燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展瓶頸及應(yīng)對策略

李政賢 楊 輝 李一凡

（1.質(zhì)子汽車科技有限公司；2.陜西風(fēng)潤智能制造研究院有限公司；3.陜西重型汽車有限公司；陜西 西安 710200）

0 引言

我國在第75屆聯(lián)合國大會上正式提出2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和的目標(biāo)。目前我國的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)仍然是以煤炭為主，為實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)，我國將加快推進(jìn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，大力發(fā)展清潔能源，并持續(xù)優(yōu)化能源供給結(jié)構(gòu)。氫能是來源廣泛、清潔、高效的二次能源，加快推進(jìn)我國氫能利用與發(fā)展，是改善國家能源體系、保障國家能源安全、積極應(yīng)對氣候變化的良好路徑之一[1-3]。

在我國，除電力、鋼鐵等高耗能企業(yè)碳排放量長期居高不下外，交通運(yùn)輸作為重要的服務(wù)性行業(yè)，其碳排放量緊隨其后。從能源活動領(lǐng)域角度來看，交通運(yùn)輸業(yè)碳排放約占據(jù)碳排放總量的9%[4]，其中商用車碳排放量占比接近65%，重型商用車占商用車碳排放量比例更是高達(dá)83.5%。交通運(yùn)輸行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和壓力巨大。

近年來為有效降低交通行業(yè)碳排放量，國家大力發(fā)展新能源汽車，主要包括純電動、混合動力、燃料電池3條技術(shù)路線，其中純電動及混合動力技術(shù)路線已批量應(yīng)用于乘用車。在重型商用車領(lǐng)域，隨著鋼鐵企業(yè)環(huán)評升級等政策推動以及車輛油電經(jīng)濟(jì)性因素驅(qū)使，純電動重卡正逐步被市場所接受。從北斗數(shù)據(jù)來看，2022年我國純電動重卡銷量大于1.5萬輛，但因續(xù)駛里程短、耐低溫性能差等因素，主要應(yīng)用于固定場景倒短運(yùn)輸。與純電動重卡相比，燃料電池重卡具有補(bǔ)能時間短、續(xù)航里程長、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，對于作為生產(chǎn)資料的商用車而言是一種更好的選擇。同時，商用車運(yùn)輸路線較為固定，可相對集中修建加氫站，滿足車輛的補(bǔ)能需求。因此，可將氫燃料電池商用車作為氫能產(chǎn)業(yè)鏈的突破口和首選應(yīng)用場景。

1 燃料電池概述

燃料電池是一種主要通過氧或其他氧化劑進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，把燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的電池。與鋰電池不同，燃料電池是一種發(fā)電裝置。

燃料電池按電解質(zhì)種類又可分為堿性燃料電池、磷酸鹽型燃料電池、熔融碳酸鹽型燃料電池、固體氧化物型燃料電池和質(zhì)子交換膜燃料電池。其中，質(zhì)子交換膜類燃料電池具有能量利用率高、啟動速度快、壽命長等優(yōu)點(diǎn)[5]，且在較低溫度下工作狀態(tài)良好[6]，適合用于燃料電池汽車的匹配開發(fā)。

氫燃料電池使用氫氣作為燃料，利用電解水的逆反應(yīng)產(chǎn)生電能，反應(yīng)過程無其他污染物。氫燃料電池系統(tǒng)效率遠(yuǎn)高于現(xiàn)在普遍使用的內(nèi)燃機(jī)，并且可以有效降低車輛運(yùn)營過程的碳排放量，是目前應(yīng)用最為廣泛的燃料電池汽車的動力裝置。

2 氫燃料電池汽車發(fā)展現(xiàn)狀

自2017年以來，我國氫能與燃料電池汽車發(fā)展極為迅速。數(shù)據(jù)顯示，2022年，我國氫燃料電池商用車銷售4 782輛，同比增長155.2%；乘用車銷量僅227輛。在氫燃料電池商用車中，客車銷售1 260輛，卡車銷售3 522輛，其中氫燃料電池重卡銷售2 465輛，領(lǐng)漲新能源重卡各個細(xì)分車型，成為推動氫燃料電池商用車高速增長的主要動力。

從銷量數(shù)據(jù)來看，我國燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向與國外存在明顯不同：美國、日本、韓國和歐盟的燃料電池汽車推廣以乘用車為主，而我國以商用車為主，已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)并投入規(guī)?；\(yùn)營。

3 氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展瓶頸及應(yīng)對策略

重型商用車作為燃料電池汽車推廣的重要媒介，正在逐步進(jìn)行市場滲透。根據(jù)北斗數(shù)據(jù)顯示，2022年我國燃料電池重卡銷量約1 600輛，已占新能源重卡市場的10%左右。雖然在商業(yè)化應(yīng)用取得了較大突破，但是仍存在很多問題。

3.1 國家標(biāo)準(zhǔn)及政策亟待補(bǔ)充完善

氫燃料電池汽車作為一個新興產(chǎn)業(yè)，因產(chǎn)業(yè)鏈跨度大、新應(yīng)用零部件品種多等因素導(dǎo)致相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)較少，體系不健全。2020年以來，國家僅發(fā)布《車用質(zhì)子交換膜燃料電池堆使用壽命測試評價方法》、《燃料電池電動汽車 安全要求》等10項相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，無法全面覆蓋產(chǎn)品性能測試及一致性管理工作。部分區(qū)域?yàn)橥七M(jìn)燃料電池汽車發(fā)展制定了相關(guān)團(tuán)體或地方標(biāo)準(zhǔn)，彼此間兼容性不足，致使很多產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)參差不齊；同時氫氣作為危險化學(xué)品，在制取、儲運(yùn)、加注管理方面仍存在諸多制約，導(dǎo)致氫能產(chǎn)業(yè)鏈布局步伐較緩。

國家已發(fā)布?xì)淙剂掀嚦鞘惺痉度海罅χС秩剂想姵匕l(fā)展，但是部分城市推廣政策針對產(chǎn)品本地化保護(hù)嚴(yán)重，也影響了正常的市場競爭局面。國家應(yīng)對氫燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈的缺失環(huán)節(jié)或薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行摸排，積極出臺相關(guān)扶持政策，同時加強(qiáng)氫能及燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的頂層設(shè)計，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)體系框架，推廣補(bǔ)貼政策與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)同步發(fā)布；細(xì)化氫能產(chǎn)業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，明確技術(shù)發(fā)展方向，統(tǒng)籌產(chǎn)業(yè)布局；做好實(shí)施應(yīng)用，嚴(yán)格執(zhí)行和落實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，推廣階段統(tǒng)一認(rèn)識，規(guī)范產(chǎn)業(yè)鏈行為，避免因“百家爭鳴”占用過多的社會資源。

3.2 核心零部件及材料自主化率低、成本高

相比于純電動汽車，燃料電池汽車主要增加了燃料電池系統(tǒng)和車載儲氫系統(tǒng)。作為燃料電池汽車的核心動力裝置，燃料電池系統(tǒng)由電堆、空氣供給系統(tǒng)、氫氣供給系統(tǒng)、冷卻排水系統(tǒng)及電能控制系統(tǒng)等部分組成，其中電堆成本約占系統(tǒng)總成本的60%左右。目前我國掌握燃料電池系統(tǒng)集成技術(shù)的企業(yè)較多，但核心零部件的自主化率和產(chǎn)品性能仍有待提升，主要表現(xiàn)在：催化劑、質(zhì)子交換膜、碳紙等關(guān)鍵材料對國外依賴度較大；關(guān)鍵組件制備工藝、性能與可靠性方面急需提升；質(zhì)子交換膜、極板、空氣壓縮機(jī)、氫泵等技術(shù)仍不夠成熟，依賴進(jìn)口，嚴(yán)重影響了燃料電池系統(tǒng)的生產(chǎn)成本。

車載供氫系統(tǒng)約占燃料電池汽車總成本的14%。目前，我國以高壓氣態(tài)儲氫系統(tǒng)為主，主要應(yīng)用35 MPa III型瓶，但國際市場歐美日韓基本上都采用的是70 MPa IV型瓶。由于我國研發(fā)起步晚、原材料性能差等原因，關(guān)鍵材料碳纖維主要依賴進(jìn)口，制約了車輛成本的進(jìn)一步降低。

核心零部件及材料國產(chǎn)化率低，使我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展受阻，也使我國的氫能汽車規(guī)模擴(kuò)張、降低成本較為困難。為保證燃料電池產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展，應(yīng)全面強(qiáng)化“產(chǎn)學(xué)研”的協(xié)同攻關(guān)，發(fā)揮聯(lián)合優(yōu)勢以促進(jìn)核心技術(shù)突破；大力扶持零部件研發(fā)企業(yè)，激發(fā)企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新活力，強(qiáng)化企業(yè)優(yōu)勢，政府給予政策支持，確保關(guān)鍵零部件順利實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。隨著未來車輛規(guī)模的擴(kuò)大，車輛成本將會得到有效控制。

3.3 市場驗(yàn)證時間短，性能及可靠性有待提升

目前，氫燃料電池汽車發(fā)展時間較短，市場驗(yàn)證不成熟，氫燃料電池電堆功率密度、低溫啟動溫度等技術(shù)仍有較大提升空間。在市場驗(yàn)證過程中也暴露出諸多問題，如氫燃料電池動態(tài)響應(yīng)速率慢、大功率燃料電池發(fā)動機(jī)散熱量大等。氫燃料電池的使用條件及工況與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)存在較大差異，電流波動、電壓波動、溫度濕度波動、壓力波動均能造成電堆壽命的縮短，加之催化劑容易與燃料中的一氧化碳、硫等物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致失活，無法再進(jìn)行催化作用，影響燃料電池性能。

除此之外，在車載高壓儲氫瓶方面，我國70 MPa儲氫瓶性能一般，成本較高，未實(shí)現(xiàn)規(guī)?；慨a(chǎn)。我國氫燃料汽車在響應(yīng)速率、壽命、購車成本等方面還有較大提升空間。

重卡的使用工況相比乘用車、客車更加復(fù)雜，所以燃料電池系統(tǒng)的工況適應(yīng)性和可靠性顯得尤為重要，提高氫氣的品質(zhì)、改進(jìn)催化劑的結(jié)構(gòu)和性能、提高質(zhì)子交換膜的強(qiáng)度以及產(chǎn)品初期驗(yàn)證過程中的問題優(yōu)化，都將有效提高產(chǎn)品可靠性，促進(jìn)市場的不斷成熟。未來需要加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)，以整車企業(yè)為鏈主，打通氫能產(chǎn)業(yè)鏈，優(yōu)先使用國產(chǎn)零部件，大力支持國產(chǎn)零部件的研發(fā)與應(yīng)用，重點(diǎn)疏通目前存在較大瓶頸的低成本制氫、運(yùn)儲氫問題，提升產(chǎn)品性能及適應(yīng)性，使整車企業(yè)、零部件企業(yè)形成良性互動和良性發(fā)展。

3.4 車輛保有量低，基礎(chǔ)設(shè)施不完善

在燃料電池汽車推廣階段，加氫站的建設(shè)與運(yùn)營面臨產(chǎn)業(yè)發(fā)展的初期困難，市場車輛保有量低，氫氣壓縮機(jī)、加注機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備依靠進(jìn)口，加氫站建設(shè)成本遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)加油站，公共加氫站難以通過規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)收支平衡，導(dǎo)致配套設(shè)施建設(shè)不完善，“加氫焦慮”問題凸顯，制約了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前，我國實(shí)際運(yùn)營和在建加氫站多為示范性或?yàn)槭痉缎云囂峁┘幼⒎?wù)，暫未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)營。加氫站的初期投建一次性成本較高，同時選址要求嚴(yán)格，也是影響加氫站建設(shè)的重要因素。

未來應(yīng)合理規(guī)劃加氫站布局，進(jìn)一步提高加氫基礎(chǔ)設(shè)施材料、核心組件和技術(shù)的國產(chǎn)化比例，降低加氫站建設(shè)成本；鼓勵優(yōu)勢區(qū)域發(fā)展，借助焦化、鋼鐵等工業(yè)附產(chǎn)氫資源豐富企業(yè)，優(yōu)先發(fā)展加氫基礎(chǔ)設(shè)施，打造氫能循環(huán)利用生態(tài)圈，以示范帶動產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

3.5 終端氫價貴，車輛運(yùn)營成本增加

目前氫氣的市場終端價格遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)化石燃料，究其原因主要為制、儲、運(yùn)、加等各個環(huán)節(jié)均增加了成本?，F(xiàn)階段我國主要以煤制氫和工業(yè)附產(chǎn)氫的低成本制氫工藝為主，生產(chǎn)過程仍會帶來大量的CO2排放，如采用清潔的電解水制氫工藝，制氫成本將進(jìn)一步增高；當(dāng)前氫氣主要是以壓縮氣態(tài)儲運(yùn)，市場規(guī)模較小，大多是以管束車形式進(jìn)行運(yùn)輸，運(yùn)量較小，運(yùn)輸半徑較短，儲運(yùn)成本較高；加氫站的建設(shè)成本、數(shù)量也影響氫氣價格，導(dǎo)致氫氣相比于化石燃料的競爭力差。

車輛運(yùn)營成本是影響客戶購車的重要影響因素，對購車客戶進(jìn)行用氫補(bǔ)貼將是近期產(chǎn)業(yè)發(fā)展強(qiáng)有力的支持政策。解決產(chǎn)業(yè)技術(shù)瓶頸、降低過程成本仍是降低終端氫氣價格的重要舉措。應(yīng)大力發(fā)展可再生能源制氫，降低制氫成本；加大液氫、固態(tài)儲氫等高密度儲氫技術(shù)研究，降低過程能耗和設(shè)備成本，突破管道輸氫技術(shù)，解決長距離、大規(guī)模氫氣運(yùn)輸問題。

4 總結(jié)及展望

氫燃料電池汽車從生產(chǎn)制造到市場運(yùn)營仍存在諸多需解決的問題，大規(guī)模商業(yè)化更是需要解決產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵核心技術(shù)及成本瓶頸。為促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，國家已發(fā)布京津冀、上海、廣東、河北、河南5大氫燃料電池汽車城市示范群，共涵蓋47座城市，各示范城市群也出臺了相關(guān)配套政策，支持氫能產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，從關(guān)鍵零部件研發(fā)、加氫站建設(shè)、燃料電池車輛購置等多方面進(jìn)行政策補(bǔ)貼，支持市場運(yùn)營。通過未來的應(yīng)用示范，將拉動氫能產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，重點(diǎn)疏通瓶頸環(huán)節(jié)后將加速商業(yè)化落地。

打造氫能產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈是我國能源體系的重要一環(huán)。氫燃料汽車作為氫能應(yīng)用的主要工具，隨著其核心技術(shù)的不斷攻關(guān)、基礎(chǔ)設(shè)施更趨完善、用氫成本的不斷降低，必將與純電動汽車實(shí)現(xiàn)同臺競技，在公路交通運(yùn)輸領(lǐng)域發(fā)揮重大作用。