氫動力總成及汽車發展態勢分析

朱云堯

（中國汽車工程研究院股份有限公司, 重慶 404100）

0 引言

在能源短缺及全球氣候變化背景下，全球各國都在積極探索能源轉型與節能減排[1]。我國已提出CO2排放力爭2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和，這需要我國優化產業和能源結構，加快構建以可再生能源為主的能源發展格局[2]。考慮氫燃料的清潔循環特性[3]，氫能已成為全球能源轉型、新一輪碳減排和碳中和的首選方向，被多個國家納入能源戰略部署[2]。

利用氫燃料作為能源的新能源汽車主要有燃料電池汽車（Fuel Cell Electric Vehicle，FCEV）和氫燃料發動機汽車（Hydrogen- Fueled Engine Vehicle，HFEV）[4]，燃料電池發動機和氫燃料發動機[5]是車用氫動力總成2 種完全不同的技術路線，研究分析2 種氫動力汽車發展態勢并對比其發展差異，對我國新能源汽車產業發展，尤其對新能源商用車發展布局具有重要意義。

本文立足于全球視角，系統全面分析了燃料電池汽車與氫燃料發動機汽車發展態勢，可為我國相關產業鏈布局及發展提供指引參考，并進一步提出氫動力總成及汽車高質量發展建議。

1 氫能及氫動力汽車基本情況

1.1 能源結構轉型

當前，全球能源供給體系仍以碳排放高、不可再生的化石能源為主[6]。考慮到化石能源碳排放對氣候影響較大及持續走高的價格，世界能源格局向清潔、低碳、綠色、高效、多元方向轉變[6]。從各機構對全球一次能源需求結構預測來看，未來30 年，全球一次能源消費中，化石能源仍占72%以上，但中國對未來全球能源格局影響巨大[7]。我國已形成煤炭、石油、天然氣、可再生能源多元能源供需體系[8]。根據國家能源局數據，截至2022 年12 月，水電、風電、太陽能發電累計裝機規模分別達到4.13億kW、3.65億kW 和3.93億kW，均居世界首位，能源消費結構正加快向清潔可再生低碳能源轉變[6]，具體能源需求及構成見圖1。

圖1 2020—2060我國能源需求及構成[6]

1.2 氫能定位

為統籌推進“3060”雙碳發展目標，須加快提升以光伏、水電、風電等可再生能源電力供給和消費比例。但是，可再生能源電力具有不穩定性、間歇性、區域性等特征，且電力不適合長期存儲。為保障可再生能源電力體系“源網荷儲”互動并確保電網體系安全平穩，氫能作為易于存儲、運輸且幾乎無任何污染的能源載體[9]，能與可再生能源電網體系有效互動，是推動可再生能源成為我國能源消費主體的重要舉托者[6]，成為推動綠色電力發展的關鍵環節，各類能源定位見圖2。

1.3 氫能特性

氫能作為化學儲能能源，可利用廢棄能量制取，因其具有高能量密度和清潔無污染的優點被視為未來能源技術方向[10]。與甲烷、汽油和柴油相比，氫氣具有低熱值高、自燃溫度高、辛烷值高、點火能量小、淬熄距離短、燃燒速度快、燃燒極限范圍廣等優點（表1）。

表1 氫氣與其他能源特性對比[2]

1.4 氫動力總成及汽車

我國是全球汽車保有量和產銷量最大的國家，截至2022 年底，汽車保有量為3.19 億輛，其中傳統燃油汽車保有量占比為95.9%，石油對外依存度為71.2%，這給我國能源與交通安全帶來巨大挑戰[11]。新能源汽車是我國能源結構轉型、減少環境污染、降低碳排放、實現汽車強國等背景需求下的戰略選擇。

2022年，我國新能源汽車銷量688.7萬輛，其中乘用車銷量655 萬輛，商用車銷量33.7 萬輛。新能源乘用車銷量占乘用車總銷量比例為27.8%，新能源商用車銷量占商用車總銷量比例只有10.2%，整體遠落后于乘用車電動化進程。考慮到當前動力電池能量密度及環境適應性問題，無法滿足商用車長途應用場景，氫動力汽車成為新能源商用車長途應用重要解決方案之一。

根據動力原理不同，使用氫動力總成的汽車包括燃料電池汽車和氫燃料發動機汽車2類。燃料電池發動機是利用氫氣的化學能，在燃料電池發動機膜電極處發生電化學反應產生電能的動力裝置。氫燃料發動機是氫氣和氧氣在發動機氣缸內燃燒爆炸推動活塞往復運動產生機械運動的動力裝置，屬于傳統熱機的范疇。

2 氫動力總成及汽車發展態勢

2.1 國外燃料電池汽車發展態勢

氫能是具有廣闊發展前景的二次能源，燃料電池汽車作為氫能應用終端，受到全球范圍高度關注[12]。國外燃料電池汽車產業主要集中在日本、美國、韓國和歐洲，但各個國家和地區發展氫能與燃料電池汽車的初衷與路徑不同。

2.1.1 日本燃料電池汽車發展態勢

國土資源限制與能源獨立愿景是驅動日本發展氫能和燃料電池汽車的根本動力[13]。日本氫能與燃料電池汽車產業發展分為3 個階段。2000 年前，氫氣制取、運輸和貯存技術是研究重點；2000—2015年，開展燃料電池汽車示范及補貼推廣應用；2015 年后，推動基礎設施加氫站的建設，制定燃料電池汽車發展規劃，燃料電池汽車與加氫站協同發展。對于日本，發展氫能首要目的是擺脫能源限制，燃料電池汽車僅僅是氫能應用場景之一[14]。

日本已構建起多重壁壘支撐的燃料電池汽車產業。（1）日本已構建起系統完善的燃料電池汽車產業鏈，從液氫制備、儲運到燃料電池和加氫裝備，再到燃料電池整車的各細分領域形成產業閉環。（2）日本燃料電池汽車技術優勢明顯，作為全球首個燃料電池汽車商業化的國家，其燃料電池汽車各項技術優勢顯著。（3）日本燃料電池汽車市場份額優勢明顯，自2014年12 月豐田MIRAI FCV 上市以來，日本產燃料電池汽車銷量全球占比穩居20%以上[13]。

然而，日本實現燃料電池汽車發展目標仍具有不確定性。2019 年3 月，日本經濟產業省、國土交通省等部門發布第二次修訂的《氫能與燃料電池戰略路線圖》[15]。根據該路線圖的發展目標，到2025 年日本計劃累計推廣燃料電池汽車20 萬輛，累計建成加氫站320座[16]（表2）。但是截至2021年底，日本累計推廣燃料電池汽車17 933 輛，約占全球36%，累計建成加氫站157 座，占全球總量23.8%。日本燃料電池汽車推廣目標實現難度較大，主要原因如下：（1）當前燃料電池汽車推廣效果不佳；（2）全球純電動與混合動力乘用車接受程度越來越高；（3）燃料電池汽車成本高昂；（4）加氫站基礎設施建設相對滯后。

表2 日本燃料電池汽車發展目標[16]

2.1.2 美國燃料電池汽車發展態勢

石油危機是美國將氫能作為戰略方向的重要原因[17]。通過對美國氫能與燃料電池汽車產業政策分析，可以看出美國燃料電池汽車產業發展也可分為3個階段。2005 年之前，產業政策重點是扶持氫能制取、運輸和儲存技術；2005—2015年，產業政策重點是氫燃料電池汽車及加氫站建設的財稅補貼，鼓勵燃料電池汽車示范和市場化應用；2015 年后，確定燃料電池汽車長期發展戰略，繼續對燃料電池汽車進行抵稅補貼，產業發展進入快車道。對于美國，氫能是“發展低碳技術、為清潔能源奠基”的戰略支點，且在《全面能源戰略》中明確提出，氫能作為替代性能源在交通轉型中起到引領作用[18]。

美國燃料電池汽車發展路徑為物料搬運車（如叉車）到中重型載貨汽車再到多元零排放車輛（如乘用車）。2020 年3 月，美國燃料電池和氫能協會發布的《美國氫能經濟路線圖》表明，發展氫能能夠鞏固美國能源領導地位并提振經濟，保障能源安全[19]。按其激進目標設定情景，到2030年，氫能將為美國帶來1 400億美元收入，創造70 萬個就業崗位；到2050 年，氫能將為美國帶來7 500億美元收入，創造340萬個就業崗位。基于全成本計算，2025—2030年實現燃料電池汽車成本與內燃機汽車持平，其目標詳見表3。

表3 美國燃料電池汽車發展目標[19]

美國燃料電池汽車推廣不及預期，實現2025年激進目標有較大挑戰。截至2021年底，美國燃料電池汽車保有量為12 390 輛，不及2025 年15 萬輛總目標銷量10%；累計建成加氫站86 座，為2025 年1 000 座加氫站目標8.6%。盡管激進目標難以實現，但在《美國氫能經濟路線圖》中也設定了基本目標，其銷量目標約為激進目標15%～30%，表明美國對燃料電池汽車發展仍持相對謹慎態度。

2.1.3 韓國燃料電池汽車發展態勢

韓國推進氫能與燃料電池汽車發展原因與日本類似，實現能源獨立的同時激發經濟增長新動能[16]。韓國能源對外依存度高達93%，化石能源使用占比超過83%。為保障能源安全，促進經濟增長，近年來韓國陸續發布氫能和燃料電池汽車相關戰略，旨在成為全球引領氫能發展經濟體。

韓國燃料電池汽車發展路徑為“先乘用車、后商用車，國內與國外市場并舉”。2019年1月17日，韓國發布《氫能經濟發展路線圖》，提出2030年進入氫能社會，成為世界氫能經濟領導者；2040年，韓國燃料電池汽車和國際市場占有率第一；氫能產業為韓國創造2 500億元收入和42萬個就業崗位[20-21]。《氫能經濟發展路線圖》涉及氫能發展5大領域[22]，包括氫能交通、氫能發電、氫氣生產、氫氣儲運和安全保障，氫能交通領域發展目標見表4。

表4 韓國燃料電池汽車發展目標[22]

韓國全球首部氫能法律保障氫能及燃料電池汽車產業發展。2022 年2 月，韓國頒布全球首部《促進氫能經濟和氫安全管理法》，從5個方面助力韓國實現氫能社會及為氫能產業發展提供強有力的政策保障，包括：實施氫經濟的保障體系、培育氫能專業公司、氫能供應設施部署、氫能經濟基礎和氫能安全管理。

盡管韓國燃料電池汽車保有量及全球累計投放量全球第一，但實現短期目標仍有難度。截至2021年底，韓國燃料電池汽車保有量19 330 輛，占全球燃料汽車保有量39%，位居全球第一。現代汽車推出的燃料電池SUV—Nexo 全球累計投放量為22 337 輛，占全球總量45%，位居全球第一，但距離2022年8.1萬輛的累計目標產量仍有將近6 萬輛差距。截至2021 年底，韓國加氫站數量累計建成95 座，距離2022 年加氫站建設目標差距較大。

2.1.4 歐洲燃料電池汽車發展態勢

為了應對能源與氣候變化、實現脫碳目標是歐洲發展氫能和燃料電池汽車的驅動因素。歐洲將氫能與燃料電池技術視為能源領域的戰略技術，一直致力于促進“交通與氫能”融合發展，支持氫能和燃料電池產業協同發展。歐洲氫能與燃料電池汽車發展分為3個階段。1994—1998 年，歐洲實施“第四個研究開發框架計劃（1994—1998）”，初步開展氫能產業技術研究[23]。2008—2014 年，歐洲設立燃料電池與氫能源事業聯合組織（Fuel Cell and Hydrogen Joint Undertaking，FCH JU），支持燃料電池和氫能技術研發與示范[24]。2014年后，歐洲啟動燃料電池技術與氫能合作計劃二期（The Second Generation of the European Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking，FCH 2JU），工作重點轉向推動燃料電池和氫能技術商業化，包括大規模示范、提供融資方案和提高社會接受度等[16]。

歐洲制定了宏偉的燃料電池汽車發展目標，以乘用車為主，輕型商用車為輔。2019年2月，FCH 2JU發布《歐洲氫能路線圖：歐洲能源轉型的可持續發展路徑》[25]，制定2030 年燃料電池汽車發展目標路線圖。2030 年前，歐洲氫能產業發展的3 個優勢領域為：（1）天然氣管道摻氫、氫能交通發展（主要是乘用車、商用車、大型客車、重型交通設備，（2）物料搬運車的氫能使用），（3）現有制氫技術脫碳化。其中，氫能交通領域具體目標見表5。

表5 歐洲2030年氫能交通發展目標[25]

歐洲燃料電池汽車發展成效不盡理想，俄烏沖突進一步阻礙燃料電池汽車產業發展。截至2022年底，歐洲燃料電池汽車保有量為2 135輛，僅占全球3.2%，與2030 年400 萬輛以上燃料電池汽車保有量目標相距甚遠。加氫站累計建成228 座，占全球33.3%，燃料電池汽車保有量與加氫站數量發展嚴重不匹配。2022年，俄烏沖突爆發，受制于能源供給，將進一步沖擊歐洲燃料電池汽車產業。

2.1.5 我國燃料電池汽車發展態勢

我國已陸續頒布支持燃料電池汽車發展的產業政策。從2009年鼓勵發展新能源汽車開始，我國陸續頒布了燃料電池汽車相關產業政策和規劃，對燃料電池關鍵零部件、關鍵共性技術、基礎設施建設、燃料電池汽車等發展開展了國家頂層設計，指導產業健康有序發展。

能源結構轉型驅動我國將氫能作為能源體系重要組成部分，燃料電池商用車是應用重點。2022 年3月，國家發展和改革委員會發布《氫能產業發展中長期規劃（2021—2035 年）》，對我國氫能發展做出頂層設計和積極部署，首次明確提出氫能是未來國家能源體系的組成部分，有序推進氫能在交通領域的示范應用，重點推進燃料電池重型車輛應用，有序拓展燃料電池等新能源客車、貨車市場應用空間，逐步建立燃料電池汽車與鋰電池純電動汽車互補發展模式[26]。

我國燃料電池汽車產業取得突破性進展，與國外差距逐步縮小，處于跟跑階段。燃料電池系統方面，額定功率、啟動溫度、使用壽命等指標均已達到國際領先水平。目前，僅有部分高性能質子交換膜、炭纖維紙等關鍵材料依賴進口，其他材料國產化程度已達70%以上。車載儲氫系統方面，我國35 MPa的III型氫瓶研發制造和產品應用趨于成熟，70 MPa 高壓IV 型氫瓶技術也被攻克，產業化進程加快[27]。

我國燃料電池汽車發展總體目標設置比較理性，短期產業目標有望達成。2016—2022年，中國汽車技術研究中心、中國標準化研究院和中國電器工業協會燃料電池分會、國家發展和改革委員會陸續發布燃料電池汽車發展目標，具體見表6。總體看，2025年我國燃料電池汽車保有量約5萬輛，2030年保有量達到100萬輛。考慮到商用車輛（尤其是重型載貨車、客車）電動化轉型急迫性，政府推出財稅補貼及示范政策，使我國燃料電池商用車呈爆發式增長態勢。截至2021年底，我國燃料電池汽車保有量為8 938輛，2022年前3 季度，燃料電池汽車銷量為2 589輛，同比增長162%；加氫站累計建成218座，居全球首位。

表6 中國燃料電池汽車發展目標

2.2 全球氫燃料發動機及汽車發展態勢

全球氫燃料發動機及汽車的發展可分為3 個階段。第1 階段，試驗嘗試期，時間為1970—2004 年；第2階段，應用探索期，時間為2005—2020年；第3階段，應用實踐期，時間為2021 至今。從全球看，在新能源汽車價值鏈中，日本、韓國、美國在燃料電池汽車方面全球領先，中國在純電動汽車方面全球領先，在傳統汽車方面處于領先地位的歐洲正在失去燃料電池和純電動汽車發展機遇和戰略優勢，氫燃料發動機及汽車正在成為歐洲新能源汽車新的戰略高地。

2.2.1 試驗嘗試期

試驗嘗試期氫燃料發動機及汽車開發以日本和歐洲為主。1970年，日本武藏工業大學開始研發氫燃料發動機，起初目的是研究發動機排放的碳氫化合物（Hydrocarbon，HC）是來自汽油還是潤滑油，自此氫燃料發動機成為研究熱點。1980年前后，梅賽德斯奔馳和寶馬等歐洲汽車制造商相繼進入氫燃料發動機開發領域，寶馬曾對7 系搭載的V12 汽油發動機進行調校用于氫燃料汽車的發動機。1991 年馬自達開發了搭載氫燃料發動機的第一款原型車HR-X。1997 年后的5 年間，福特致力于基于2.0 L汽油發動機的氫燃料發動機研發，該款發動機的壓縮比為14.5∶1，最高功率為47 kW@5 000 r/min，最大扭矩為105 N·m@4 000 r/min，但當發動機轉速超過5 000 r/min 后，將引發預燃等異常燃燒問題。

2.2.2 應用探索期

應用探索期氫燃料發動機及汽車開發以日本為主，歐洲為輔。氫燃料發動機各類控制技術不斷成熟，熱效率逐步提升，性能參數已接近傳統發動機，主流直噴氫燃料發動機參數及性能指標如表7。

表7 主流直噴氫燃料發動機參數及性能[28]

2.2.3 應用實踐期

應用實踐期氫燃料發動機及汽車開發以歐洲為主。《巴黎協定》代表全球綠色低碳轉型大方向，要求各國每5 年更新一次“國家自主貢獻（NDC，National Determined Contribution）”減排計劃。歐盟將其減排目標更新為“到2030 年將溫室氣體凈排量較1990 年水平減少55%（此前為40%）”[36]。為應對此目標，2021年7 月14 日，歐盟委員會公布了“Fit for 55”的一攬子氣候立法提案[37]。在交通領域，修訂民用轎車與輕型商用車CO2排放標準，要求2030年和2035年注冊的民用轎車排放量較2021 年水平分別下降55%和100%，輕型商用車分別下降50%和100%[36]。純電動動力總成是發展重心，純電動動力總成無法覆蓋的領域利用氫動力總成（包括燃料電池發動機和氫燃料發動機）進行補充，氫燃料發動機及汽車作為純電動汽車和燃料電池汽車的補充技術再次受到關注。

整車和零部件制造商正在加快氫燃料發動機的開發進程，并制定量產發展戰略。沃爾沃載貨車2040年后大致形成純電動汽車、燃料電池汽車、氫燃料發動機汽車占比分別為40%、40%和20%的市場格局。保時捷子公司Porsche Engineering 于2022 年4 月發布了高功率氫燃料發動機概念產品，通過配置電動渦輪增壓器和電動壓縮機，同時實現了高功率和零排放。博格華納正在開發用于氫燃料發動機的氫噴射系統概念產品，計劃到2023年底開始量產低容量中壓直噴氫噴射系統，2026年前后開始量產高容量中壓直噴氫噴射系統。FEV 正在加快新款氫燃料發動機的開發進程，并且已在無壓力振蕩氫燃料導軌系統方面取得一系列成果，最新款的氫燃料導軌系統既可實現進氣道噴射，也可實現缸內直噴[38]。康明斯正在投資一系列與氫燃料發動機相關的產品與技術，并聯合物流企業驗證15 L氫燃料發動機相關性能[39]。

2.3 我國氫燃料發動機及汽車發展態勢

我國氫燃料發動機及汽車研究始于20 世紀80 年代，起步相對較晚，可分為2 個階段。第1 階段，理論試驗發展期，以高等院校試驗研究為主；第2 階段，工程應用發展期，以企業自主開發應用為主。考慮到我國氫氣以藍氫、灰氫為主，以及燃料電池汽車成本高昂等因素，氫燃料發動機及汽車正成為我國商用汽車零碳排放、綠色發展的新途徑。

2.3.1 理論試驗發展期

我國高等院校對氫燃料發動機開展了深入的研究，積累了一定經驗，為工程應用開發奠定了基礎。浙江大學從燃燒理論和化學動力學角度分析了氫噴射火花點火氫燃料發動機中氫空氣混合氣的燃燒及NOx的形成[40]。天津大學通過噴水和廢氣再循環等措施來抑制氫燃料發動機異常燃燒，使之能正常工作[41]。上海交通大學研究了氫燃料發動機瞬態特性相關問題，渦輪當量流通面積的變化對發動機的過渡特性影響不大，減小渦輪增壓器轉動慣量和充氣加速渦輪可改善渦輪增壓氫燃料發動機的加速性能[42]。華北水利水電學院在分析噴氫正時和噴氫量對氫燃料發動機工作性能影響的基礎上，設計了噴氫控制算法，使氫燃料發動機動力性、經濟性與排放等綜合性能達到優化目標[43]。北京交通大學進行了進氣管噴射的氫燃料發動機NOx排放性能研究，指出影響氫燃料發動機NOx排放的因素，通過試驗證明點火延遲對NOx排放具有一定作用，復合燃燒也可增加輸出功率并降低NOx排放[44]。北京工業大學在一臺加裝了電控氫氣噴射系統的四缸發動機上，就怠速、稀燃條件下純氫發動機的燃燒與循環變動特性進行了試驗研究。怠速工況下，適當提高過量空氣系數有利于減小氫燃料發動機燃料能量流量。隨著過量空氣系數增加，氫燃料發動機怠速時的傳熱損失將有所減少。增加過量空氣系數后，純氫發動機火焰發展期和傳播期均明顯延長[45]。

2.3.2 工程應用發展期

以商用車為應用場景的氫燃料發動機及汽車加速涌現，2022年為氫燃料發動機及汽車應用元年。2022年6月8日，一汽解放自主設計研發的國內首款重型商用車缸內直噴氫燃料發動機成功點火并穩定運行，該款氫燃料發動機為13 L重型發動機，運轉功率超373 kW，指示熱效率突破55%，具有技術首創、行業首發、國際領先3大特點[46]。

2022年6月15日，中國重汽、濰柴動力聯合發布全國首臺商業化氫燃料發動機重型載貨車，搭載濰柴動力自主研發的13 L氫燃料發動機，達到國際領先水平[47]。該款氫燃料發動機采用精準氫噴射控制技術，應用高效增壓、稀薄燃燒技術，解決氫氣異常燃燒難題[48]。可商業化應用到港口、城市、電廠、工業園區等特殊工作場景[47]。

2022年6月30日，玉柴YCK16H氫燃料發動機在廣西玉林成功點火，該款發動機排量為15.93 L，最大功率約為472 kW，是目前中國排量最大、功率最大的氫燃料發動機。該款發動機采用先進的燃料高壓共軌、高壓缸內直噴技術和雙流道增壓技術，可按需實現缸內均質燃燒或者分層燃燒，動力性更強、熱效率更高、穩定性更好，可適配灰氫、綠氫、甲醇在線制氫等多種途徑制備的燃料，依據需求和燃料制、儲、運的基礎條件，自由組合燃料供給，是一種高適應性、靈活可控的零碳或低碳動力解決方案[49]。

3 氫動力汽車對比分析

3.1 國內外氫動力汽車發展對比

3.1.1 國內外燃料電池汽車發展對比

通過對國內外燃料電池汽車發展態勢分析，從氫能發展驅動因素、氫能與燃料電池汽車發展策略、燃料電池汽車在氫能體系中的定位、燃料電池汽車重點布局、氫能與燃料電池汽車立法情況、燃料電池汽車發展目標評價、燃料電池汽車目標實現可行性、燃料電池汽車與傳統汽車成本持平時間預估8個維度對比分析國內外燃料電池汽車產業，具體見表8。

表8 國內外燃料電池汽車發展對比

（1）氫能發展驅動因素方面，地域與能源特點是各國和地區氫能發展需要考慮的主要方面。日本與韓國為尋求能源獨立，美國為應對能源危機，歐洲為應對氣候變化，我國為尋求能源結構轉型。

（2）發展策略方面，國內外氫能與燃料電池汽車發展策略取決于發展驅動因素。國外走出一條由氫能逐步過渡到燃料電池汽車示范及基礎設施的發展路徑，屬于能源體系變革驅動車輛產品轉變的自上而下發展模式。我國走出一條由燃料電池技術到基礎設施建設和燃料電池汽車示范的發展路徑，屬于車輛產品變革引發的能源體系轉變的自下而上的發展模式。

（3）燃料電池汽車定位方面，取決于氫能在國家能源體系中的位置。日本與韓國燃料電池汽車僅是氫能應用場景之一，我國燃料電池汽車是氫能應用場景之一，美國燃料電池汽車是氫能主要應用載體，歐洲燃料電池汽車是氫能最重要應用載體。

（4）燃料電池汽車重點布局方面，與各國交通體系及當前新能源汽車產業進程高度相關。日本、韓國和歐洲等國家國土面積小，交通體系發達，燃料電池汽車重點布局乘用車，美國與我國幅員遼闊，同時考慮到我國純電動汽車發展水平，燃料電池汽車重點布局物料搬運車和重型商用車。

（5）立法方面，氫能與燃料電池汽車立法表明國家發展決心。韓國成為全球首個氫能與燃料電池汽車立法的國家。

（6）發展目標評價與實現可行性方面，從當前各國燃料電池汽車發展態勢對燃料電池汽車發展目標進行評價。日本、美國燃料電池汽車發展目標較為激進，實現難度較大；韓國燃料電池汽車發展目標激進，實現難度很大；歐洲燃料電池汽車發展目標激進，在俄烏沖突影響下或將無法實現；我國燃料電池汽車發展目標謹慎合理，短期目標有望達到。

（7）成本持平時間預估方面，燃料電池汽車成本是大規模推廣應用的核心要素。日本、美國和韓國預估燃料電池汽車與傳統汽車成本持平時間分別在2030年、2025—2030年期間和2025年。

3.1.2 國內外氫燃料發動機汽車發展對比

通過對國內外氫燃料發動機汽車發展態勢分析，從氫燃料發動機汽車研究起始時間、研究國家遷移、發展階段、國家立法、車輛定位、產業鏈構成、重點布局7 個維度對比國內外氫燃料發動機汽車產業，具體見表9。

（1）研究起始時間方面，我國氫燃料發動機汽車起步相對較晚。

（2）研究國家遷移方面，國外氫燃料發動機汽車研究起源于日本和歐洲，技術進步于日本，技術成熟落地于歐洲。

（3）發展階段方面，國外氫燃料發動機汽車發展經歷試驗嘗試期、應用探索期和應用實踐期3個階段，我國氫燃料發動機汽車經歷理論應用發展期和工程應用發展期。

（4）國家立法方面，歐盟通過立法提案確立氫燃料發動機汽車的產品地位，我國目前缺少對氫燃料發動機汽車的頂層設計。

（5）氫燃料發動機汽車定位方面，對于歐洲，氫燃料發動機汽車是純電動與燃料電池汽車的有效補充，我國對于氫燃料發動機汽車的發展定位仍不明朗。

（6）產業鏈構成方面，歐洲從氫燃料發動機汽車關鍵部件到系統總成逐步構建系統完善的產業鏈體系，我國目前氫燃料發動機汽車產業鏈聚焦在系統總成。

（7）氫燃料發動機汽車重點布局方面，歐洲氫燃料發動機汽車同時布局乘用車和商用車，我國氫燃料發動機汽車重點布局重型商用車。

3.1.3 燃料電池汽車與氫燃料發動機汽車對比

燃料電池汽車與氫燃料發動機汽車屬于氫動力汽車2種完全不同的技術路線，目前看來，燃料電池汽車發展節奏明顯快于氫燃料發動機汽車，但是燃料電池汽車發展總體不及預期，氫燃料發動機汽車或將成為燃料電池汽車的補充[9]。本小節系統對比了燃料電池汽車與氫燃料發動機汽車，以闡明氫燃料發動機汽車技術路線可行性，具體見表10。

表10 燃料電池汽車與氫燃料發動機汽車對比

（1）產業支持政策方面，國家和地方已頒布相對完備的產業政策支持燃料電池汽車規模化應用，氫燃料發動機汽車扶持政策基本處于空白。

（2）規模應用瓶頸方面，燃料電池系統需要鉑作為反應催化劑及其他工藝不盡成熟的部件，規模應用瓶頸在于物料及氫氣使用成本高。盡管國外預判2025—2030年燃料電池汽車與傳統汽車成本接近，但從目前推廣情況看成本預測過于樂觀。氫燃料發動機汽車因燃燒控制、排放控制、供氫系統等技術不成熟，成為規模應用的主要瓶頸。

（3）燃料與純度要求方面，燃料電池汽車與氫燃料發動機汽車盡管都采用氫氣作為能源，但對氫氣純度要求差異巨大。根據GB/T 37244—2018《質子交換膜燃料電池汽車用燃料氫氣》，燃料電池汽車用氫氣純度需達摩爾分數99.97%以上，氫燃料發動機汽車可用工業副產氫直接燃燒。

（4）工作原理方面，燃料電池汽車是利用氫氣與氧氣在膜電極處發生電化學反應產生電能，再利用驅動電機驅動車輛運動。氫燃料發動機汽車是利用氫氣與氧氣在發動機氣缸內燃燒，將氫氣化學能轉換為熱能再轉化為機械能驅動車輛運動。

（5）工作效率方面，燃料電池汽車工作效率在40%～50%，氫燃料發動機汽車工作效率在35%～45%，總體低于燃料電池汽車。

（6）環境適應性方面，燃料電池汽車受低溫影響較大，氫燃料發動機汽車與傳統天然氣汽車接近，受低溫影響較小。

（7）產業鏈連續性方面，燃料電池汽車需要搭建全新的動力系統產業鏈體系，氫燃料發動機汽車可沿用大部分內燃機產業鏈。

（8）污染物排放與碳排放方面，燃料電池汽車屬于完全零排放汽車，既無污染物排放，又無CO2排放。氫燃料發動機汽車因燃燒高溫，將產生一定NOx污染物排放，CO2排放接近零。

（9）系統功率規模方面，受限于燃料電池系統功率，燃料電池汽車功率規模多在200 kW 以內，需要動力電池輔助來驅動車輛運動，導致車輛復雜性提升。氫燃料發動機功率可達400 kW，可依靠單一動力源驅動車輛運動。

（10）耐久性方面，燃料電池汽車耐久性低于氫燃料發動機汽車。

（11）續駛里程，安全性與基礎設施方面，燃料電池汽車與氫燃料發動機汽車基本相同。

4 總結及展望

在全球能源體系綠色轉型、低碳發展大背景下，氫能作為“無限循環”零碳能源，已成為各國尋求能源獨立和能源轉型的戰略選擇。道路交通作為氫能重要應用場景之一，是新能源汽車產業重要組成部分。從國際看，燃料電池汽車與氫燃料發動機汽車兩條腿走路發展態勢愈發明朗，氫燃料發動機汽車將作為燃料電池汽車的有效補充，協同推進道路交通體系零碳化。從我國看，燃料電池汽車產業已建立起比較優勢，但其發展仍受氫能體系、系統成本制約，屬于完全政策驅動型產業。我國氫燃料發動機汽車起步較晚，但因其產業鏈接續性、系統成本等優勢，逐步受到國內商用車企業的重視。為加快商用車輛新能源化，建議從以下4方面推進氫動力汽車規模化發展。

（1）明確政策導向

產業政策是驅動我國新能源汽車產業前期發展的核心要素，氫能與燃料電池汽車已頒布明確產業發展規劃及目標。氫燃料發動機汽車在我國當前氫能結構體系（藍氫、灰氫等工業副產氫為主體）下是重要應用路線之一，建議加快研究制定氫燃料發動機汽車相關產業政策及發展目標，明確其市場地位，逐步形成燃料電池汽車與氫燃料發動機汽車兩條腿走路的發展格局。

（2）核心技術攻關

目前來看，氫燃料發動機汽車技術總體不成熟，技術瓶頸是氫燃料發動機汽車規模化應用的主要障礙。建議從國家層面研究制定氫燃料發動機汽車發展技術路線圖，推進氫燃料發動機汽車科技攻關專項，依托國內優質資源開展聯合技術創新，突破燃燒控制、污染物排放、供氫系統、噴氫系統、儲氫系統技術難點。

（3）路線協同發展

燃料電池汽車和氫燃料發動機汽車是氫能在交通應用中的“一體兩翼”，二者在氫氣制取、存儲、運輸、加注等產業環節基本一致，在關鍵系統及部件方面存在交叉。建議將燃料電池汽車和氫燃料發動機汽車路線協同發展，著力推進商用車的新能源化，促進商用車綠色轉型、低碳發展。

（4）加強技術經濟分析

技術經濟性是汽車產業規模化應用的前提，燃料電池汽車與氫燃料發動機汽車成本問題是制約其進一步發展的主要因素之一。建議密切跟蹤并分析氫能產業鏈、燃料電池汽及氫燃料發動機汽車主要零部件及系統的成本趨勢，積極吸引行業投資，持續推進氫動力總成及汽車規模化、高質量發展。