燃料电池汽车产业发展瓶颈及应对策略

李政贤 杨 辉 李一凡

（1.质子汽车科技有限公司；2.陕西风润智能制造研究院有限公司；3.陕西重型汽车有限公司；陕西 西安 710200）

0 引言

我国在第75届联合国大会上正式提出2030年碳达峰、2060年碳中和的目标。目前我国的能源消费结构仍然是以煤炭为主，为实现双碳目标，我国将加快推进能源结构调整，大力发展清洁能源，并持续优化能源供给结构。氢能是来源广泛、清洁、高效的二次能源，加快推进我国氢能利用与发展，是改善国家能源体系、保障国家能源安全、积极应对气候变化的良好路径之一[1-3]。

在我国，除电力、钢铁等高耗能企业碳排放量长期居高不下外，交通运输作为重要的服务性行业，其碳排放量紧随其后。从能源活动领域角度来看，交通运输业碳排放约占据碳排放总量的9%[4]，其中商用车碳排放量占比接近65%，重型商用车占商用车碳排放量比例更是高达83.5%。交通运输行业实现碳达峰、碳中和压力巨大。

近年来为有效降低交通行业碳排放量，国家大力发展新能源汽车，主要包括纯电动、混合动力、燃料电池3条技术路线，其中纯电动及混合动力技术路线已批量应用于乘用车。在重型商用车领域，随着钢铁企业环评升级等政策推动以及车辆油电经济性因素驱使，纯电动重卡正逐步被市场所接受。从北斗数据来看，2022年我国纯电动重卡销量大于1.5万辆，但因续驶里程短、耐低温性能差等因素，主要应用于固定场景倒短运输。与纯电动重卡相比，燃料电池重卡具有补能时间短、续航里程长、环境适应性强等优点，对于作为生产资料的商用车而言是一种更好的选择。同时，商用车运输路线较为固定，可相对集中修建加氢站，满足车辆的补能需求。因此，可将氢燃料电池商用车作为氢能产业链的突破口和首选应用场景。

1 燃料电池概述

燃料电池是一种主要通过氧或其他氧化剂进行氧化还原反应，把燃料中的化学能转化成电能的电池。与锂电池不同，燃料电池是一种发电装置。

燃料电池按电解质种类又可分为碱性燃料电池、磷酸盐型燃料电池、熔融碳酸盐型燃料电池、固体氧化物型燃料电池和质子交换膜燃料电池。其中，质子交换膜类燃料电池具有能量利用率高、启动速度快、寿命长等优点[5]，且在较低温度下工作状态良好[6]，适合用于燃料电池汽车的匹配开发。

氢燃料电池使用氢气作为燃料，利用电解水的逆反应产生电能，反应过程无其他污染物。氢燃料电池系统效率远高于现在普遍使用的内燃机，并且可以有效降低车辆运营过程的碳排放量，是目前应用最为广泛的燃料电池汽车的动力装置。

2 氢燃料电池汽车发展现状

自2017年以来，我国氢能与燃料电池汽车发展极为迅速。数据显示，2022年，我国氢燃料电池商用车销售4 782辆，同比增长155.2%；乘用车销量仅227辆。在氢燃料电池商用车中，客车销售1 260辆，卡车销售3 522辆，其中氢燃料电池重卡销售2 465辆，领涨新能源重卡各个细分车型，成为推动氢燃料电池商用车高速增长的主要动力。

从销量数据来看，我国燃料电池汽车产业发展方向与国外存在明显不同：美国、日本、韩国和欧盟的燃料电池汽车推广以乘用车为主，而我国以商用车为主，已实现量产并投入规模化运营。

3 氢燃料电池汽车产业发展瓶颈及应对策略

重型商用车作为燃料电池汽车推广的重要媒介，正在逐步进行市场渗透。根据北斗数据显示，2022年我国燃料电池重卡销量约1 600辆，已占新能源重卡市场的10%左右。虽然在商业化应用取得了较大突破，但是仍存在很多问题。

3.1 国家标准及政策亟待补充完善

氢燃料电池汽车作为一个新兴产业，因产业链跨度大、新应用零部件品种多等因素导致相关国家标准较少，体系不健全。2020年以来，国家仅发布《车用质子交换膜燃料电池堆使用寿命测试评价方法》、《燃料电池电动汽车 安全要求》等10项相关标准，无法全面覆盖产品性能测试及一致性管理工作。部分区域为推进燃料电池汽车发展制定了相关团体或地方标准，彼此间兼容性不足，致使很多产业链企业参差不齐；同时氢气作为危险化学品，在制取、储运、加注管理方面仍存在诸多制约，导致氢能产业链布局步伐较缓。

国家已发布氢燃料汽车城市示范群，大力支持燃料电池发展，但是部分城市推广政策针对产品本地化保护严重，也影响了正常的市场竞争局面。国家应对氢燃料电池产业链的缺失环节或薄弱环节进行摸排，积极出台相关扶持政策，同时加强氢能及燃料电池汽车产业的顶层设计，构建标准体系框架，推广补贴政策与技术标准同步发布；细化氢能产业相关标准，明确技术发展方向，统筹产业布局；做好实施应用，严格执行和落实标准，推广阶段统一认识，规范产业链行为，避免因“百家争鸣”占用过多的社会资源。

3.2 核心零部件及材料自主化率低、成本高

相比于纯电动汽车，燃料电池汽车主要增加了燃料电池系统和车载储氢系统。作为燃料电池汽车的核心动力装置，燃料电池系统由电堆、空气供给系统、氢气供给系统、冷却排水系统及电能控制系统等部分组成，其中电堆成本约占系统总成本的60%左右。目前我国掌握燃料电池系统集成技术的企业较多，但核心零部件的自主化率和产品性能仍有待提升，主要表现在：催化剂、质子交换膜、碳纸等关键材料对国外依赖度较大；关键组件制备工艺、性能与可靠性方面急需提升；质子交换膜、极板、空气压缩机、氢泵等技术仍不够成熟，依赖进口，严重影响了燃料电池系统的生产成本。

车载供氢系统约占燃料电池汽车总成本的14%。目前，我国以高压气态储氢系统为主，主要应用35 MPa III型瓶，但国际市场欧美日韩基本上都采用的是70 MPa IV型瓶。由于我国研发起步晚、原材料性能差等原因，关键材料碳纤维主要依赖进口，制约了车辆成本的进一步降低。

核心零部件及材料国产化率低，使我国氢能产业发展受阻，也使我国的氢能汽车规模扩张、降低成本较为困难。为保证燃料电池产业的良性发展，应全面强化“产学研”的协同攻关，发挥联合优势以促进核心技术突破；大力扶持零部件研发企业，激发企业技术创新活力，强化企业优势，政府给予政策支持，确保关键零部件顺利实现国产化。随着未来车辆规模的扩大，车辆成本将会得到有效控制。

3.3 市场验证时间短，性能及可靠性有待提升

目前，氢燃料电池汽车发展时间较短，市场验证不成熟，氢燃料电池电堆功率密度、低温启动温度等技术仍有较大提升空间。在市场验证过程中也暴露出诸多问题，如氢燃料电池动态响应速率慢、大功率燃料电池发动机散热量大等。氢燃料电池的使用条件及工况与传统内燃机存在较大差异，电流波动、电压波动、温度湿度波动、压力波动均能造成电堆寿命的缩短，加之催化剂容易与燃料中的一氧化碳、硫等物质发生反应导致失活，无法再进行催化作用，影响燃料电池性能。

除此之外，在车载高压储氢瓶方面，我国70 MPa储氢瓶性能一般，成本较高，未实现规模化量产。我国氢燃料汽车在响应速率、寿命、购车成本等方面还有较大提升空间。

重卡的使用工况相比乘用车、客车更加复杂，所以燃料电池系统的工况适应性和可靠性显得尤为重要，提高氢气的品质、改进催化剂的结构和性能、提高质子交换膜的强度以及产品初期验证过程中的问题优化，都将有效提高产品可靠性，促进市场的不断成熟。未来需要加强技术研发，以整车企业为链主，打通氢能产业链，优先使用国产零部件，大力支持国产零部件的研发与应用，重点疏通目前存在较大瓶颈的低成本制氢、运储氢问题，提升产品性能及适应性，使整车企业、零部件企业形成良性互动和良性发展。

3.4 车辆保有量低，基础设施不完善

在燃料电池汽车推广阶段，加氢站的建设与运营面临产业发展的初期困难，市场车辆保有量低，氢气压缩机、加注机等关键设备依靠进口，加氢站建设成本远高于传统加油站，公共加氢站难以通过规模经济效应实现收支平衡，导致配套设施建设不完善，“加氢焦虑”问题凸显，制约了产业的发展。目前，我国实际运营和在建加氢站多为示范性或为示范性汽车提供加注服务，暂未实现商业化运营。加氢站的初期投建一次性成本较高，同时选址要求严格，也是影响加氢站建设的重要因素。

未来应合理规划加氢站布局，进一步提高加氢基础设施材料、核心组件和技术的国产化比例，降低加氢站建设成本；鼓励优势区域发展，借助焦化、钢铁等工业附产氢资源丰富企业，优先发展加氢基础设施，打造氢能循环利用生态圈，以示范带动产业发展。

3.5 终端氢价贵，车辆运营成本增加

目前氢气的市场终端价格远高于传统化石燃料，究其原因主要为制、储、运、加等各个环节均增加了成本。现阶段我国主要以煤制氢和工业附产氢的低成本制氢工艺为主，生产过程仍会带来大量的CO2排放，如采用清洁的电解水制氢工艺，制氢成本将进一步增高；当前氢气主要是以压缩气态储运，市场规模较小，大多是以管束车形式进行运输，运量较小，运输半径较短，储运成本较高；加氢站的建设成本、数量也影响氢气价格，导致氢气相比于化石燃料的竞争力差。

车辆运营成本是影响客户购车的重要影响因素，对购车客户进行用氢补贴将是近期产业发展强有力的支持政策。解决产业技术瓶颈、降低过程成本仍是降低终端氢气价格的重要举措。应大力发展可再生能源制氢，降低制氢成本；加大液氢、固态储氢等高密度储氢技术研究，降低过程能耗和设备成本，突破管道输氢技术，解决长距离、大规模氢气运输问题。

4 总结及展望

氢燃料电池汽车从生产制造到市场运营仍存在诸多需解决的问题，大规模商业化更是需要解决产业链关键核心技术及成本瓶颈。为促进产业发展，国家已发布京津冀、上海、广东、河北、河南5大氢燃料电池汽车城市示范群，共涵盖47座城市，各示范城市群也出台了相关配套政策，支持氢能产业链的发展，从关键零部件研发、加氢站建设、燃料电池车辆购置等多方面进行政策补贴，支持市场运营。通过未来的应用示范，将拉动氢能产业链的发展，重点疏通瓶颈环节后将加速商业化落地。

打造氢能产业生态圈是我国能源体系的重要一环。氢燃料汽车作为氢能应用的主要工具，随着其核心技术的不断攻关、基础设施更趋完善、用氢成本的不断降低，必将与纯电动汽车实现同台竞技，在公路交通运输领域发挥重大作用。