中國氫燃料電池汽車技術發展現狀及前景

黃亞娟

摘 要：氫燃料電池汽車是我國新能源汽車產業一條重要的技術路線，由于部分核心技術、成本、產業鏈、基礎設施等諸多問題尚未解決，嚴重限制了氫燃料電池汽車的發展與推廣前景。基于此，以下首先對氫燃料電池技術原理與應用展開闡述，其次研究國內外現狀，探討中國氫燃料電池行業和技術發展趨勢，以供參考。

關鍵詞：氫燃料電池汽車技術;發展現狀;發展前景

1 前言

氫燃料電池汽車技術由于其清潔無污染、續航里程長、加注時間短等優勢，各國都在開展相關技術的研究，我國在氫燃料電池汽車研究方面與國外尚有較大差距。因此，研究氫燃料電池汽車的技術原理、行業現狀、發展趨勢，對我國氫燃料電池汽車技術發展具有重要意義。

2 氫燃料電池核心技術原理與主要應用

2.1 核心原理

所謂氫燃料電池技術，是指將燃料之中蘊含的化學能由電化學變成電能的一種發電設備[1]。單體電池結構由燃料、氧化劑兩種正負電極、電解質構成，其中電解質兩側具有兩個隔膜，可以分別起到氫氧化、氫還原兩種反應，再由電子經過外負載時形成電力能源。此技術具有熱機與電池兩方面優點，不僅轉換速度快，污染小，無噪音，還能在低溫情況下工作。如果僅將氫氣作為燃料，通過化學反應得到水，可實現零排放。而且氫氣變水主要原理為放熱反應，在轉換過程中形成蒸汽與熱水，除了供應電力能源，還能起到供暖效果。氫燃料電池被認為是未來清潔環保的理想技術，是終極新能源動力解決方案。從理論上講，燃料電池在轉換能量過程中效率幾乎可達90%左右，但在實踐過程中受多種因素影響，現階段燃料電池實際能量轉換效率基本在50%左右。

常用的燃料電池按其電解質不同，可分為：PEMFC（質子交換膜）、SOFC（固體氧化物）、MCFC（熔融碳酸鹽）、AFC（堿性）及PAFC（磷酸）等。其中質子交換膜燃料電池因操作溫度低、啟動速度快，是一種環保、高效與高功率密度的發電方式，廣泛適用于各個領域，包括交通、備電和移動設備領域，特別是在零排放交通動力應用方面具有極其誘人的前景;其他幾種燃料電池技術應用領域相對單一，例如：MCFC和PAFC適用于固定式燃料電池電站、家用熱電聯產;SOFC主要用于固定式和便攜式電源;甲醇重整燃料電池（DMFC）多用于移動設備、小型交通工具和小型備用電源設施。質子交換膜燃料電池結構單元主要由膜電極組件和雙極板構成，其中膜電極組件是由質子交換膜、催化劑與氣體擴散層組合而成，是反應發生的場所;雙極板是帶流道的金屬或石墨薄板。

氫燃料電池系統以電堆為核心發電單元，電堆是氫氣和氧氣發生電化學反應及產生電能的場所，是燃料電池基本原理得以實現的核心物質載體。鑒于單個燃料電池單元輸出功率較小，通常將多個燃料電池單元以串聯方式層疊組合、各個單體之間嵌入密封件以構成電堆來提高整體輸出功率。除電堆以外，燃料電池發動機系統還需要一系列輔助系統才能實現其功能。燃料電池發動機系統主要由燃料電池發動機、電壓變換器（DC/DC）、車載氫系統（車載高壓儲氫瓶和配套閥件）等構成，其中燃料電池發動機主要包括電堆、發動機控制器、氫氣供給系統、空氣供給系統、水熱管理系統等。相較于傳統燃油車或純電動汽車動力系統，燃料電池發動機系統結構較為復雜。

2.2 主要應用領域

燃料電池最初的應用在航天領域，20世紀60年代，NASA（美國國家航空航天局）將燃料電池應用于雙子星航天飛船。20世紀70年代，石油危機引起能源恐慌，氫能作為一種新興清潔能源開始受到各國政府關注。20世紀90年代，國際知名車企奔馳、福特等紛紛推出燃料電池概念車。進入21世紀，隨著燃料電池汽車技術的進一步發展，豐田Mirai，本田Clarity，奔馳F-cell，現代Nexo等燃料電池量產車型先后上市，燃料電池汽車進入落地階段[2]。

3 氫燃料電池汽車現狀分析

在全世界氫燃料電池技術專利排名中，中國位居第五，主要因為中國這方面專利大都是由高校或研究院所申請，企業專利申請數量較低。從技術類型看，中國更加注重PEMFC（質子交換膜）燃料電池類型，從技術內容看，中國更加注重催化劑與電極細節，但總體核心技術專利數量較少。現階段中國與日本等燃料電池技術領先國家相比技術差距較大，尤其是在燃料電池乘用車技術方面差距明顯。中國目前主要還停留在研發過程階段，在安全、可靠、功率等量產相關性能方面以及部分核心部件、材料產業化方面尚有諸多技術需要攻克[3]。

從國內外燃料電池乘用車性能參數對比情況來看，國內外產品技術差距較大。國外產品技術指標領先且具備一定的商品化能力，當前研發重點在于降低成本、提升性能、提高使用便捷性，國內產品尚處于前期研發階段。日本、韓國在整車性能方面優勢明顯，在電堆的功率密度、耐久性、輸出功率等指標方面處于領先。

日韓政府及產業界對燃料電池未來期望較高。TOYOTA是當之無愧的領頭羊，相關研究起步早，測試驗證資源積累多，掌握了大量燃料電池核心技術，當前重點研發方向是小型化、集成化、低成本，并提出下一代燃料電池系統性能提升20-30%，成本減半的目標，其推廣的重點是擴大燃料電池在大巴、叉車、卡車、火車、家庭儲能等領域應用，通過尋求跨行業合作的商業模式創新，逐步擴大應用領域。現代汽車于2013年在現代蔚山工廠下線第一輛量產版燃料電池車，2018年搭載現代第四代燃料電池的現代Nexo發布，現代氫燃料電池汽車技術整體處于國際先進水平，并計劃開放氫燃料電池系統，以擴大商業化規模，加快該技術的應用推廣。

由于研發成本高、產業化周期長，國內外主流車企主要采取合作結盟方式分攤成本。現代與奧迪就氫燃料電池電動汽車組件和技術，簽訂了多年期專利交叉許可協議;本田與戴姆勒、福特聯合簽署燃料電池車商用化計劃基礎上，2017年與通用在美國成立合資公司合作生產氫動力燃料電池系統;豐田與寶馬簽署“共同開發燃料電池系統”協議基礎上，2018年，與本田、日產等11家企業合資成立Japan H 2 Mobility（JHyM）的合資公司，合建加氫站。

從國內來看，上汽氫燃料電池汽車研發起步相對較早，通過開展合資合作布局，投資培育了新源動力、廣順、斯林達等核心配套企業，近兩年依托大通、申沃在加大燃料電池客車的開發力度。長城計劃構建600人氫燃料電池團隊，2022年WEY品牌推出首款氫燃料電池量產車型。廣汽集團也提出了2020年燃料電池汽車示范運行的目標。除此之外，一汽、東風、北汽等國內其他主機廠也都在開展燃料電池技術的開發。

4 氫燃料電池汽車行業趨勢分析

未來世界能源系統將向清潔低碳轉型，氫能具備長遠發展的前景。中國氫能來源廣泛，既有大量的工業副產氫，又有大量的棄風棄光電、低谷電等可供制氫的存量資源，發展利用氫能可有效應對能源環境問題。但由于氫能-燃料電池產業發展的前景受制于燃料電池的技術進步、成本下降、規模增加、氫源供應的豐富化、加氫站數量等因素影響，氫經濟的實現相對漫長。發達國家普遍瞄準2030-2040年后實現氫經濟;中國將實現氫經濟作為中長期目標。2016年10月，中國汽車工程學會發布的《節能與新能源汽車技術路線圖》指出，到2020年，燃料電池汽車在公共服務領域的示范應用要達到5000輛規模;到2025年，實現氫燃料電池汽車的推廣應用，規模達到5萬輛;到2030年，實現氫燃料電池汽車的大規模推廣應用，氫燃料電池汽車規模超過一百萬輛。《中國制造2025》也提出，“到2025年，燃料電池堆系統可靠性和經濟性大幅提高，和傳統汽車、電動汽車相比具有一定的市場競爭力，實現批量生產和市場化推廣。”

從能源利用效率、系統成本及技術發展趨勢分析，氫燃料電池汽車續航里程長、加氫快、兼顧環保，可以成為電動化的有益補充。氫燃料電池汽車更適宜商用車/大型長距離乘用車。氫燃料電池汽車預計將首先在公共領域實現突破，在政策支持下，短中期將以商用車的區域性示范運營為主。當前中國燃料電池汽車發展路徑，前期通過商用車發展，規模化降低燃料電池和氫氣成本，同時帶動加氫站配套設施建設，后續逐步拓展到私人用車領域。

從政策法規趨勢來看，氫燃料電池汽車的發展短中期將以政策驅動為主。當前燃料電池技術和產業基礎薄弱，預計短中期較難實現市場驅動的突破，仍需依靠政府補貼、雙積分引導、科研項目等扶持政策推動。

此外，氫燃料電池汽車的發展具有區域性的特點。從政策導向、集群效應、成本約束等方面看，氫燃料電池汽車的發展將受到區域性氫經濟的限制，按照有關部門2016年提出的《中國氫能產業基礎設施發展藍皮書》來看，2020年中國各地加氫站數量可在100以上，2025年達到1000之上[4]，短中期難以全面鋪開。

5 燃料電池汽車技術趨勢分析

總體來看，氫燃料電池汽車技術還需大幅提升。國際上正在開展新一輪技術研發，力爭突破發電效率、成本、耐久性、環境適應性、儲氫等關鍵技術，而國內在關鍵材料、關鍵零部件和整車集成等方面仍有較大差距。

從技術趨勢來看，整車方面，將逐步實現全功率、高續航，并不斷提升動力性、經濟性、耐久性、環境適應性并減低成本;儲氫系統方面，將逐步實現70MPa高壓儲氫，實現更高的質量儲氫率和體積儲氫密度;電堆方面，將逐步降低鉑載量、提高可靠性和耐久性、提高功率密度和低溫啟動性能等。

從成本方面來看，氫燃料電池汽車整車成本短中期仍高于電動車。燃料電池系統占整車成本約50%，其中電堆占系統成本的60%，未來通過規模、技術突破、結構優化等降本，預計成本會有一定的降低，但短期內成本低于電動車難度較大，未來成本控制是市場競爭力的關鍵，通過擴大應用領域（如公共交通、應急發電、家庭儲能等），開展聯盟合作，實現規模效應和降低研發成本是趨勢。

從氫能產業鏈來看，氫能產業鏈（制氫、氫氣儲運和加氫站等）的發展對燃料電池汽車的推廣普及至關重要，但我國氫能-燃料電池汽車產業鏈總體處于起步階段，尚未形成系統規模。氫能來源廣泛，但相關體系尚未形成，仍需統籌規劃制氫產業;設備供應鏈逐漸完善，但加氫站運行經驗欠缺，相關法規也有待完善，此外還存在國內部分關鍵材料技術空白等系列問題需要解決。

6 結束語

綜上，未來世界能源系統將向清潔低碳轉型，氫能具備長遠發展前景，中國將實現氫經濟作為中長期發展目標。氫燃料電池汽車技術在技術、成本、產業鏈、基礎設施等方面仍有諸多問題需要突破，由此，企業在制定相關戰略時應充分考慮國家、地方政策導向，設立階段目標分步推進，此外，要重視合作與結盟，通過合作共享資源、降低投入成本，共同推動燃料電池汽車時代的到來。

參考文獻：

[1]陳曈，周宇昊，張海珍.氫燃料電池發展現狀和趨勢[J].節能，2019（6）：158-160.

[2]黃格省，閻捷，師曉玉.新能源制氫技術發展現狀及前景分析[J].石化技術與應用，2019，37（5）：289-296.

[3]郭朋彥，聶鑫鑫，張瑞珠.氨燃料電池的研究現狀及發展趨勢[J].電源技術，2019，43（7）：1233-1236.

[4]許世森，張瑞云，程健.電解制氫與高溫燃料電池在電力行業的應用與發展[J].中國電機工程學報，2019，39（9）：2531-2537.