車發(fā)展中存在的問題，提出了加強完善氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈、加強研發(fā)投入，降低電池生產(chǎn)成本、加強政策引領，促進氫能基礎設施完善等發(fā)展策略，為氫能源汽車進一步發(fā)展提出了可行的建議。該研究成果為我國氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到了參考作用，同時也對汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢起到導向作用。