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結(jié)構(gòu)仍然是以煤炭為主，為實現(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%。交通運輸行業(yè)實現(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，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[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，已實現(xiàn)量產(chǎn)并投入規(guī)模化運營。

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)域為推進(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、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；做好實施應(yīng)用，嚴(yán)格執(zhí)行和落實標(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，重點疏通目前存在較大瓶頸的低成本制氫、運儲氫問題，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，我國實際運營和在建加氫站多為示范性或為示范性汽車提供加注服務(wù)，暫未實現(xiàn)商業(yè)化運營。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、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，市場規(guī)模較小，大多是以管束車形式進(jìn)行運輸，運量較小，運輸半徑較短，儲運成本較高；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現(xiàn)同臺競技，在公路交通運輸領(lǐng)域發(fā)揮重大作用。