本文選自中國工程院院刊《中國工程科學》2020年第5期
作者：譚旭光, 余卓平
來源：燃料電池商用車產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].中國工程科學,2020,22(5):152-158.
編者按
面對全球嚴峻的節(jié)能減排與能源緊缺形勢，國內(nèi)外都將燃料電池汽車作為汽車行業(yè)的未來戰(zhàn)略方向，高能耗高排放的商用車技術變革更顯迫切。在商用車方面，基于石墨極板電堆的燃料電池成為極富潛力的動力系統(tǒng)解決方案。
中國工程院院刊《中國工程科學》2020年第5期刊發(fā)《燃料電池商用車產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與展望》，分析了國內(nèi)外燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展動態(tài)，梳理了主要國家在燃料電池汽車開發(fā)和推廣過程中所采取的各項舉措，總結(jié)了我國燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的優(yōu)勢與面臨的問題。研究表明，基于國家級產(chǎn)業(yè)引導政策，燃料電池汽車發(fā)展路線應以商用車為主；針對制約燃料電池商用車發(fā)展的因素，建議通過頂層設計，出臺產(chǎn)業(yè)專項規(guī)劃以明確產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向、目標和重點；強化燃料電池關鍵共性技術研發(fā)突破，解決制約產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的瓶頸問題，推動燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。
一、前言
能源是國民經(jīng)濟社會發(fā)展的基礎和命脈，能源安全直接關乎國家和社會安全。當前我國對海外原油資源依賴程度較高，能源安全存在隱患，同時化石能源使用產(chǎn)生的碳排放也構成了一定的環(huán)保壓力。隨著國家能源戰(zhàn)略結(jié)構調(diào)整、生態(tài)文明建設向縱深推進，傳統(tǒng)能源轉(zhuǎn)型升級已成為時代趨勢，能源消費的低碳化、清潔化已成為主流。新型能源的產(chǎn)業(yè)化應用，有助于推動能源生產(chǎn)與消費革命、優(yōu)化能源結(jié)構、助力能源安全、實現(xiàn)溫室氣體減排和生態(tài)環(huán)境保護、提升國家工業(yè)裝備制造水平。
氫能是零排放、可再生能源，推廣氫能應用成為解決能源危機和環(huán)境污染危機的良好路徑。在全球氫能源加速發(fā)展的背景下，燃料電池汽車成為各國機構和企業(yè)研發(fā)的重點內(nèi)容之一。2019 年，美國能源部發(fā)布了燃料電池 8 級卡車發(fā)展目標，提出到 2030 年燃料電池系統(tǒng)壽命達到 25 000 h、峰值效率超過 68%。日本和韓國多家汽車公司應用金屬雙極板電堆技術，推出了適用于乘用車的燃料電池動力系統(tǒng)解決方案。在商用車方面，基于石墨極板電堆的燃料電池成為極富潛力的動力系統(tǒng)解決方案，歐洲多家汽車公司聯(lián)合發(fā)展了重型車輛用燃料電池系統(tǒng)，德國博世公司開發(fā)的燃料電池系統(tǒng)擬于 2020 年年底推向市場。
與國際進展同步，我國也在持續(xù)加大氫能源在交通領域的研發(fā)和投入力度，積極推動燃料電池汽車的投產(chǎn)應用。中國科學院大連化學物理研究所梳理了材料、關鍵組件、電堆、系統(tǒng)等燃料電池汽車的技術現(xiàn)狀，分析提出了燃料電池性能衰減規(guī)律與提升策略。我國在“十五”至“十三五”時期持續(xù)布局新能源相關重大專項，通過“產(chǎn)學研”聯(lián)合研發(fā)模式，攻關突破了一批燃料電池汽車關鍵技術，較好掌握了燃料電池關鍵材料與組件、電堆集成、系統(tǒng)和整車匹配以及加氫基礎設施建設等核心技術。清華大學技術團隊研究了國內(nèi)外燃料電池汽車核心技術開發(fā)、推廣應用所面臨的共性問題，闡述了我國燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展態(tài)勢，探討適合國情的燃料電池發(fā)展路徑。
本文著眼于能源轉(zhuǎn)型的重大戰(zhàn)略價值，就國際氫能及燃料電池汽車的發(fā)展格局與發(fā)展態(tài)勢開展梳理；論證我國燃料電池商用車的發(fā)展路線，研判制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關鍵因素；立足國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展引導政策，提出具體的技術創(chuàng)新發(fā)展方向以及發(fā)展建議，以期為燃料電池商用車產(chǎn)業(yè)研究提供理論參考。
二、發(fā)展燃料電池商用車產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略意義
燃料電池汽車的廣泛應用是支撐實現(xiàn)節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展的重要技術方向。美國、歐盟、日本、韓國等國家或地區(qū)在燃料電池汽車領域開展了較多的技術研究和應用推廣工作，體現(xiàn)了高端制造業(yè)快速發(fā)展的勢頭。與之對應，發(fā)展燃料電池汽車對我國汽車制造業(yè)的科技進步與高質(zhì)量發(fā)展構成正向推動力，促進產(chǎn)業(yè)由傳統(tǒng)制造向高端制造轉(zhuǎn)變。
在汽車發(fā)展方面，截至 2019 年年底，我國民用汽車保有量為 2.615×108 輛，其中商用車為 4.05×107 輛，占比為 15.5%。較高的商用車保有量帶來了高污染與高能源消耗問題，如石油消費總量約有 50% 來自于交通運輸業(yè)。商用車從傳統(tǒng)動力向無污染的氫燃料動力轉(zhuǎn)型，這是實施節(jié)能減排行動的主要方向之一。
在能源利用方面，盡管商用車的售出量遠低于乘用車，但是商用車整體燃油消耗遠超乘用車，因此在商用車領域推廣新能源技術的原油替代效果會更為顯著。目前，城市公共交通領域的電動化趨勢日益明顯；對于工作時間長、運行里程長，特別是在特定區(qū)域范圍內(nèi)運行的商用車，高儲能密度的氫燃料電池動力源將是更有價值的選擇。
在國家政策方面，2019 年政府工作報告提出了“推動加氫設施建設”的任務部署，標志著燃料電池汽車發(fā)展駛?cè)搿翱焖偻ǖ馈??！缎履茉雌嚠a(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035 年）》也增加了合理布局加氫基礎設施，推進氫燃料供給保障體系的相關內(nèi)容。根據(jù)產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，到 2030 年氫能將成為新能源戰(zhàn)略布局的重要組成部分，氫能產(chǎn)業(yè)也將支撐經(jīng)濟增長。
相比電動汽車、混合動力汽車，燃料電池汽車在補加燃料時間和續(xù)駛里程方面具有優(yōu)勢。對于續(xù)駛里程較長、動力性能要求較高、汽車體積較大的商用車，燃料電池是公認的優(yōu)選技術方案；商用車運行在相對固定的線路上，對加氫站的依賴性低于乘用車。因此在燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的初期，發(fā)展燃料電池商用車的價值高于乘用車。
三、氫能及燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
（一）國外發(fā)展情況
在能源安全、碳排放限值等日益突出的能源環(huán)境問題背景下，諸多國家或地區(qū)均設置專門管理機構、投入大量資源、推出相關規(guī)劃與政策，促進氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。
1. 技術發(fā)展
美國、歐盟、日本、韓國的燃料電池研發(fā)起步較早，在乘用車用燃料電池技術方面已經(jīng)形成技術領先優(yōu)勢。美國早在 1970 年提出了氫經(jīng)濟概念，將氫能及燃料電池列入能源戰(zhàn)略，近 10 年的經(jīng)費支持規(guī)模超過 16 億美元。日本汽車公司的燃料電池汽車性能先進，其燃料電池商業(yè)化應用處于世界領先位置；氫動力卡車也成為了汽車企業(yè)合作開發(fā)的重要方面。德國在 2006 年啟動了氫能和燃料電池技術國家發(fā)展計劃（NIP），以國家中心（NOW-GmbH）的組織形式推進技術開發(fā)工作；計劃 2025 年燃料電池乘用車成本與當前的電動車相當。韓國在 2003 年將氫能定位為“21 世紀前沿科學計劃”的主要技術領域之一，相關汽車公司與瑞典企業(yè)共同研發(fā)燃料電池核心技術。
2. 政策支持
美國發(fā)布了以《國家氫能路線圖》為代表的多個氫能規(guī)劃，通過《氫燃料電池開發(fā)計劃》《能源政策法》等政策支持氫能技術研發(fā)和示范應用，將 10 月 8 日定為美國國家氫能與燃料電池紀念日。日本在 2013 年將發(fā)展氫能列入國家計劃，提出了建設氫能社會的遠期目標；《氫能利用進度表》（2019 年）明確了 2030 年氫能應用的具體目標。歐盟從能源戰(zhàn)略層面先后發(fā)布了《2030 氣候和能源框架》《2050 低碳經(jīng)濟戰(zhàn)略》等政策，成立了燃料電池聯(lián)盟來共同推進關鍵技術和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。2020 年，韓國發(fā)布了《促進氫經(jīng)濟和氫安全管理法》以促進基于安全的氫經(jīng)濟建設，明確了政府對氫能產(chǎn)業(yè)和氫能企業(yè)的行政和財政支持，涵蓋氫能企業(yè)培育、援助、人才培養(yǎng)、產(chǎn)品標準化等產(chǎn)業(yè)基礎事項；彌補了《高壓氣體法》《燃氣法》的不足，為電解水制氫等低壓氫氣設備和氫燃料使用設施的安全管理提供了法律依據(jù)。
3. 市場運營
美國的燃料電池汽車推廣與運營量較大，美國燃料電池與氫能協(xié)會（FCHEA）在其發(fā)布的“氫能經(jīng)濟路線圖”中提出，2030 年美國燃料電池汽車數(shù)量預計達到 5.3×106 輛。韓國推廣燃料電池車輛超過 5000 輛，建成加氫站 34 座，“氫能經(jīng)濟發(fā)展路線圖”規(guī)劃 2040 年燃料電池汽車累計產(chǎn)量為 6.2×106 輛。2019 年日本燃料電池車輛保有量達到 3500 輛，加氫站超過 120 座；按照“氫能利用進度表”規(guī)劃，2030 年燃料電池乘用車保有量為 8×105 輛，燃料電池公交車數(shù)量為 1200 輛，加氫站數(shù)量為 900 座。歐盟在燃料電池推廣方面積極較高，示范推廣燃料電池乘用車達到 1080 輛、燃料電池商用車 150 余輛，20 個國家共建成 177 座加氫站?！皻W洲氫能路線圖”提出，2030 年將推廣應用 3.7×106 輛乘用車、5.0×105 輛輕型商用車、 4.5×104 輛重型載貨車和公交車、570 輛列車。
4. 地區(qū)發(fā)展
美國加利福尼亞州是全球燃料電池乘用車主要集中地，也是全球燃料電池車推廣最為成熟的地區(qū)。韓國因地制宜，按區(qū)域逐步開放氫能經(jīng)濟發(fā)展，將安山、蔚山、萬州和全州確定為“氫能經(jīng)濟候選城市”。法國波城啟用了全球首款燃料電池快速公交（BRT），車輛長 18 m，續(xù)航里程超過 300 km，百千米氫耗為 10~12 kg，性能堪比有軌電車，但綜合投資降低至 1/4。
（二）國內(nèi)發(fā)展情況
近年來，我國從發(fā)展路線、產(chǎn)業(yè)規(guī)劃、補貼措施（階段性）等方面出臺了系列政策，全方位支持燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展。以“節(jié)能與新能源汽車技術路線圖”為代表的發(fā)展規(guī)劃，均將氫能及燃料電池列為支持發(fā)展產(chǎn)業(yè)。
1. 產(chǎn)業(yè)宏觀態(tài)勢
2016—2019 年，國內(nèi)燃料電池汽車銷量大幅增加（見圖 1）。根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會《2019 年汽車工業(yè)經(jīng)濟運行情況》數(shù)據(jù)統(tǒng)計， 2019 年我國燃料電池汽車產(chǎn)銷量分別為 2833 輛、2737 輛，同比增長 85.5%、79.2%。2020 年上半年因新型冠狀病毒肺炎疫情原因?qū)е庐a(chǎn)銷量有所下降。截至2020年6月，我國燃料電池汽車累計銷售超過 6000 輛。從汽車銷量數(shù)據(jù)來看，我國燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向與國外存在明顯不同：美國、日本、韓國和歐盟的燃料電池汽車推廣以乘用車為主，而我國以商用車為主，已實現(xiàn)量產(chǎn)并投入規(guī)模化運營。
圖1 我國歷年燃料電池汽車銷量情況
注：數(shù)據(jù)來自中國汽車工業(yè)協(xié)會發(fā)布的《2016 年汽車工業(yè)經(jīng)濟運行情況》《2017 年汽車工業(yè)經(jīng)濟運行情況》《2018 年汽車工業(yè)經(jīng)濟運行情況》《2019 年汽車工業(yè)經(jīng)濟運行情況》。
按照“節(jié)能與新能源汽車技術路線圖”預測： 2025 年，隨著燃料電池關鍵技術成熟度的提高，燃料電池汽車推廣量可達到 1×105 輛；2030 年，隨著燃料電池核心組件技術持續(xù)突破，燃料電池汽車規(guī)模化應用達到 1×106 輛?！吨袊鴼淠茉醇叭剂想姵禺a(chǎn)業(yè)白皮書》預測：在商用車應用方面， 2030年燃料電池商用車推廣應用量將為 3.6×105 輛，占商用車總銷量的 7%；2050 年將為 1.6×106 輛，市場占比達到 37%；2050 年交通領域的氫能消費量將為 2.458×107 t/a，占交通領域整體用能的 19%，其中貨運領域的商用車氫能消費占交通領域氫能消費的比重達到 70%，成為交通領域氫能消費增長的主要驅(qū)動力。
2. 區(qū)域發(fā)展情況
我國在燃料電池汽車方面保持了較強的產(chǎn)業(yè)扶持力度。截至 2019 年年底，已有 19 個省市、40余個地級市出臺了推動氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策規(guī)劃，鼓勵燃料電池公交車、物流車等商用車的示范運營，初步形成了京津冀、華東、華南、西南、華中五大燃料電池汽車應用集群。例如，山東省作為華東燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)集群的重要省份，產(chǎn)業(yè)覆蓋氫氣制備、儲運、加注、燃料電池發(fā)動機及關鍵零部件、燃料電池汽車等領域，多家行業(yè)龍頭企業(yè)均取得了相應的技術攻關和產(chǎn)業(yè)應用突破。截至 2020 年 6 月，山東省示范推廣燃料電池商用車超過 200 輛，運行公交線路 7 條，總里程超過 1.6×106 km，建成加氫站 6 座。
在國家政策引導下，多個地區(qū)重視氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)的落地發(fā)展，出現(xiàn)了佛山、張家口、鄭州、成都等燃料電池車輛推廣積極、區(qū)位優(yōu)勢較為明顯、產(chǎn)業(yè)鏈相對完善、產(chǎn)業(yè)集群化程度領先的氫能城市。此外，《天津市氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動方案（2020—2022 年）》規(guī)劃，2022 年力爭建成至少 10 座加氫站，打造 3 個燃料電池車輛推廣應用試點示范區(qū)；《常熟氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃（2019—2022 年）》提出，2022 年燃料電池汽車累計推廣達到 3000 輛，建成 2~3 座市場化運營的公共加氫站，培育燃料電池汽車企業(yè) 1~2 家；《濰坊市氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展三年行動計劃（2019—2021 年）》要求，在產(chǎn)業(yè)鏈層面聚焦包含核心材料、關鍵組件、電堆開發(fā)、系統(tǒng)集成、測試認證、整車匹配等環(huán)節(jié)在內(nèi)的產(chǎn)業(yè)集群，培育與產(chǎn)業(yè)發(fā)展要求配套的新能源創(chuàng)新中心和測試中心。
四、燃料電池商用車產(chǎn)業(yè)面臨的問題及對策建議
我國燃料電池商用車示范已經(jīng)走在了世界前列，這是企業(yè)技術創(chuàng)新與國家政策支持協(xié)同發(fā)力的成果。也要注意到，不少關鍵技術方向仍未完全突破，商用車燃料電池的發(fā)展還面臨著一些基礎性的制約因素。
（一）氫能和燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的國家標準與法規(guī)體系有待完善
我國氫能和燃料電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度很快，但氫能燃料電池全產(chǎn)業(yè)鏈的技術和檢測規(guī)范以及相關法規(guī)尚有欠缺，體系完整性有待加強。現(xiàn)行的法規(guī)標準仍將氫氣按照危險化學品進行管理，導致加氫站審批、建設和運營的擴大化受到制約。針對上述問題，建議細化氫能和燃料電池關鍵材料與核心部件的開發(fā)規(guī)范，建設氫能燃料電池國家技術標準創(chuàng)新基地，完善產(chǎn)業(yè)技術發(fā)展重點方向和目標，優(yōu)化區(qū)域產(chǎn)業(yè)布局。在明確車用氫氣的能源屬性之后，細化車用氫氣的制備、儲運、加注技術標準，為加速氫能基礎設施建設提供保障。
（二）關鍵材料和核心技術尚未完全自主
燃料電池技術研發(fā)取得了長足進展，但在核心材料、關鍵組件的自主研發(fā)方面仍存在較大差距。催化劑、質(zhì)子膜、碳紙、空壓機等對國外依賴度較大，氫氣品質(zhì)、儲存運輸、加氫站建設等方面的質(zhì)量和安全標準不足，氫品質(zhì)和氫泄露等高精度檢測設備以及權威檢測機構欠缺，嚴重制約了燃料電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。針對氫能產(chǎn)業(yè)技術不成熟、產(chǎn)業(yè)發(fā)展不經(jīng)濟等情況，應統(tǒng)籌規(guī)劃，發(fā)揮政策對產(chǎn)業(yè)薄弱環(huán)節(jié)的支持和引導作用；合理加強對企業(yè)氫能研究的支持，激發(fā)企業(yè)技術創(chuàng)新的主體作用；強化“產(chǎn)學研”協(xié)同攻關，發(fā)揮聯(lián)合優(yōu)勢以促進核心技術突破。
（三）加氫基礎設施布局尚不完善
“加氫焦慮”成為制約燃料電池汽車發(fā)展的重要因素之一。在燃料電池汽車推廣的初期，鑒于運營車輛較少，市場化的公共加氫站難以通過規(guī)模經(jīng)濟效應實現(xiàn)收支平衡，因營利困難致使相關設施建設的積極性不高，2015—2019 年全球投入運營的加氫站數(shù)量增長緩慢（見圖 2）?；A設施不足直接制約了燃料電池汽車推廣應用的規(guī)模。鑒于此，可在政策層面優(yōu)化加氫站建設審批程序和運營監(jiān)管規(guī)定，同時進一步提高加氫基礎設施材料、核心組件和技術（如新型儲氫材料、液氫儲運）的國產(chǎn)化比例，通過技術進步來降低加氫站建設成本。相比乘用車，商用車的運營路線比較固定，在商用車的典型運營路線上建設加氫站，可大幅降低對基礎設施的依賴程度，進而在加氫站密度偏低的情況支持燃料電池車輛的常態(tài)化運營。
圖 2 2015—2019 年全球加氫站數(shù)量
（四）燃料電池車輛購置和使用成本仍然較高
燃料電池成本偏高依然是燃料電池車輛推廣應用的主要制約因素。美國能源部從整車、燃料電池系統(tǒng)、電堆成本等方面對燃料電池車的構成成本進行了分析（見圖 3），相比之下我國燃料電池系統(tǒng)的實際成本與美國還存在差距。雖然我國多個地區(qū)結(jié)合自身產(chǎn)業(yè)實際開展了燃料電池車輛的示范應用，但車輛運營成本與傳統(tǒng)燃油車輛相比不具優(yōu)勢；加氫站建設成本高、運營收支難以平衡等問題比較明顯，全產(chǎn)業(yè)鏈的利潤分配沒有得到有效平衡，各個環(huán)節(jié)的價值沒有得到合理體現(xiàn)。
圖 3 燃料電池汽車成本構成
目前我國的燃料電池商用車已進入產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的初期階段，為加強競爭力以更好參與全球燃料電池產(chǎn)業(yè)和技術市場，應提高燃料電池關鍵材料與核心組件、加氫站核心部件和關鍵技術的國產(chǎn)化率，推動燃料電池汽車制造和加氫站建設成本的大幅降低。在氫資源豐富的地區(qū)率先開展燃料電池汽車的商業(yè)化推廣，有效降低氫氣使用成本；隨后通過技術提升和市場輻射，帶動我國氫能燃料電池產(chǎn)業(yè)的整體技術進步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
五、燃料電池商用車產(chǎn)業(yè)發(fā)展展望
燃料電池商用車因其在燃料加注時間、續(xù)駛里程和耐久性等方面的特性，將與純電動汽車形成長期的互補優(yōu)勢，助力我國從汽車制造業(yè)大國走向強國。在一定的發(fā)展周期內(nèi)，氫能及燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈日益完善，氫能基礎設施的完善度與便利程度逐步提升，氫氣價格和燃料電池系統(tǒng)成本將持續(xù)下降，這些是燃料電池商用車市場競爭力的重要支撐因素。具體而言，我國燃料電池商用車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將呈現(xiàn)以下趨勢。
（1）得益于國家相關政策支持和 2022 年北京冬季奧運會等重大活動的需求牽引，燃料電池商用車產(chǎn)業(yè)將繼續(xù)處于快速發(fā)展態(tài)勢。發(fā)展燃料電池商用車，必將打通燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈、完善氫能基礎設施建設、建立健全行業(yè)標準法規(guī)、降低部件及整車成本。通過技術進步和規(guī)?；e極面對國家補貼隨著產(chǎn)業(yè)發(fā)展而不斷退坡的局面，打牢基礎以更好適應后續(xù)進入的優(yōu)勝劣汰與充分競爭階段，促進產(chǎn)業(yè)化向縱深發(fā)展。
（2）燃料電池商用車在城市公交、物資流通等領域率先應用之后，伴隨著氫能及燃料電池的技術發(fā)展與成本下降，將朝著港口碼頭、特定路線的軌道交通、城際物流、城際客運等領域拓展?？紤]到不同地區(qū)的能源結(jié)構差異性，燃料電池商用車和純電動商用車將進入長期共存、互為補充的市場應用狀態(tài)。
（3）第五代移動通信技術深化應用、車輛智能駕駛技術趨于成熟，賦予了燃料電池商用車與汽車高智能化融合發(fā)展的寶貴機遇，“燃料電池技術 + 智能駕駛技術”將成為產(chǎn)業(yè)應用創(chuàng)新的重點方向。燃料電池技術將促進商用車成本降低，高智能化帶來的舒適駕駛體驗將推動商業(yè)運輸業(yè)的快速發(fā)展，從而為經(jīng)濟社會活動提供更加便捷和環(huán)保的交通出行服務。
