中國(guó)氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)研究現(xiàn)狀及展望

＊方雨豪 程潔 劉書杰 陳剛 黃丹 沈顯波

（1.浙江物產(chǎn)環(huán)保能源股份有限公司 浙江 310000 2.九江學(xué)院 江西 332000 3.杭州三花微通道換熱器有限公司 浙江 310000）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源與環(huán)境問題日益凸顯，化石燃料的消耗、溫室氣體的排放造成全球變暖、冰川融化和海平面上升，這不斷地威脅人類賴以生存的環(huán)境。2021年“兩會(huì)”期間，我國(guó)將“碳達(dá)峰”“碳中和”上升成為國(guó)家重要戰(zhàn)略，致力于2030年之前實(shí)現(xiàn)二氧化碳排放峰值，力爭(zhēng)在2060年之前達(dá)到碳中和。對(duì)于中國(guó)來說，實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”“碳中和”的“3060”目標(biāo)時(shí)間緊、任務(wù)重，國(guó)家應(yīng)大力著手發(fā)展可再生的新能源產(chǎn)業(yè)。其中，氫能源被視為全球最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉粗唬淞闩欧拧⒘阄廴镜奶攸c(diǎn)是世界公認(rèn)的“終極新能源汽車解決方案”。隨著政策支持力度的不斷加大，以及氫燃料電池汽車相關(guān)基礎(chǔ)材料、關(guān)鍵零部件等核心技術(shù)不斷取得攻關(guān)與發(fā)展，氫能源汽車在未來市場(chǎng)將占據(jù)更大份額，具有廣闊的前景。相關(guān)專家預(yù)測(cè)，2030年我國(guó)氫能源汽車產(chǎn)業(yè)將達(dá)到萬(wàn)億元產(chǎn)值[1]。然而，當(dāng)前我國(guó)氫燃料電池汽車仍處于發(fā)展初期階段，要想實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還需繼續(xù)努力[5]。下文從氫氣制取、氫燃料電池概述、國(guó)家及地方政府相關(guān)政策等方面對(duì)我國(guó)氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最新動(dòng)態(tài)進(jìn)行綜述，并通過對(duì)發(fā)展氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)與機(jī)會(huì)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，為其進(jìn)一步的發(fā)展提供參考。

1.氫氣制取

目前，我國(guó)制氫的主要方式有煤制氫、天然氣制氫、石油產(chǎn)品轉(zhuǎn)化制氫、甲醇裂解制氫、工業(yè)副產(chǎn)制氫和電解水制氫等途徑[2-3]。針對(duì)我國(guó)氫氣制取方式，從產(chǎn)能占比、制氫成本、二氧化碳排放量和技術(shù)特點(diǎn)等方面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，具體結(jié)果見表1。

表1 不同制氫技術(shù)對(duì)比

產(chǎn)能占比約84%來自化石能源（煤、天然氣、石油產(chǎn)品）制氫，該技術(shù)相對(duì)成熟、成本較低，但具有高碳排、不可循環(huán)和不可持續(xù)性，且氫產(chǎn)物中往往伴隨有一氧化碳等其他雜質(zhì)氣體，不符合低碳清潔的綠色氫能要求；甲醇裂解制氫在成本和碳排放方面都比較高，不符合經(jīng)濟(jì)社會(huì)和“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)發(fā)展要求；工業(yè)副產(chǎn)氫氣純化制取高純氫氣，技術(shù)比較成熟，成本較低、零碳排，幾乎無(wú)需額外資本及化石能源的投入，既節(jié)約成本，又實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)廢氣的處理和回收利用，可作為我國(guó)現(xiàn)階段氫燃料電池汽車用氫來源的短中期發(fā)展目標(biāo)。就長(zhǎng)期而言，我國(guó)可再生能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在成本和規(guī)模效應(yīng)推動(dòng)下，當(dāng)以風(fēng)電、光伏等可再生能源發(fā)電電解水制氫為長(zhǎng)期發(fā)展目標(biāo)。

2.氫燃料電池概述

就氫能源的應(yīng)用而言，需要從生產(chǎn)端到消費(fèi)端的全價(jià)值鏈來考量，氫氣的“制、儲(chǔ)、運(yùn)、用”四個(gè)環(huán)節(jié)缺一不可，其中“用”將起到關(guān)鍵性的作用。氫燃料電池汽車是氫能發(fā)展的重要方向，被認(rèn)為是長(zhǎng)期發(fā)展中最具潛力替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車和鋰離子電動(dòng)汽車的最佳選擇之一。

氫燃料電池是一項(xiàng)主要用來發(fā)電的裝置，它依據(jù)電解水的逆反應(yīng)，直接把氫氣和氧氣的化學(xué)能向電能轉(zhuǎn)換。向陽(yáng)極和陰極合理配置氫氣和氧氣，氫氣在陽(yáng)極被氧化成質(zhì)子并放出電子，質(zhì)子通過電解質(zhì)向陰極蔓延，與陰極的氧離子反應(yīng)后產(chǎn)生水，放出的電子依托外部的負(fù)載通往陰極，內(nèi)外電路形成閉合回路，實(shí)現(xiàn)將化學(xué)能直接向電能的轉(zhuǎn)換[4]。

氫燃料電池與普通電池（蓄電池、干電池）的主要區(qū)別在于：普通電池是一種儲(chǔ)能裝置，是將電能儲(chǔ)存起來，需要工作時(shí)再將電能釋放出來；而氫燃料電池猶如火力發(fā)電廠，確切地說它是一種發(fā)電裝置，是將氫氣等化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的一種電化學(xué)發(fā)電裝置。另外，氫燃料電池的電極需要用孔道結(jié)構(gòu)良好的特質(zhì)材料制成。這是氫燃料電池的一項(xiàng)核心技術(shù)，它不僅要為電解質(zhì)和氣體提供較大的比表面，還要為整個(gè)氫燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)起催化作用。

通過電化學(xué)反應(yīng)，氫燃料電池只會(huì)產(chǎn)生水和熱，因此在環(huán)境方面氫燃料電池汽車可以做到零污染。如果氫氣是通過風(fēng)能或光伏等可再生能源發(fā)電再電解水產(chǎn)生的，那么氫氣作為氫燃料電池的能源載體，其整個(gè)循環(huán)過程完全不會(huì)排放有毒有害氣體，完全符合節(jié)能減排的目標(biāo)。

就像固定清潔電源最終是風(fēng)光水電一樣已被人所共識(shí)，交通工具動(dòng)力系統(tǒng)終極供能是氫能源。就世界范圍來看，氫能源的專利和技術(shù)主要集中在日本。我國(guó)氫能的市場(chǎng)占比幾乎為0，而鋰電池能源已經(jīng)占據(jù)全球40%以上份額。我國(guó)方案完美證明了市場(chǎng)比技術(shù)更重要，即使有技術(shù)而缺乏市場(chǎng)體量，再好的技術(shù)也難以大面積推廣。預(yù)計(jì)氫能源的應(yīng)用不會(huì)落后鋰電池能源太多，它終究要趕上并超過鋰電池，這只是時(shí)間問題。排除制造成本和技術(shù)的成熟度，氫能源比高污染低能量密度的鋰電池好很多[5]。

3.國(guó)內(nèi)氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃

2021年是“十四五”開局之年，當(dāng)前多個(gè)地區(qū)紛紛把氫燃料電池汽車發(fā)展列入“十四五”規(guī)劃。8月為氫燃料電池車相關(guān)政策密集發(fā)布的月份。8月12日，上海出臺(tái)了《中國(guó)（上海）自由貿(mào)易試驗(yàn)區(qū)臨港新片區(qū)發(fā)展“十四五”規(guī)劃》，提出自貿(mào)區(qū)臨港新片區(qū)將重點(diǎn)圍繞氫能產(chǎn)業(yè)，加強(qiáng)國(guó)際產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移和技術(shù)合作，在儲(chǔ)氫、制氫、加氫等技術(shù)方面實(shí)現(xiàn)突破；重點(diǎn)推動(dòng)氫能汽車示范應(yīng)用，探索氫能物流、氫能大巴、氫能重卡等典型應(yīng)用示范；建立氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)體系，適時(shí)布局氫能汽車整車制造。

據(jù)《上海市綜合交通發(fā)展“十四五”規(guī)劃》征求意見稿，上海市計(jì)劃在“十四五”期間大力發(fā)展氫燃料電池汽車示范應(yīng)用，氫燃料電池汽車應(yīng)用總量達(dá)上萬(wàn)輛。通過《北京市氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展實(shí)施方案（2021—2025年）》，北京市2023年前力爭(zhēng)建成37座加氫站，推廣燃料電池汽車3000輛；2025年前，京津冀區(qū)域致力于建造加氫站37座，成功推廣上萬(wàn)輛燃料電池汽車應(yīng)用，累計(jì)實(shí)現(xiàn)氫能產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)1000億元以上。8月9日，《廣東省制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展“十四五”規(guī)劃》提出，廣東省將加速建設(shè)制氫加氫基礎(chǔ)設(shè)施，明確到2025年制氫規(guī)模約8萬(wàn)噸，氫燃料電池約500萬(wàn)千瓦，建成加氫站約300座。山東省發(fā)布《山東省能源發(fā)展“十四五”規(guī)劃》，明確到2025年，山東省內(nèi)加氫站數(shù)量達(dá)到100座，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)值規(guī)模1000億元。浙江省發(fā)展改革委于11月24日出臺(tái)了《浙江省加快培育氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展實(shí)施方案》。到2025年，浙江省氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)生態(tài)將成型，計(jì)劃建設(shè)50余座加氫站，把氫燃料電池汽車大規(guī)模投放于港口、公交和城際物流等區(qū)域。此外，江蘇、天津、河北、重慶、遼寧、山西、廣西、鄭州、深圳等地也在各自的“十四五”規(guī)劃中對(duì)氫燃料電池車的中長(zhǎng)期發(fā)展進(jìn)行了整體部署。

綜上所述，目前我國(guó)多個(gè)省市已出臺(tái)相關(guān)地方政策，力求積極推廣氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)，氫燃料電池汽車在未來市場(chǎng)份額中有望取得很好的成績(jī)。

4.發(fā)展氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)存在的風(fēng)險(xiǎn)與機(jī)會(huì)

(1)發(fā)展氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)存在的風(fēng)險(xiǎn)

當(dāng)前，我國(guó)氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展初具條件，但仍存在諸多因素制約。

①政策體系與專項(xiàng)規(guī)劃尚未明晰

盡管氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展在頂層設(shè)計(jì)上獲得了國(guó)家的認(rèn)可，然而其政策體系與專項(xiàng)規(guī)劃過于模糊，產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)、目標(biāo)和未來方向還待明確。有關(guān)主管部門將氫氣依舊列為危險(xiǎn)化學(xué)品管理，對(duì)氫能源意識(shí)較為薄弱，加氫站建設(shè)審批具有較大難度，對(duì)氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展形成較大約束。

②加氫基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不足

國(guó)內(nèi)氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展受限的一個(gè)重要因素是加氫基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不足。目前，我國(guó)氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)處于發(fā)展初期，燃料電池汽車運(yùn)營(yíng)數(shù)量不多。建設(shè)運(yùn)維加氫站也難以引發(fā)規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，把成本壓到最低，導(dǎo)致建設(shè)運(yùn)營(yíng)幾乎無(wú)法營(yíng)利，國(guó)產(chǎn)加氫設(shè)備產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用能力微弱、創(chuàng)新模式少、成本高昂。

氫燃料電池汽車能否得到有效應(yīng)用與推廣，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)起到?jīng)Q定性作用。據(jù)新能源汽車行業(yè)專家預(yù)判，為使我國(guó)大多數(shù)城市需求得以滿足，國(guó)家需在2030年之前建成1400余座加氫站[6]。據(jù)“十四五”氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇報(bào)導(dǎo)：截至2020年底，全球約有544座加氫站，我國(guó)有128座加氫站，主要設(shè)立于廣東、江蘇、北京和上海等省市。這些加氫站主要為示范型加氫站或?yàn)槭痉缎腿剂想姵仄囂峁┘託浞?wù)，還不具備商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的條件。

③核心技術(shù)與關(guān)鍵材料尚未國(guó)產(chǎn)化

最近幾年，為推動(dòng)氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，我國(guó)先后頒發(fā)了多項(xiàng)支持鼓勵(lì)政策。然而，其關(guān)鍵性零部件還是以進(jìn)口為主，氫燃料電池的關(guān)鍵材料如炭紙、質(zhì)子交換膜、催化劑等多未實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化；關(guān)鍵組件的制造工藝尚需提升，空壓機(jī)、氫氣循環(huán)泵、膜電極、雙極板等部件與國(guó)外工藝還存在一定差距。

④缺乏商業(yè)化推廣模式

目前，氫燃料電池汽車缺乏商業(yè)化推廣模式的主要原因是其全產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)制造成本高。從氫氣制、儲(chǔ)、運(yùn)、用四個(gè)環(huán)節(jié)看，目前技術(shù)還不是很成熟，可再生能源制氫技術(shù)不夠完善，壓縮機(jī)和高壓儲(chǔ)罐設(shè)備費(fèi)用較高、燃料電池電堆和膜電極組件成本較高，影響燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度，距離大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用還有很大差距。

(2)發(fā)展氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)存在的市場(chǎng)機(jī)會(huì)

氫氣作為一種高效、綠色的清潔能源，已成為全球多個(gè)國(guó)家選擇的終極能源發(fā)展目標(biāo)。一方面，發(fā)展氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)將帶動(dòng)本國(guó)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用升級(jí)，是推動(dòng)氫能源綜合利用的有效途徑；另一方面，發(fā)展氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)可有效提升國(guó)際層面綠色競(jìng)爭(zhēng)力。

在全球汽車市場(chǎng)逐步萎縮的情況下，傳統(tǒng)燃油車產(chǎn)銷量快速下滑，新能源汽車市場(chǎng)卻能呈現(xiàn)快速發(fā)展之態(tài)勢(shì)，表明人們的生活消費(fèi)習(xí)慣正在發(fā)生變化，從而為氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展堅(jiān)定基石。為推動(dòng)氫能和氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，專家建議政府主管部門應(yīng)加大氫能產(chǎn)業(yè)補(bǔ)貼，高效、及時(shí)地執(zhí)行政策落實(shí)到位，從而使綠色清潔的氫能及燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)成本低于傳統(tǒng)能源成本。隨著可量產(chǎn)的氫能和氫燃料電池汽車應(yīng)用端的不斷涌現(xiàn)，氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)有望迎來加速發(fā)展。

從市場(chǎng)前景來看，在供給方面，氫能在全球未來的能源供給體系中約占18%，在我國(guó)未來終端能源體系中約占10%，氫能供給結(jié)構(gòu)將以可再生能源屬性為主的清潔氫逐步替代化石能源時(shí)期的高碳?xì)洹Ｔ谛枨蠓矫妫覈?guó)規(guī)劃到2025年，燃料電池汽車保有量達(dá)到10萬(wàn)輛；到2035年，燃料電池車將達(dá)到130萬(wàn)輛，下游相關(guān)產(chǎn)品的市場(chǎng)也將打開。截止2050年，氫氣需求量將遞增至近6000萬(wàn)噸，占據(jù)我國(guó)終端能源體系10%以上的份額。截止2060年，國(guó)內(nèi)氫氣需求量將上漲到1.3億噸左右，占據(jù)我國(guó)終端能源體系近20%的份額。因此，氫能源搭載的交通工具將成為人們低碳出行的的重要方式，未來氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)將迎來重大發(fā)展機(jī)遇。

5.發(fā)展氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)展望

日前，國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的150kW車用金屬板燃料電池模塊順利通過國(guó)家機(jī)動(dòng)車產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心強(qiáng)檢，可應(yīng)用于大型公交車、重卡、物流車等。同時(shí)30～50kW石墨板電堆已具備批量化生產(chǎn)，模塊化集成能力。該技術(shù)涵蓋膜電極、催化劑的制備，電堆的設(shè)計(jì)制造，系統(tǒng)集成與控制等全套相關(guān)技術(shù)，并開發(fā)出了多款燃料電池系統(tǒng)和核心零部件產(chǎn)品。未來，將持續(xù)開展研發(fā)，做好氫燃料電池汽車前沿技術(shù)儲(chǔ)備工作，在交通運(yùn)輸、分布發(fā)電等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定示范。

縱觀中國(guó)新能源市場(chǎng)發(fā)展歷程，從內(nèi)燃機(jī)走到鋰電、燃料電池，大趨勢(shì)決定了戰(zhàn)略路徑。對(duì)于企業(yè)來說，只有踏準(zhǔn)時(shí)代節(jié)奏，方能在未來市場(chǎng)中有所作為。

6.結(jié)語(yǔ)

未來五年，是全球科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的加速期，也是構(gòu)建國(guó)內(nèi)和國(guó)際雙循環(huán)發(fā)展新格局，實(shí)現(xiàn)氫燃料電池汽車完全市場(chǎng)化的攻堅(jiān)期。把握氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展新階段，貫徹綠色發(fā)展新理念，抓住產(chǎn)業(yè)變革新機(jī)遇，提升科技創(chuàng)新的新動(dòng)能，需要整個(gè)產(chǎn)業(yè)科學(xué)謀劃、主動(dòng)作為，需要政校企合作、同心協(xié)力構(gòu)建“十四五”新能源汽車發(fā)展新格局。