中國燃料電池汽車發(fā)展問題研究

1、1 前言當(dāng)前，全球能源、環(huán)境問題日益嚴(yán)重，世界各國都在積極尋求應(yīng)對方案，在汽車領(lǐng)域大力推進(jìn)新能源汽車的目的也正是如此。 新能源汽車有不同的類型，其中， 燃料電池汽車( FuelCell Vehicle ， FCV) 不僅能夠在燃料上實(shí)現(xiàn)對燃油的完全替代，而且具有“零排放”、能量轉(zhuǎn)換效率高、燃料來源多樣并可靈活取自于可再生能源等優(yōu)勢，因而被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)未來汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要方向之一，也是解決全球能源和環(huán)境問題的理想方案之一1-4 。目前，燃料電池汽車技術(shù)尚不夠成熟，但各國重視程度在不斷提高，呈現(xiàn)出加大力度推進(jìn)的態(tài)勢5-13 。日本、美國、歐盟和韓國等都投入了大量資金和人力開展燃料電池汽車的研

2、究。豐田、本田、通用、福特、奔馳、現(xiàn)代等公司都已經(jīng)開發(fā)出燃料電池車型并進(jìn)行示范運(yùn)行，進(jìn)入初步應(yīng)用階段。對于中國來說，隨著汽車保有量不斷攀升，來自汽車產(chǎn)業(yè)的能源與環(huán)境壓力不斷增大：一方面，石油對外依存度逐年上升，已從本世紀(jì)初的26% 增加至 2016 年的 65% 以上 14 ，對能源安全構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，實(shí)施能源替代迫在眉睫；另一方面，能源結(jié)構(gòu)中化石能源居于絕對主體地位，環(huán)保壓力巨大， 優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)同樣刻不容緩。氫能熱值較高，儲量豐富，來源多樣，應(yīng)用廣泛，特別是具有極佳的環(huán)境友好度，代表著人類能源“脫碳入氫”、徹底避免碳排放的可能前景，是理想的長期替代能源候選對象之一。從氫能的應(yīng)用角度看，燃料電

3、池汽車是重點(diǎn)方向之一，如果氫能可以在規(guī)模龐大、影響廣泛的汽車產(chǎn)業(yè)得到規(guī)?；膽?yīng)用，必將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。也就是說，發(fā)展燃料電池汽車對于改善中國能源結(jié)構(gòu)、推動交通領(lǐng)域低碳轉(zhuǎn)型以及提升重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)國際競爭力和科技創(chuàng)新力具有特殊的戰(zhàn)略意義15-16 。正因如此，在中國制造2025 等綱領(lǐng)性文件中，中國政府對燃料電池汽車及其相關(guān)技術(shù)提出了明確的發(fā)展規(guī)劃，重視程度不斷提升。有鑒于此，本文對燃料電池汽車核心技術(shù)、關(guān)鍵問題、發(fā)展現(xiàn)狀等進(jìn)行了梳理，特別分析探討了中國燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的特點(diǎn)，并提出了現(xiàn)階段有針對性的發(fā)展建議。2 燃料電池汽車技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展2.1 燃料電池汽車技術(shù)簡介燃料電池（Fuel Cell ， FC

4、）是一種以電化學(xué)反應(yīng)方式將燃料（氫氣）與氧化劑（空氣）的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿哪芰哭D(zhuǎn)換裝置 4。 19 世紀(jì) 30 年代， 人們提出了燃料電池的初步構(gòu)想。此后，隨著技術(shù)的發(fā)展，不同級別的燃料電池問世，并逐步由軍用推廣至民用領(lǐng)域，如圖1 所示。自20 世紀(jì)后半段開始，各大汽車廠商紛紛開展了燃料電池汽車的研究，其中尤其以日本最為領(lǐng)先。目前全世界已有多種高性能燃料電池汽車產(chǎn)品，初步進(jìn)入了商業(yè)化應(yīng)用階段。根據(jù)電解質(zhì)的不同，燃料電池可分為堿性燃料電池(Alkaline Fuel Cell ， AFC ) 、質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane FuelCell ， PEM?F

5、C ) 、 磷 酸 燃 料 電 池 ( Phosphoric Acid Fuel Cell ， PAFC ) 、 熔融碳酸鹽燃料電池( Molten Carbonate FuelCell ， MCFC ) 、 固體氧化物燃料電池( Solid Oxide Fuel Cell ，SOFC )等多種類型，其使用的燃料和適應(yīng)的應(yīng)用場景各有不同， 其中質(zhì)子交換膜燃料電池具有高比功率、可快速啟動、無腐蝕性、反應(yīng)溫度低、氧化劑需求低等優(yōu)勢，是當(dāng)前燃料電池汽車的首選。圖 1 燃料電池及燃料電池汽車技術(shù)發(fā)展燃料電池汽車以車載氫氣為能量源，經(jīng)燃料電池將氫氣的化學(xué)能量轉(zhuǎn)化為電能，再以電機(jī)驅(qū)動車輛行駛，顯然，這涉及

6、燃料電池汽車本身以及氫能供應(yīng)兩方面的全新內(nèi)容。燃料電池汽車包括車載儲氫系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)、電驅(qū)動系統(tǒng)、整車控制系統(tǒng)和輔助儲能裝置等新元素；氫能供應(yīng)則包括氫氣從生產(chǎn)、儲存、運(yùn)輸?shù)郊幼ⅰ⑹褂玫娜^程。從整個產(chǎn)業(yè)鏈條看，燃料電池汽車的推廣和應(yīng)用涉及面廣，無論對車輛本身還是對氫的制備、儲運(yùn)、應(yīng)用等，都有較高要求。氫的制備主要包括煤氣化制氫、水電解制氫、天然氣重整氣制氫、甲醇裂解制氫等工藝；氫的存儲主要包括高壓氣態(tài)儲存、固態(tài)氫化物儲存、低溫液氫儲存等方式；相應(yīng)地，其運(yùn)輸方式主要包括車船運(yùn)輸和管道運(yùn)輸?shù)?；氫的?yīng)用層面，加氫站及其他基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)是未來發(fā)展的重點(diǎn)。而燃料電池汽車本身，則是機(jī)械、化學(xué)、材料、電

7、控等諸多領(lǐng)域的交叉學(xué)科，如圖2 所示。各國正致力于逐步提高性能、降低成本，以加快推廣應(yīng)用17-18 。圖 2 燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈2.2 各國燃料電池汽車技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化基于燃料電池汽車的良好前景，各國對其的關(guān)注程度正在不斷提升（見表1 ） 。日本將氫能利用作為國家戰(zhàn)略方向之一，對氫能及燃料電池相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展高度重視。政府、科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)對燃料電池及燃料電池汽車技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，持續(xù)進(jìn)行了大量投入，豐田汽車公司研制的Mirai 、 本田汽車公司的 Clarity ，都是處于國際領(lǐng)先水平的燃料電池轎車產(chǎn)品。美國對燃料電池及燃料電池汽車技術(shù)的發(fā)展也較為重視，早在 2005 年， 即已將氫能列入“主流能

8、源”選擇之一， 并陸續(xù)發(fā)布了氫能與燃料電池計(jì)劃。美國主要推動了燃料電池汽車在物料運(yùn)輸?shù)忍厥忸I(lǐng)域的應(yīng)用，至2015 年，已有34 家企業(yè) 8000 多輛燃料電池叉車投入運(yùn)行，取得了較好的商業(yè)化推廣，同時道路示范車輛也有一定應(yīng)用6。 歐盟在歐洲工業(yè)委員會和歐洲研究社團(tuán)等組織的推動下，在燃料電池及燃料電池汽車方面開展了大量研究與示范應(yīng)用，同時，對用于燃料電池和燃料電池汽車的資金投入、燃料電池車隊(duì)推廣項(xiàng)目以及加氫站建設(shè)等進(jìn)行了系統(tǒng)的規(guī)劃。表 1 全球燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展總覽項(xiàng)目日本北美戰(zhàn)略規(guī)劃日本再興戰(zhàn)略氫能源白皮書氫能 /燃 料 電池戰(zhàn)略發(fā)展路線圖可持續(xù)交通能源計(jì)劃美國燃料電池公共汽車計(jì)劃（ NFC

9、BP ）加州燃料電池伙伴計(jì)劃（CAFCP ）典型企業(yè)豐田本田日產(chǎn)基礎(chǔ)設(shè)施（加氫站）6歐洲歐盟氫能路線圖清潔能源計(jì)劃2020 年氫能與燃料電池發(fā)展計(jì)劃歐洲城市清潔氫能項(xiàng)目戴姆勒大眾寶馬代表產(chǎn)品2016 年 100 座 2025 年建成 800 座豐田 Mirai 轎車本田Clarity 轎車 UTC Ballard 通用福特 2016 年 68 座 2018 年建成 100 座雪佛蘭Equi?nox 轎車 UTC 客車 2016 年 50 座 2017 年建成 100 座奔馳 B 級FCELL 轎車戴姆勒Cita?ro FC 客車總體而言，燃料電池汽車正處在由技術(shù)研發(fā)向商業(yè)化推廣過渡的階段，各國

10、對該技術(shù)的重視不斷升溫，投入持續(xù)增加。相比之下，日本政府對燃料電池及燃料電池汽車技術(shù)的推動力度更大，技術(shù)水平也更高，其先進(jìn)的燃料電池乘用車車型已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化，在燃料電池汽車領(lǐng)域走在了世界前列。3 全球燃料電池汽車發(fā)展的共性問題當(dāng)前，燃料電池汽車尚未達(dá)到大規(guī)模推廣應(yīng)用的階段，其根本問題在于關(guān)鍵技術(shù)還不夠成熟。燃料電池汽車是涉及化學(xué)、材料、機(jī)械、電子等多個領(lǐng)域復(fù)雜技術(shù)的交叉載體，且所需技術(shù)水平較高，并給技術(shù)成本帶來了很大的挑戰(zhàn)。例如，組成燃料電池單體的交換膜、催化層、 滲透層、 雙極板對材料、工藝提出了極高要求；又如，燃料電池電堆的成組、系統(tǒng)的集成與控制等，都必須適應(yīng)汽車運(yùn)行中頻繁變動的工況

11、。正是由于關(guān)鍵技術(shù)尚未取得根本性突破，燃料電池汽車的推廣還面臨著幾個重大瓶頸，這些共性問題制約著全球燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。3.1 成本燃料電池的成本依然偏高，這是推廣燃料電池汽車必須解決的首要問題。代表性的燃料電池汽車產(chǎn)品，如豐田Mirai 售價 6.9 萬美元（約合45 萬元人民幣），本田 Clarity 售價 6萬美元（約合39 萬元人民幣），遠(yuǎn)高于其他動力形式的同級別車輛。造成燃料電池汽車高成本的主要原因在于燃料電池系統(tǒng)各部件成本較高，尤其是大量應(yīng)用貴金屬Pt 的催化層。為了保證電池性能，燃料電池各部件都有其特別要求（見表2） ， 目前雖有各種應(yīng)對方法，但始終無法避免較高的成本增量

12、。因此，高性能、高可靠性、低成本的燃料電池組件，已成為燃料電池技術(shù)發(fā)展的重要方向。表 2 燃料電池各部件要求及應(yīng)對技術(shù)部件應(yīng)對技術(shù)成本交換膜要求導(dǎo)電性好化學(xué)穩(wěn)定性高熱穩(wěn)定性高強(qiáng)度/柔韌性好反應(yīng)氣體透氣率低濕度保持多孔材料、碳納米管與全氟磺酸樹脂復(fù)合的增強(qiáng)膜等較高催化層Pt 用量低導(dǎo)電性好電化學(xué)穩(wěn)定性高催化性能非常高擴(kuò)散層強(qiáng)度/柔韌性好合適的孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)電性/導(dǎo)熱性好親水疏水性合適一般雙極板導(dǎo)電性/導(dǎo)熱性好強(qiáng)度/柔韌性好氣密性好電化學(xué)穩(wěn)定性高Pt 合金催化劑改進(jìn)催化劑載體非Pt 催化劑優(yōu)化制備方法，利用形貌控制提高催化劑活性支撐層微孔層設(shè)計(jì)支撐層：多孔碳布/碳紙微孔層： 導(dǎo)電炭黑憎水劑石墨碳板復(fù)合雙

13、極板金屬雙極板（車用燃料電池適用）較高美國能源部（Department of Energy ， DOE）對燃料電池汽車的成本問題進(jìn)行了系統(tǒng)分析，對整車、電堆、電池層層分解，得出了各部分成本的具體比例19 ，如圖 3 所示。根據(jù)DOE 的研究， 目前燃料電池系統(tǒng)成本已從2006 年的每千瓦120 美元 （約合 790 元人民幣）降低到了每千瓦55 美元 （約合 360 元人民幣，假定達(dá)到50 萬臺規(guī)模）， 未來通過技術(shù)進(jìn)步和更大批量生產(chǎn)，還有望進(jìn)一步降低成本，實(shí)現(xiàn)每千瓦30美元（約合200 元人民幣）的長期目標(biāo)。中國燃料電池系統(tǒng)的實(shí)際成本目前約為每千瓦5 000 元人民幣，差距明顯，不過中國也制

14、定了2030 年達(dá)到每千瓦200 元人民幣的目標(biāo)，則與美國DOE 的預(yù)估接近。圖 3 燃料電池汽車成本構(gòu)成19另據(jù)美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（Oak Ridge Nation?alLaboratory ）估計(jì) 20 ，在形成20 000 輛規(guī)模的前提下，燃料電池汽車的整車成本有望達(dá)到約48 000 美元（約合315000 元人民幣），其中燃料電池系統(tǒng)約占一半，即24 000 美元（約合157 000 元人民幣）左右。而如果考慮儲氫系統(tǒng)、輔助電池等，整個燃料電池動力總成的成本高達(dá)36 200 美元（約合237 000 元人民幣），占總成本的75% 以上。從目前的情況來看，盡管有所改善，但燃料電池動力系

15、統(tǒng)的高昂成本，仍然使其與其他動力形式相比處于明顯的競爭劣勢，這是燃料電池汽車大規(guī)模推廣的最大瓶頸。3.2 耐久性車用燃料電池的耐久性是制約其商業(yè)化的主要技術(shù)挑戰(zhàn)之一， 對于乘用車而言，目前普遍認(rèn)可的指標(biāo)是在性能衰減10%的水平下運(yùn)行5 000 h 。近年來，世界各大汽車廠商積極致力于燃料電池技術(shù)研究，使電池耐久性有了較大提升，但距理想的商業(yè)化目標(biāo)仍有一定差距。DOE 的研究報告指出19，自 2006 年以來， 美國燃料電池乘用車平均耐久性已由1 000h 逐步提升至約2 500 h ， 同時， 單車最佳耐久性紀(jì)錄提升更快， 2015 年有車輛達(dá)到5 605 h 的連續(xù)運(yùn)行紀(jì)錄。在商用車方面，近

16、期的耐久性目標(biāo)為18 000 h 。美國 UTC 公司示范的大型客車是長壽命燃料電池系統(tǒng)的典型案例，在2010 年該示范性商用車已連續(xù)運(yùn)行7 000 h ， 到 2015 年已在實(shí)際路況條件下運(yùn)行19 000 h21 。目前，中國燃料電池轎車壽命不足 2 000 h ，客車的壽命約為3 000 h ，明顯低于國外先進(jìn)水平?？傮w來看，車用燃料電池耐久性正不斷提升，逐步接 近商業(yè)化目標(biāo)。提高耐久性的關(guān)鍵技術(shù)在于控制燃料電池性能衰減，而性能衰減的主要影響因素是車輛運(yùn)行工況的頻繁變動。目前主要從兩方面解決此問題：一方面，通過對動力系統(tǒng)與控制策略的優(yōu)化，避開不利條件或減少不利條件的存在時間，以達(dá)到延緩衰

17、減的目的；另一方面，繼續(xù)發(fā)展新材料技術(shù)，包括用于催化劑及載體、聚合物膜、雙極板等的關(guān)鍵材料，以滿足苛刻的車用工況，提升耐久性。具體來講，提高耐久性的重點(diǎn)技術(shù)包括：電極材料的催化劑活性研究、交換膜的傳導(dǎo)能力提升；電堆的水、熱、汽控制；燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)型設(shè)計(jì)與優(yōu)化、穩(wěn)定工況控制、啟停機(jī)策略、動力電池匹配等。在這些方面，中國都存在一定差距。3.3 基礎(chǔ)設(shè)施完善的基礎(chǔ)設(shè)施同樣是燃料電池汽車大范圍推廣的前提。有資料顯示，一座加氫站的投入大約為2 000 萬元，大大高于加油站的建設(shè)成本，其中約60% 的成本用于站點(diǎn)維持22 。因此，現(xiàn)階段加氫站的建設(shè)和運(yùn)營必須依靠政府的財政補(bǔ)貼。加氫站氫源方面，包括水電解

18、制氫、質(zhì)子交換膜水解制氫、天然氣現(xiàn)場重整、外供氫等，需要因地制宜，選取合理方式。如表 1 所示，至2016 年，日本已在東京、大阪等城市建設(shè)了 100 座加氫站，北美建有68 座加氫站，歐洲建有50 座加氫站， 中國則僅有6 座。 這些加氫站僅能滿足示范應(yīng)用需要， 如要實(shí)現(xiàn)真正規(guī)?；纳虡I(yè)推廣，還需更進(jìn)一步的投入和建設(shè)。因此，燃料電池汽車的快速發(fā)展有賴于氫能基礎(chǔ)設(shè)施的超前部署，當(dāng)前各國政府紛紛制定了各自的加氫站建設(shè)規(guī)劃，正在逐步加大對基礎(chǔ)設(shè)施的投入。3.4 氫能產(chǎn)業(yè)鏈的系統(tǒng)規(guī)劃為實(shí)現(xiàn)燃料電池汽車的大規(guī)模推廣，除了加氫環(huán)節(jié)外，還必須有“制氫-運(yùn)氫-儲氫 -用氫”全產(chǎn)業(yè)鏈的完善配套設(shè)施。 同時，需

19、要對氫能產(chǎn)業(yè)鏈的每個環(huán)節(jié)都進(jìn)行深入研究和分析，站在全生命周期的角度評價和控制氫能利用的整體效益，例如采取碳排放較高的制氫和運(yùn)氫方式，可能導(dǎo)致氫能利用在整體上并不節(jié)能環(huán)保。目前針對各種制氫方法、運(yùn)輸方式等都有一些研究工作23-27 ，但從“制氫-運(yùn)氫-儲氫-用氫”全過程視角出發(fā)，研究全局性的設(shè)計(jì)與規(guī)劃尚不多見。此外，當(dāng)前雖有較成熟的制氫技術(shù)，如甲醇裂解制氫、煤氣化制氫、水電解制氫等方式，但大都是針對工業(yè)用氫。針對未來車載氫能的大規(guī)模制備、儲運(yùn)和使用，還需進(jìn)一步研究：氫的儲運(yùn)就有多種技術(shù)路線可以選取，包括高壓氫瓶儲存、金屬氫化物儲存和車船運(yùn)輸、管道運(yùn)輸?shù)?，最適合車用的氫能儲運(yùn)方式尚不明確；未來還需

20、要考慮制氫的低成本化、低污染化、低能耗化，開發(fā)可再生能源制氫技術(shù)、探索如何降低電解水的能耗與成本可能成為未來的重要方向?？傊剂想姵仄嚨耐茝V，實(shí)際上是氫能在汽車產(chǎn)業(yè)大規(guī)模應(yīng)用的問題，唯有對整個氫能產(chǎn)業(yè)鏈和汽車產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行綜合評估和系統(tǒng)規(guī)劃，方能在實(shí)現(xiàn)推廣目標(biāo)的同時真正滿足社會的多元需求。4 中國燃料電池汽車發(fā)展現(xiàn)狀及差距分析4.1 中國燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀在國家“863”計(jì)劃“十五”電動車重大科技專項(xiàng)、“十一五”節(jié)能與新能源汽車重大項(xiàng)目、 “十二五”及“十三五”電動車關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)集成等重大項(xiàng)目的支持下，通過產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊(duì)的攻關(guān)，中國燃料電池汽車技術(shù)取得了一定的進(jìn)展，初步掌握了燃料

21、電池電堆和關(guān)鍵材料、動力系統(tǒng)與核心部件、整車集成和氫能基礎(chǔ)設(shè)施等核心技術(shù)，基本建立了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的燃料電池轎車及城市客車動力系統(tǒng)技術(shù)平臺，也初步形成了燃料電池發(fā)動機(jī)、動力電池、DC/DC 變換器、 驅(qū)動電機(jī)、儲氫系統(tǒng)等關(guān)鍵零部件的配套研發(fā)體系，并具備了百輛級燃料電池汽車及其動力系統(tǒng)的生產(chǎn)能力6。當(dāng)前，中國已有3 款燃料電池客車、5 款燃料電池轎車樣車推出，并先后在北京奧運(yùn)會、上海世博會、全球環(huán)境基金與聯(lián)合國發(fā)展計(jì)劃署(GEF/UNDP )共同支持的燃料電池城市客車商業(yè)化示范活動、新加坡青奧會等開展了示范運(yùn)行?；A(chǔ)設(shè)施方面，中國建有加氫站6 座，分別位于北京、上海、 鄭州等地。制氫方面，中國

22、主要采用煤氣化制氫，小規(guī)模的 分散用氫主要靠甲醇蒸汽重整、水電解和氨氣裂解等方式提 供，而未來的發(fā)展方向則是可再生能源制氫以及化石能源的高效清潔利用?？傮w而言，中國燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)尚處于起步階段，僅有少量企業(yè)進(jìn)行了開發(fā)示范樣車的嘗試，但后續(xù)量產(chǎn)計(jì)劃并未跟進(jìn)，沒有形成前后接續(xù)、有序推進(jìn)的態(tài)勢。4.2 中國燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的主要差距與自身特點(diǎn)經(jīng)過多年的發(fā)展，與國際先進(jìn)水平相比，中國燃料電池汽車在整車總體布置、動力性、氫氣消耗量等基本性能方面已經(jīng)差距不大，在動力系統(tǒng)的集成和控制方面也有明顯進(jìn)步，但在關(guān)鍵材料及工藝、關(guān)鍵零部件、整車集成以及耐久性等方面，仍有明顯差距6，如表3 所示。總體上，核心組件如

23、質(zhì)子交換膜、催化劑、碳紙、碳布、膜電極、雙極板等，中國雖進(jìn)行了基礎(chǔ)研發(fā)及小規(guī)模量產(chǎn)，但其性能、成本與國外先進(jìn)水平相比均有不足。國外已可實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵零部件的大規(guī)模生產(chǎn)， 中國多處在試生產(chǎn)、小規(guī)模生產(chǎn)階段。集成技術(shù)的差距，使中國燃料電池發(fā)動機(jī)功率明顯低于國際水平，例如，中國典型燃料電池轎車的電池功率約為35 50 kW， 而國際先進(jìn)水平可達(dá)90 100 kW 。與此同時，中國燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)有其自身特點(diǎn)，切實(shí)把握這些“獨(dú)特”屬性，才能有效地梳理出最適宜的發(fā)展策略。第一，發(fā)展起步晚，地域性強(qiáng)。中國于20 世紀(jì) 90 年代開始關(guān)注燃料電池技術(shù)，至2000 年左右才開展燃料電池汽車方面的研究，與世界先進(jìn)國家

24、相比，技術(shù)積累相對薄弱。同時，中國的燃料電池相關(guān)產(chǎn)業(yè)集中在東南沿海地區(qū)，如在如皋、佛山等城市發(fā)展相對迅速，內(nèi)陸地區(qū)則相對遲緩，呈現(xiàn)出地域性明顯的特征。第二，產(chǎn)業(yè)鏈條不夠完整。由于尚處在基礎(chǔ)研發(fā)和初步應(yīng)用階段，燃料電池先進(jìn)技術(shù)更多由研究機(jī)構(gòu)和高等院校掌握，而這些單位往往不具備氫能產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的條件和能力，特別是在汽車這樣復(fù)雜且涉及面廣的產(chǎn)品上。相比之下，中國燃料電池企業(yè)以及整車企業(yè)的競爭力普遍較弱，從基礎(chǔ)研發(fā)到推廣應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)鏈尚未完全打通。第三，商用車發(fā)展相對較快。相較于燃料電池乘用車，中國已有宇通客車、福田客車、金龍客車等廠商對燃料電池商用車進(jìn)行了多年開發(fā)，研制了多代樣車，并進(jìn)行了示范應(yīng)用，具備

25、了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。第四，政府更為關(guān)注純電動車的發(fā)展。目前純電動車是中國新能源汽車的主要戰(zhàn)略方向，得到了大量的政策傾斜和資金投入，相比之下，更需前瞻投入的燃料電池汽車并未獲得區(qū)別于電動車的特殊政策支持。也可以說，未來燃料電池汽車在中國的良好發(fā)展，首先需要政府給出清晰的定位和明確的方向。表 3 國內(nèi)外燃料電池汽車技術(shù)差距28 技術(shù)分支催化劑國內(nèi)現(xiàn)狀鉑載量約1.1 g/kW ， 0.6 mg/cm2 僅有小規(guī)模生產(chǎn)交換膜碳紙/碳布技術(shù)水平有差距，開發(fā)出復(fù)合膜尚未量產(chǎn)試生產(chǎn)階段雙極板尚無實(shí)用化數(shù)據(jù)膜電極組件電堆總成國際水平鉑 載 量 16達(dá) 到 0.19 g/kW ， 0.15 mg/cm2 已進(jìn)入大

26、規(guī)模生產(chǎn)階段技術(shù)水平較高，由均質(zhì)膜向復(fù)合膜發(fā)展進(jìn)行了大規(guī)模生產(chǎn)、壟斷已進(jìn)入流水線生產(chǎn)導(dǎo)電率達(dá)到100 S/cm 抗彎強(qiáng)度約 34 MPa 成本控制在每千瓦5 10 美元（ 33 66 元人電流密度達(dá)到2.5 3.0 A/cm2 動態(tài)工況壽命達(dá)到9 000 h成本控制在每千瓦16 美元（ 105 元人民幣）體積功率密度3.0 kW/L 以上轎車車載工況壽命2 500 h 以上商用車車載工況壽命 12 000 h 以上總成成本每千瓦22 美元（ 144 元人民幣）電流密度約1.5 A/cm2 動態(tài)工況壽命約3 000 h 成本約每千瓦 2 000 元人民幣體積功率密度約1.1 kW/L 轎車車載工

27、況壽命小于3 000 h6 商用車車載工況壽命約12 000 h6 總成成本每千瓦5 000 元人民幣6總之，除全球燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)面臨的共性瓶頸外，中國燃料電池汽車的加快推廣還必須克服目前明顯的技術(shù)差距，并有效結(jié)合自身特點(diǎn)，這在客觀上增加了燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)在中國發(fā)展的困難和變數(shù)。但從推行能源多元化、降低風(fēng)險的角度出發(fā)，同時考慮到氫能作為未來主要能源候選對象的戰(zhàn)略地位，中國不宜忽視燃料電池及其在汽車領(lǐng)域應(yīng)用的技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)，必須采取適宜措施，有針對性、有計(jì)劃地予以重點(diǎn)實(shí)施。5 中國燃料電池汽車的發(fā)展策略建議5.1 中國發(fā)展燃料電池汽車的戰(zhàn)略定位首先，必須站在全球產(chǎn)業(yè)升級和能源革命的大背景

28、下審視燃料電池汽車。當(dāng)前，全球能源與環(huán)境壓力與日俱增，各國汽車節(jié)能減排的步伐不斷加快，發(fā)展新能源汽車已呈大勢所趨。各國一方面不斷加嚴(yán)燃油消耗法規(guī)，另一方面持續(xù)加大對新能源汽車支持力度，以謀求交通領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展。以日本豐田、本田、德國大眾等為代表的多家全球頂級汽車企業(yè)更相繼宣布了停產(chǎn)傳統(tǒng)燃油車的時間表，這意味著推進(jìn)新能源汽車、實(shí)現(xiàn)汽車電氣化成為了公認(rèn)的發(fā)展趨勢。目前新能源汽車有兩大主要發(fā)展方向，即純電動車與燃料電池汽車。全球汽車強(qiáng)國都致力于這兩類電驅(qū)動車型的開發(fā)，包括乘用車和商用車。不僅純電動車，燃料電池乘用車和商用車也不斷有新產(chǎn)品問世。這對致力于建設(shè)汽車強(qiáng)國的中國是戰(zhàn)略選擇的很好參照。其次，

29、必須充分理解中國作為全球第一汽車大國，發(fā)展新能源汽車戰(zhàn)略需求的迫切性。一方面，中國石油對外依存度逐年攀升，2016 年已超過65% ，能源安全成為事關(guān)國運(yùn)的重大挑戰(zhàn)；另一方面，日益嚴(yán)重的霧霾引發(fā)全民關(guān)注，履行低碳承諾和改善環(huán)境質(zhì)量已是中國最大的政治任務(wù)之一。汽車產(chǎn)業(yè)作為石油消耗大戶，自然應(yīng)承擔(dān)重要責(zé)任。也就是說，中國亟需在能力所及的范圍內(nèi)，以最快速和最有效的手段，加緊普及新能源汽車，以早日實(shí)現(xiàn)能源替代和碳排放降低。正是從這種戰(zhàn)略需求出發(fā)，中國選擇了以全面推動電動車為主的新能源汽車發(fā)展策略，這也是權(quán)衡電動車和燃料電池汽車發(fā)展?fàn)顟B(tài)后做出的選擇。先從基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)角度分析，中國地域遼闊，如果同時承擔(dān)加

30、油站、充電站、加氫站建設(shè)，投入將非常巨大，且難以配置充足的資源（尤其是大型城市稀缺的土地資源），可行性較低。而比較充電站和加氫站，前者相對成熟，正處在快速普及的狀態(tài)，后者尚有技術(shù)和成本等問題需要解決，且制氫、運(yùn)氫和儲氫都還有很多技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化難題。顯然，優(yōu)先布置充電站更為現(xiàn)實(shí)。再就電動車和燃料電池汽車本身來看，相比于燃料電池汽車，電動車更接近于大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化：第一， 從全球來看，電動車更加成熟，像日產(chǎn)、特斯拉等公司的電動車產(chǎn)品已經(jīng)有不錯的銷量。相比之下，即使最為領(lǐng)先的日企，雖然陸續(xù)推出了燃料電池量產(chǎn)車型，但產(chǎn)量都非常有限。近期一直以“混合動力 燃料電池”為技術(shù)路線的豐田汽車也公布了量產(chǎn)電動車的計(jì)劃

31、， 這種戰(zhàn)略調(diào)整說明，豐田也認(rèn)識到就當(dāng)前快速推進(jìn)新能源汽車的需求而言，電動車是無法跨越的。第二，電動車能源供給相對方便，電網(wǎng)相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施已十分完善，各國的充電基礎(chǔ)設(shè)施也在加速發(fā)展中，相反，高效的制氫路徑尚在探索中，并無大量“現(xiàn)成”的氫能可供利用。第三，中國自身電動車水平基本與世界同步，而如前所述，燃料電池汽車技術(shù)則相對落后。由此可見，相比于發(fā)展燃料電池汽車，聚力發(fā)展電動車更是快速獲得節(jié)能減排收益的有效手段。最后， 必須深刻地理解燃料電池汽車的戰(zhàn)略價值，盡管“發(fā)展有側(cè)重、 推進(jìn)有先后”的新能源汽車普及策略無可厚非， 但這并不意味著可以忽略燃料電池汽車。作為新能源汽車的重要發(fā)展選項(xiàng)和未來汽車動力可

32、能的終極解決方案之一，燃料電池汽車在中國汽車強(qiáng)國的版圖中絕非可有可無，而是必不可少，其先天具有的零排放、高能效、大里程等優(yōu)勢，是電動車無法比擬的。實(shí)際上， 人類未來的能源格局極有可能“脫碳入氫”，而燃料電池汽車恰與此方向匹配，從這個意義上講，在能源革命的深度上，燃料電池汽車是超過電動車的。更重要的是，中國必須堅(jiān)持“能源多元化”的戰(zhàn)略。因此，任何以發(fā)展電動車為理由忽視燃料電池汽車投入的觀點(diǎn)都是不可取的。面對燃料電池汽車落后于人的局面，中國更要在大力發(fā)展電動車的同時，同步對燃料電池汽車進(jìn)行戰(zhàn)略儲備、前瞻布局和切實(shí)投入。不僅是商用車，也包括乘用車，都必須努力緊跟世界先進(jìn)水平，以免出現(xiàn)戰(zhàn)略誤判和關(guān)鍵短

33、板。5.2 中國燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展策略前文已闡明燃料電池汽車對于中國能源和汽車產(chǎn)業(yè)的重要性，而要在總體落后的情況下，以相比電動車次要的投入，快速推進(jìn)燃料電池汽車的技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，就更需要科學(xué)精準(zhǔn)的發(fā)展路徑以及相關(guān)方面的有效協(xié)同。為此，本文經(jīng)過認(rèn)真梳理和研究分析，提出了中國燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的三大發(fā)展策略：即商用車先導(dǎo)、政府持續(xù)支持、企業(yè)認(rèn)真儲備。a. 中國發(fā)展燃料電池汽車應(yīng)選擇商用車作為重點(diǎn)方向和戰(zhàn)略 突破口。 從全球共性問題和情況看，主要有以下幾個方面的考慮：首 先，燃料電池成本高昂，如果搭載于成本承載力相對有限的 乘用車上，很難獲得與其他動力車型相近的成本競爭力；其 次，燃料電池汽車

34、面臨加氫基礎(chǔ)設(shè)施的制約，但其續(xù)航里程 長的特點(diǎn)，特別適合大型商用車（如長途貨車、客車）的應(yīng) 用場景，而為保障固定用途、點(diǎn)對點(diǎn)移動的長途商用車，只 需定點(diǎn)建設(shè)少量加氫站即可，對基礎(chǔ)設(shè)施的依賴就可大為降 低；最后，采用以動力電池供能的純電動商用車，雖然同樣 可以滿足環(huán)保要求，但為滿足較長續(xù)航里程和較大載重量必 須搭載大量電池，不僅成本上并不劃算，而且運(yùn)載大量電池 移動本身也與節(jié)能環(huán)保相悖。也就是說，對于大型商用車而 言，電動車是性價比較低的新能源技術(shù)選項(xiàng)，而燃料電池汽 車恰可彌補(bǔ)其短。再從中國自身特點(diǎn)和情形分析：第一，相 比乘用車，中國商用車的節(jié)能減排技術(shù)水平更低，商用車保 有量遠(yuǎn)小于乘用車，但油

35、耗和排放都更甚于乘用車，為此在 商用車領(lǐng)域推廣新能源的緊迫性更強(qiáng)，而燃料電池可能是更 適合商用車的新能源汽車技術(shù)；第二，中國市場規(guī)模巨大、 地域差異明顯，如前文所述，中國燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)也呈現(xiàn)出地域性強(qiáng)的特色，因地制宜地選擇合適的局部區(qū)域，以氫 能綜合利用為戰(zhàn)略方向，導(dǎo)入全功率燃料電池商用車，就有足夠的市場容量，具有獲得快速發(fā)展的現(xiàn)實(shí)可行性；第三，中國在燃料電池商用車方面的差距小于乘用車，如能切實(shí)以商用車為先導(dǎo)推進(jìn)燃料電池汽車，不僅可以助力汽車節(jié)能減排整體目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，而且完全可以通過打造燃料電池商用車平臺，先行培育產(chǎn)業(yè)鏈，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化，并為未來燃料電池乘用車的推廣做好技術(shù)儲備。b. 政府應(yīng)給予燃

36、料電池汽車以充分重視和持續(xù)支持。本文建議政府應(yīng)從五個方面入手，支持燃料電池汽車的技術(shù)攻關(guān)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。其一，必須明確肯定燃料電池汽車的戰(zhàn)略定位，作為新能源汽車的重要技術(shù)路徑和未來汽車動力可能的終極解決方案之一，燃料電池汽車不是可有可無，而是不容有失。中國當(dāng)前選擇以電動車為突破口加快發(fā)展新能源汽車無可非議，但國家同時必須有力支持燃料電池汽車的技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，包括全功率的燃料電池乘用車，因?yàn)樽鳛槠嚧髧?，我們承受不起未來汽車動力源可能發(fā)生突變帶來的戰(zhàn)略風(fēng)險，理應(yīng)加緊推進(jìn)、認(rèn)真儲備，力爭搶占先機(jī)。其二，必須進(jìn)行前瞻布局，系統(tǒng)規(guī)劃重點(diǎn)區(qū)域。既要避免各地都只關(guān)注電動車而忽視燃料電池汽車，也要避免燃料電池

37、汽車的重復(fù)投入，更要保證真正具有優(yōu)勢條件的區(qū)域及企業(yè)得到有針對性的重點(diǎn)扶持。其三，通常新興產(chǎn)業(yè)的形成、發(fā)展和成熟都要經(jīng)歷從“政府主導(dǎo)”到“準(zhǔn)市場過渡”再到“市場主導(dǎo)”的軌跡，而當(dāng)前以及今后相當(dāng)一段時間內(nèi)，由于技術(shù)成熟度不足，燃料電池汽車都將繼續(xù)處在“政府主導(dǎo)”階段，為此政府必須持續(xù)給予直接的支持，包括投入基礎(chǔ)研發(fā)、財政補(bǔ)貼產(chǎn) 品和基建、扶持重點(diǎn)企業(yè)以及開展示范工程等。其四，必須 加緊出臺并不斷完善相關(guān)政策保障體系，確保氫能的生產(chǎn)供 給、車輛的研發(fā)制造、基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)運(yùn)營等不同環(huán)節(jié)都有 據(jù)可依，從而能夠有序開展相關(guān)工作。其五，要認(rèn)真總結(jié)電 動汽車前期推廣的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)，確保在燃料電池汽車的基礎(chǔ) 研

38、發(fā)及產(chǎn)業(yè)化推廣上少走彎路。c. 企業(yè)應(yīng)將燃料電池汽車作為未來動力技術(shù)的重要選項(xiàng)，認(rèn) 真評估，有效儲備。 對于企業(yè)來說，應(yīng)根據(jù)自身實(shí)際情況，將燃料電池汽車作為 重要的技術(shù)選項(xiàng)，納入未來節(jié)能減排技術(shù)路線的綜合評估之 中，進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)攻關(guān)與儲備，并積極推動燃料電池汽車 的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。必須強(qiáng)調(diào)的是，燃料電池汽車商業(yè)化的核心 還是關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)步。根據(jù)本文的梳理，建議企業(yè)可按以下 重點(diǎn)方向進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，以促進(jìn)燃料電池汽車加快走向大規(guī) 模應(yīng)用：第一，基礎(chǔ)技術(shù)研發(fā)，包括燃料電池核心材料和燃 料電池過程機(jī)理研究，如新型低鉑或非鉑催化原理及催化劑、 高化學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性固體電解質(zhì)開發(fā)、單電池綜合仿真技術(shù)、 燃料電

39、池電熱分布分析、空氣雜質(zhì)的影響、電堆“氣水電熱”多重耦合特性研究等；第二，集成技術(shù)研發(fā)，包括應(yīng)用于燃料電池系統(tǒng)層級的集成技術(shù)和應(yīng)用于整車層級的集成技術(shù)；第三，關(guān)鍵零部件研發(fā)，例如高性能燃料電池系統(tǒng)所必需的空壓機(jī)、加濕器、氫循環(huán)裝置等重要零部件，都應(yīng)盡快實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化， 以確保產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展；第四， 基礎(chǔ)設(shè)施及相關(guān)技術(shù)。包括低成本、低能耗、低污染的制氫、運(yùn)氫、儲氫技術(shù)，如可再生能源制氫等技術(shù)的應(yīng)用。6 結(jié)束語燃料電池汽車代表著汽車產(chǎn)業(yè)動力革命可能的終極方向之一，對于改善未來能源結(jié)構(gòu)、發(fā)展低碳交通具有深遠(yuǎn)意義。當(dāng)前，世界各國對于燃料電池汽車的關(guān)注不斷升溫，已有一些產(chǎn)品投放市場，進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化初始階段。本文對

40、燃料電池汽車發(fā)展歷程、關(guān)鍵技術(shù)和主要障礙進(jìn)行了系統(tǒng)梳理，指出由于技術(shù)尚未獲得本質(zhì)突破，因此成本、耐久性、基礎(chǔ)設(shè)施以及氫能產(chǎn)業(yè)鏈仍是燃料電池汽車推廣應(yīng)用所面臨的全球共性瓶頸。與此同時，中國燃料電池汽車雖也已獲得一定的發(fā)展，但在關(guān)鍵材料、關(guān)鍵零部件和整車集成等方面與國外先進(jìn)水平相比仍有一定差距，同時具有起步晚、地域性強(qiáng)、產(chǎn)業(yè)鏈條不夠完整、商用車相對發(fā)展較快以及政府更關(guān)注于電動車發(fā)展等鮮明特點(diǎn)?；谌剂想姵仄囎陨砑夹g(shù)特點(diǎn)和中國當(dāng)前發(fā)展情況，本文認(rèn)為，發(fā)展新能源汽車產(chǎn)業(yè)雖然要有所側(cè)重，但必須充分認(rèn)識到燃料電池汽車的重要地位，站在大國“能源多元化”戰(zhàn)略需求的高度，給予足夠的重視和切實(shí)的支持。本文從中國

41、燃料電池汽車發(fā)展的突破口及方向、燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展所需的政府支持和環(huán)境保障、相關(guān)企業(yè)的應(yīng)對戰(zhàn)略三個方向梳理了其發(fā)展策略，為推動中國燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的加快發(fā)展，實(shí)現(xiàn)汽車能源替換與碳排放降低，確保產(chǎn)業(yè)未來可持續(xù)發(fā)展提供助力。參考文獻(xiàn)1Hwang J J, Wang D Y,Shih N C.Develop?ment of a Lightweight Fuel Cell VehicleJ.Journal of Power Sources 2005 ， 141 （ 1 ） ： 108-115.2Hodoshima S, Arai H, Takaiwa S, etal.Catalytic Decali

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