中国燃料电池汽车发展问题研究

全球燃料电池汽车发展的共性问题

当前，燃料电池汽车尚未达到大规模推广应用的阶段，其根本问题在于关键技术还不够成熟。燃料电池汽车是涉及化学、材料、机械、电子等多个领域复杂技术的交叉载体，且所需技术水平较高，并给技术成本带来了很大的挑战。

例如，组成燃料电池单体的交换膜、催化层、渗透层、双极板对材料、工艺提出了极高要求;又如，燃料电池电堆的成组、系统的集成与控制等，都必须适应汽车运行中频繁变动的工况。正是由于关键技术尚未取得根本性突破，燃料电池汽车的推广还面临着几个重大瓶颈，这些共性问题制约着全球燃料电池汽车产业的快速发展。

1、成本

燃料电池的成本依然偏高，这是推广燃料电池汽车必须解决的首要问题。代表性的燃料电池汽车产品，如丰田Mirai售价6.9万美元(约合45万元人民币)，本田Clarity售价6万美元(约合39万元人民币)，远高于其他动力形式的同级别车辆。

表2 燃料电池各部件要求及应对技术

造成燃料电池汽车高成本的主要原因在于燃料电池系统各部件成本较高，尤其是大量应用贵金属 Pt  的催化层。为了保证电池性能，燃料电池各部件都有其特别要求(见表  2)，目前虽有各种应对方法，但始终无法避免较高的成本增量。因此，高性能、高可靠性、低成本的燃料电池组件，已成为燃料电池技术发展的重要方向。

图 3 燃料电池汽车成本构成

美国能源部对燃料电池汽车的成本问题进行了系统分析，对整车、电堆、电池层层分解，得出了各部分成本的具体比例，如图3所示。根据DOE的研究，目前燃料电池系统成本已从2006年的每千瓦120美元(约合790元人民币)降低到了每千瓦55美元(约合360元人民币，假定达到50万台规模)，未来通过技术进步和更大批量生产，还有望进一步降低成本，实现每千瓦30美元(约合200元人民币)的长期目标。中国燃料电池系统的实际成本目前约为每千瓦5000元人民币，差距明显，不过中国也制定了2030年达到每千瓦200元人民币的目标，则与美国DOE的预估接近。

另据美国橡树岭国家实验室估计，在形成20000辆规模的前提下，燃料电池汽车的整车成本有望达到约48000美元(约合315000元人民币)，其中燃料电池系统约占一半，即24000美元(约合157000元人民币)左右。而如果考虑储氢系统、辅助电池等，整个燃料电池动力总成的成本高达36200美元(约合237000元人民币)，占总成本的75%以上。

从目前的情况来看，尽管有所改善，但燃料电池动力系统的高昂成本，仍然使其与其他动力形式相比处于明显的竞争劣势，这是燃料电池汽车大规模推广的最大瓶颈。

2、耐久性

车用燃料电池的耐久性是制约其商业化的主要技术挑战之一，对于乘用车而言，目前普遍认可的指标是在性能衰减10%的水平下运行5000h。

近年来，世界各大汽车厂商积极致力于燃料电池技术研究，使电池耐久性有了较大提升，但距理想的商业化目标仍有一定差距。DOE的研究报告指出，自2006年以来，美国燃料电池乘用车平均耐久性已由1000h逐步提升至约2500h，同时，单车最佳耐久性纪录提升更快，2015年有车辆达到5605h的连续运行纪录。

在商用车方面，近期的耐久性目标为18000h。美国UTC公司示范的大型客车是长寿命燃料电池系统的典型案例，在2010年该示范性商用车已连续运行7000h，到2015年已在实际路况条件下运行19000h。

目前，中国燃料电池轿车寿命不足2000h，客车的寿命约为3000h，明显低于国外先进水平。总体来看，车用燃料电池耐久性正不断提升，逐步接近商业化目标。

提高耐久性的关键技术在于控制燃料电池性能衰减，而性能衰减的主要影响因素是车辆运行工况的频繁变动。目前主要从两方面解决此问题：

一方面，通过对动力系统与控制策略的优化，避开不利条件或减少不利条件的存在时间，以达到延缓衰减的目的;

另一方面，继续发展新材料技术，包括用于催化剂及载体、聚合物膜、双极板等的关键材料，以满足苛刻的车用工况，提升耐久性。

具体来讲，提高耐久性的重点技术包括：

电极材料的催化剂活性研究、交换膜的传导能力提升;

电堆的水、热、汽控制;

燃料电池系统的构型设计与优化、稳定工况控制、启停机策略、动力电池匹配等。

在这些方面，中国都存在一定差距。

3、基础设施

完善的基础设施同样是燃料电池汽车大范围推广的前提。有资料显示，一座加氢站的投入大约为2000万元，大大高于加油站的建设成本，其中约60%的成本用于站点维持。因此，现阶段加氢站的建设和运营必须依靠政府的财政补贴。

加氢站氢源方面，包括水电解制氢、质子交换膜水解制氢、天然气现场重整、外供氢等，需要因地制宜，选取合理方式。如表1所示，至2016年，日本已在东京、大阪等城市建设了100座加氢站，北美建有68座加氢站，欧洲建有50座加氢站，中国则仅有6座。这些加氢站仅能满足示范应用需要，如要实现真正规模化的商业推广，还需更进一步的投入和建设。

因此，燃料电池汽车的快速发展有赖于氢能基础设施的超前部署，当前各国政府纷纷制定了各自的加氢站建设规划，正在逐步加大对基础设施的投入。

4、氢能产业链的系统规划

为实现燃料电池汽车的大规模推广，除了加氢环节外，还必须有「制氢-运氢-储氢-用氢」全产业链的完善配套设施。同时，需要对氢能产业链的每个环节都进行深入研究和分析，站在全生命周期的角度评价和控制氢能利用的整体效益，例如采取碳排放较高的制氢和运氢方式，可能导致氢能利用在整体上并不节能环保。目前针对各种制氢方法、运输方式等都有一些研究工作，但从「制氢-运氢-储氢-用氢」全过程视角出发，研究全局性的设计与规划尚不多见。

此外，当前虽有较成熟的制氢技术，如甲醇裂解制氢、煤气化制氢、水电解制氢等方式，但大都是针对工业用氢。针对未来车载氢能的大规模制备、储运和使用，还需进一步研究：

氢的储运就有多种技术路线可以选取，包括高压氢瓶储存、金属氢化物储存和车船运输、管道运输等，最适合车用的氢能储运方式尚不明确;

未来还需要考虑制氢的低成本化、低污染化、低能耗化，开发可再生能源制氢技术、探索如何降低电解水的能耗与成本可能成为未来的重要方向。

总之，燃料电池汽车的推广，实际上是氢能在汽车产业大规模应用的问题，唯有对整个氢能产业链和汽车产业链进行综合评估和系统规划，方能在实现推广目标的同时真正满足社会的多元需求。

中国燃料电池汽车发展现状及差距分析

1、中国燃料电池汽车产业的发展现状

在国家「863」计划「十五」电动车重大科技专项、「十一五」节能与新能源汽车重大项目、「十二五」及「十三五」电动车关键技术与系统集成等重大项目的支持下，通过产学研联合研发团队的攻关，中国燃料电池汽车技术取得了一定的进展，初步掌握了燃料电池电堆和关键材料、动力系统与核心部件、整车集成和氢能基础设施等核心技术，基本建立了具有自主知识产权的燃料电池轿车及城市客车动力系统技术平台，也初步形成了燃料电池发动机、动力电池、DC/DC变换器、驱动电机、储氢系统等关键零部件的配套研发体系，并具备了百辆级燃料电池汽车及其动力系统的生产能力。

当前，中国已有3款燃料电池客车、5款燃料电池轿车样车推出，并先后在北京奥运会、上海世博会、全球环境基金与联合国发展计划署(GEF/UNDP)共同支持的燃料电池城市客车商业化示范活动、新加坡青奥会等开展了示范运行。基础设施方面，中国建有加氢站6座，分别位于北京、上海、郑州等地。制氢方面，中国主要采用煤气化制氢，小规模的分散用氢主要靠甲醇蒸汽重整、水电解和氨气裂解等方式提供，而未来的发展方向则是可再生能源制氢以及化石能源的高效清洁利用。

总体而言，中国燃料电池汽车产业尚处于起步阶段，仅有少量企业进行了开发示范样车的尝试，但后续量产计划并未跟进，没有形成前后接续、有序推进的态势。

2、中国燃料电池汽车产业的主要差距与自身特点

经过多年的发展，与国际先进水平相比，中国燃料电池汽车在整车总体布置、动力性、氢气消耗量等基本性能方面已经差距不大，在动力系统的集成和控制方面也有明显进步，但在关键材料及工艺、关键零部件、整车集成以及耐久性等方面，仍有明显差距，如表3所示。

表 3 国内外燃料电池汽车技术差距

总体上，核心组件如质子交换膜、催化剂、碳纸、碳布、膜电极、双极板等，中国虽进行了基础研发及小规模量产，但其性能、成本与国外先进水平相比均有不足。国外已可实现关键零部件的大规模生产，中国多处在试生产、小规模生产阶段。集成技术的差距，使中国燃料电池发动机功率明显低于国际水平，例如，中国典型燃料电池轿车的电池功率约为35~50kW，而国际先进水平可达90~100kW。

与此同时，中国燃料电池汽车产业有其自身特点，切实把握这些「独特」属性，才能有效地梳理出最适宜的发展策略：

第一，发展起步晚，地域性强。中国于20世纪90年代开始关注燃料电池技术，至2000年左右才开展燃料电池汽车方面的研究，与世界先进国家相比，技术积累相对薄弱。同时，中国的燃料电池相关产业集中在东南沿海地区，如在如皋、佛山等城市发展相对迅速，内陆地区则相对迟缓，呈现出地域性明显的特征。

第二，产业链条不够完整。由于尚处在基础研发和初步应用阶段，燃料电池先进技术更多由研究机构和高等院校掌握，而这些单位往往不具备氢能产业化应用的条件和能力，特别是在汽车这样复杂且涉及面广的产品上。相比之下，中国燃料电池企业以及整车企业的竞争力普遍较弱，从基础研发到推广应用的产业链尚未完全打通。

第三，商用车发展相对较快。相较于燃料电池乘用车，中国已有宇通客车、福田客车、金龙客车等厂商对燃料电池商用车进行了多年开发，研制了多代样车，并进行了示范应用，具备了一定的技术基础。

第四，政府更为关注纯电动车的发展。目前纯电动车是中国新能源汽车的主要战略方向，得到了大量的政策倾斜和资金投入，相比之下，更需前瞻投入的燃料电池汽车并未获得区别于电动车的特殊政策支持。也可以说，未来燃料电池汽车在中国的良好发展，首先需要政府给出清晰的定位和明确的方向。

总之，除全球燃料电池汽车产业面临的共性瓶颈外，中国燃料电池汽车的加快推广还必须克服目前明显的技术差距，并有效结合自身特点，这在客观上增加了燃料电池汽车产业在中国发展的困难和变数。但从推行能源多元化、降低风险的角度出发，同时考虑到氢能作为未来主要能源候选对象的战略地位，中国不宜忽视燃料电池及其在汽车领域应用的技术研发与产业化推进，必须采取适宜措施，有针对性、有计划地予以重点实施。