燃料電池汽車產業發展瓶頸及應對策略

李政賢 楊 輝 李一凡

（1.質子汽車科技有限公司；2.陜西風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屆聯合國大會上正式提出2030年碳達峰、2060年碳中和的目標。目前我國的能源消費結構仍然是以煤炭為主，為實現雙碳目標，我國將加快推進能源結構調整，大力發展清潔能源，并持續優化能源供給結構。氫能是來源廣泛、清潔、高效的二次能源，加快推進我國氫能利用與發展，是改善國家能源體系、保障國家能源安全、積極應對氣候變化的良好路徑之一[1-3]。

在我國，除電力、鋼鐵等高耗能企業碳排放量長期居高不下外，交通運輸作為重要的服務性行業，其碳排放量緊隨其后。從能源活動領域角度來看，交通運輸業碳排放約占據碳排放總量的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83.5%。交通運輸行業實現碳達峰、碳中和壓力巨大。

近年來為有效降低交通行業碳排放量，國家大力發展新能源汽車，主要包括純電動、混合動力、燃料電池3條技術路線，其中純電動及混合動力技術路線已批量應用于乘用車。在重型商用車領域，隨著鋼鐵企業環評升級等政策推動以及車輛油電經濟性因素驅使，純電動重卡正逐步被市場所接受。從北斗數據來看，2022年我國純電動重卡銷量大于1.5萬輛，但因續駛里程短、耐低溫性能差等因素，主要應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能時間短、續航里程長、環境適應性強等優點，對于作為生產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，滿足車輛的補能需求。因此，可將氫燃料電池商用車作為氫能產業鏈的突破口和首選應用場景。

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行氧化還原反應，把燃料中的化學能轉化成電能的電池。與鋰電池不同，燃料電池是一種發電裝置。

燃料電池按電解質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子交換膜燃料電池。其中，質子交換膜類燃料電池具有能量利用率高、啟動速度快、壽命長等優點[5]，且在較低溫度下工作狀態良好[6]，適合用于燃料電池汽車的匹配開發。

氫燃料電池使用氫氣作為燃料，利用電解水的逆反應產生電能，反應過程無其他污染物。氫燃料電池系統效率遠高于現在普遍使用的內燃機，并且可以有效降低車輛運營過程的碳排放量，是目前應用最為廣泛的燃料電池汽車的動力裝置。

2 氫燃料電池汽車發展現狀

自2017年以來，我國氫能與燃料電池汽車發展極為迅速。數據顯示，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，領漲新能源重卡各個細分車型，成為推動氫燃料電池商用車高速增長的主要動力。

從銷量數據來看，我國燃料電池汽車產業發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，已實現量產并投入規?；\營。

3 氫燃料電池汽車產業發展瓶頸及應對策略

重型商用車作為燃料電池汽車推廣的重要媒介，正在逐步進行市場滲透。根據北斗數據顯示，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。雖然在商業化應用取得了較大突破，但是仍存在很多問題。

3.1 國家標準及政策亟待補充完善

氫燃料電池汽車作為一個新興產業，因產業鏈跨度大、新應用零部件品種多等因素導致相關國家標準較少，體系不健全。2020年以來，國家僅發布《車用質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項相關標準，無法全面覆蓋產品性能測試及一致性管理工作。部分區域為推進燃料電池汽車發展制定了相關團體或地方標準，彼此間兼容性不足，致使很多產業鏈企業參差不齊；同時氫氣作為危險化學品，在制取、儲運、加注管理方面仍存在諸多制約，導致氫能產業鏈布局步伐較緩。

國家已發布氫燃料汽車城市示范群，大力支持燃料電池發展，但是部分城市推廣政策針對產品本地化保護嚴重，也影響了正常的市場競爭局面。國家應對氫燃料電池產業鏈的缺失環節或薄弱環節進行摸排，積極出臺相關扶持政策，同時加強氫能及燃料電池汽車產業的頂層設計，構建標準體系框架，推廣補貼政策與技術標準同步發布；細化氫能產業相關標準，明確技術發展方向，統籌產業布局；做好實施應用，嚴格執行和落實標準，推廣階段統一認識，規范產業鏈行為，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和車載儲氫系統。作為燃料電池汽車的核心動力裝置，燃料電池系統由電堆、空氣供給系統、氫氣供給系統、冷卻排水系統及電能控制系統等部分組成，其中電堆成本約占系統總成本的60%左右。目前我國掌握燃料電池系統集成技術的企業較多，但核心零部件的自主化率和產品性能仍有待提升，主要表現在：催化劑、質子交換膜、碳紙等關鍵材料對國外依賴度較大；關鍵組件制備工藝、性能與可靠性方面急需提升；質子交換膜、極板、空氣壓縮機、氫泵等技術仍不夠成熟，依賴進口，嚴重影響了燃料電池系統的生產成本。

車載供氫系統約占燃料電池汽車總成本的14%。目前，我國以高壓氣態儲氫系統為主，主要應用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。由于我國研發起步晚、原材料性能差等原因，關鍵材料碳纖維主要依賴進口，制約了車輛成本的進一步降低。

核心零部件及材料國產化率低，使我國氫能產業發展受阻，也使我國的氫能汽車規模擴張、降低成本較為困難。為保證燃料電池產業的良性發展，應全面強化“產學研”的協同攻關，發揮聯合優勢以促進核心技術突破；大力扶持零部件研發企業，激發企業技術創新活力，強化企業優勢，政府給予政策支持，確保關鍵零部件順利實現國產化。隨著未來車輛規模的擴大，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，如氫燃料電池動態響應速率慢、大功率燃料電池發動機散熱量大等。氫燃料電池的使用條件及工況與傳統內燃機存在較大差異，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、硫等物質發生反應導致失活，無法再進行催化作用，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，未實現規模化量產。我國氫燃料汽車在響應速率、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、客車更加復雜，所以燃料電池系統的工況適應性和可靠性顯得尤為重要，提高氫氣的品質、改進催化劑的結構和性能、提高質子交換膜的強度以及產品初期驗證過程中的問題優化，都將有效提高產品可靠性，促進市場的不斷成熟。未來需要加強技術研發，以整車企業為鏈主，打通氫能產業鏈，優先使用國產零部件，大力支持國產零部件的研發與應用，重點疏通目前存在較大瓶頸的低成本制氫、運儲氫問題，提升產品性能及適應性，使整車企業、零部件企業形成良性互動和良性發展。

3.4 車輛保有量低，基礎設施不完善

在燃料電池汽車推廣階段，加氫站的建設與運營面臨產業發展的初期困難，市場車輛保有量低，氫氣壓縮機、加注機等關鍵設備依靠進口，加氫站建設成本遠高于傳統加油站，公共加氫站難以通過規模經濟效應實現收支平衡，導致配套設施建設不完善，“加氫焦慮”問題凸顯，制約了產業的發展。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，暫未實現商業化運營。加氫站的初期投建一次性成本較高，同時選址要求嚴格，也是影響加氫站建設的重要因素。

未來應合理規劃加氫站布局，進一步提高加氫基礎設施材料、核心組件和技術的國產化比例，降低加氫站建設成本；鼓勵優勢區域發展，借助焦化、鋼鐵等工業附產氫資源豐富企業，優先發展加氫基礎設施，打造氫能循環利用生態圈，以示范帶動產業發展。

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高于傳統化石燃料，究其原因主要為制、儲、運、加等各個環節均增加了成本?，F階段我國主要以煤制氫和工業附產氫的低成本制氫工藝為主，生產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，制氫成本將進一步增高；當前氫氣主要是以壓縮氣態儲運，市場規模較小，大多是以管束車形式進行運輸，運量較小，運輸半徑較短，儲運成本較高；加氫站的建設成本、數量也影響氫氣價格，導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，對購車客戶進行用氫補貼將是近期產業發展強有力的支持政策。解決產業技術瓶頸、降低過程成本仍是降低終端氫氣價格的重要舉措。應大力發展可再生能源制氫，降低制氫成本；加大液氫、固態儲氫等高密度儲氫技術研究，降低過程能耗和設備成本，突破管道輸氫技術，解決長距離、大規模氫氣運輸問題。

4 總結及展望

氫燃料電池汽車從生產制造到市場運營仍存在諸多需解決的問題，大規模商業化更是需要解決產業鏈關鍵核心技術及成本瓶頸。為促進產業發展，國家已發布京津冀、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配套政策，支持氫能產業鏈的發展，從關鍵零部件研發、加氫站建設、燃料電池車輛購置等多方面進行政策補貼，支持市場運營。通過未來的應用示范，將拉動氫能產業鏈的發展，重點疏通瓶頸環節后將加速商業化落地。

打造氫能產業生態圈是我國能源體系的重要一環。氫燃料汽車作為氫能應用的主要工具，隨著其核心技術的不斷攻關、基礎設施更趨完善、用氫成本的不斷降低，必將與純電動汽車實現同臺競技，在公路交通運輸領域發揮重大作用。