中国氢燃料电池汽车技术发展现状及前景

黄亚娟

摘 要：氢燃料电池汽车是我国新能源汽车产业一条重要的技术路线，由于部分核心技术、成本、产业链、基础设施等诸多问题尚未解决，严重限制了氢燃料电池汽车的发展与推广前景。基于此，以下首先对氢燃料电池技术原理与应用展开阐述，其次研究国内外现状，探讨中国氢燃料电池行业和技术发展趋势，以供参考。

关键词：氢燃料电池汽车技术;发展现状;发展前景

1 前言

氢燃料电池汽车技术由于其清洁无污染、续航里程长、加注时间短等优势，各国都在开展相关技术的研究，我国在氢燃料电池汽车研究方面与国外尚有较大差距。因此，研究氢燃料电池汽车的技术原理、行业现状、发展趋势，对我国氢燃料电池汽车技术发展具有重要意义。

2 氢燃料电池核心技术原理与主要应用

2.1 核心原理

所谓氢燃料电池技术，是指将燃料之中蕴含的化学能由电化学变成电能的一种发电设备[1]。单体电池结构由燃料、氧化剂两种正负电极、电解质构成，其中电解质两侧具有两个隔膜，可以分别起到氢氧化、氢还原两种反应，再由电子经过外负载时形成电力能源。此技术具有热机与电池两方面优点，不仅转换速度快，污染小，无噪音，还能在低温情况下工作。如果仅将氢气作为燃料，通过化学反应得到水，可实现零排放。而且氢气变水主要原理为放热反应，在转换过程中形成蒸汽與热水，除了供应电力能源，还能起到供暖效果。氢燃料电池被认为是未来清洁环保的理想技术，是终极新能源动力解决方案。从理论上讲，燃料电池在转换能量过程中效率几乎可达90%左右，但在实践过程中受多种因素影响，现阶段燃料电池实际能量转换效率基本在50%左右。

常用的燃料电池按其电解质不同，可分为：PEMFC（质子交换膜）、SOFC（固体氧化物）、MCFC（熔融碳酸盐）、AFC（碱性）及PAFC（磷酸）等。其中质子交换膜燃料电池因操作温度低、启动速度快，是一种环保、高效与高功率密度的发电方式，广泛适用于各个领域，包括交通、备电和移动设备领域，特别是在零排放交通动力应用方面具有极其诱人的前景;其他几种燃料电池技术应用领域相对单一，例如：MCFC和PAFC适用于固定式燃料电池电站、家用热电联产;SOFC主要用于固定式和便携式电源;甲醇重整燃料电池（DMFC）多用于移动设备、小型交通工具和小型备用电源设施。质子交换膜燃料电池结构单元主要由膜电极组件和双极板构成，其中膜电极组件是由质子交换膜、催化剂与气体扩散层组合而成，是反应发生的场所;双极板是带流道的金属或石墨薄板。

氢燃料电池系统以电堆为核心发电单元，电堆是氢气和氧气发生电化学反应及产生电能的场所，是燃料电池基本原理得以实现的核心物质载体。鉴于单个燃料电池单元输出功率较小，通常将多个燃料电池单元以串联方式层叠组合、各个单体之间嵌入密封件以构成电堆来提高整体输出功率。除电堆以外，燃料电池发动机系统还需要一系列辅助系统才能实现其功能。燃料电池发动机系统主要由燃料电池发动机、电压变换器（DC/DC）、车载氢系统（车载高压储氢瓶和配套阀件）等构成，其中燃料电池发动机主要包括电堆、发动机控制器、氢气供给系统、空气供给系统、水热管理系统等。相较于传统燃油车或纯电动汽车动力系统，燃料电池发动机系统结构较为复杂。

2.2 主要应用领域

燃料电池最初的应用在航天领域，20世纪60年代，NASA（美国国家航空航天局）将燃料电池应用于双子星航天飞船。20世纪70年代，石油危机引起能源恐慌，氢能作为一种新兴清洁能源开始受到各国政府关注。20世纪90年代，国际知名车企奔驰、福特等纷纷推出燃料电池概念车。进入21世纪，随着燃料电池汽车技术的进一步发展，丰田Mirai，本田Clarity，奔驰F-cell，现代Nexo等燃料电池量产车型先后上市，燃料电池汽车进入落地阶段[2]。

3 氢燃料电池汽车现状分析

在全世界氢燃料电池技术专利排名中，中国位居第五，主要因为中国这方面专利大都是由高校或研究院所申请，企业专利申请数量较低。从技术类型看，中国更加注重PEMFC（质子交换膜）燃料电池类型，从技术内容看，中国更加注重催化剂与电极细节，但总体核心技术专利数量较少。现阶段中国与日本等燃料电池技术领先国家相比技术差距较大，尤其是在燃料电池乘用车技术方面差距明显。中国目前主要还停留在研发过程阶段，在安全、可靠、功率等量产相关性能方面以及部分核心部件、材料产业化方面尚有诸多技术需要攻克[3]。

从国内外燃料电池乘用车性能参数对比情况来看，国内外产品技术差距较大。国外产品技术指标领先且具备一定的商品化能力，当前研发重点在于降低成本、提升性能、提高使用便捷性，国内产品尚处于前期研发阶段。日本、韩国在整车性能方面优势明显，在电堆的功率密度、耐久性、输出功率等指标方面处于领先。

日韩政府及产业界对燃料电池未来期望较高。TOYOTA是当之无愧的领头羊，相关研究起步早，测试验证资源积累多，掌握了大量燃料电池核心技术，当前重点研发方向是小型化、集成化、低成本，并提出下一代燃料电池系统性能提升20-30%，成本减半的目标，其推广的重点是扩大燃料电池在大巴、叉车、卡车、火车、家庭储能等领域应用，通过寻求跨行业合作的商业模式创新，逐步扩大应用领域。现代汽车于2013年在现代蔚山工厂下线第一辆量产版燃料电池车，2018年搭载现代第四代燃料电池的现代Nexo发布，现代氢燃料电池汽车技术整体处于国际先进水平，并计划开放氢燃料电池系统，以扩大商业化规模，加快该技术的应用推广。

由于研发成本高、产业化周期长，国内外主流车企主要采取合作结盟方式分摊成本。现代与奥迪就氢燃料电池电动汽车组件和技术，签订了多年期专利交叉许可协议;本田与戴姆勒、福特联合签署燃料电池车商用化计划基础上，2017年与通用在美国成立合资公司合作生产氢动力燃料电池系统;丰田与宝马签署“共同开发燃料电池系统”协议基础上，2018年，与本田、日产等11家企业合资成立Japan H 2 Mobility（JHyM）的合资公司，合建加氢站。

从国内来看，上汽氢燃料电池汽车研发起步相对较早，通过开展合资合作布局，投资培育了新源动力、广顺、斯林达等核心配套企业，近两年依托大通、申沃在加大燃料电池客车的开发力度。长城计划构建600人氢燃料电池团队，2022年WEY品牌推出首款氢燃料电池量产车型。广汽集团也提出了2020年燃料电池汽车示范运行的目标。除此之外，一汽、东风、北汽等国内其他主机厂也都在开展燃料电池技术的开发。

4 氢燃料电池汽车行业趋势分析

未来世界能源系统将向清洁低碳转型，氢能具备长远发展的前景。中国氢能来源广泛，既有大量的工业副产氢，又有大量的弃风弃光电、低谷电等可供制氢的存量资源，发展利用氢能可有效应对能源环境问题。但由于氢能-燃料电池产业发展的前景受制于燃料电池的技术进步、成本下降、规模增加、氢源供应的丰富化、加氢站数量等因素影响，氢经济的实现相对漫长。发达国家普遍瞄准2030-2040年后实现氢经济;中国将实现氢经济作为中长期目标。2016年10月，中国汽车工程学会发布的《节能与新能源汽车技术路线图》指出，到2020年，燃料电池汽车在公共服务领域的示范应用要达到5000辆规模;到2025年，实现氢燃料电池汽车的推广应用，规模达到5万辆;到2030年，实现氢燃料电池汽车的大规模推广应用，氢燃料电池汽车规模超过一百万辆。《中国制造2025》也提出，“到2025年，燃料电池堆系统可靠性和经济性大幅提高，和传统汽车、电动汽车相比具有一定的市场竞争力，实现批量生产和市场化推广。”

从能源利用效率、系统成本及技术发展趋势分析，氢燃料电池汽车续航里程长、加氢快、兼顾环保，可以成为电动化的有益补充。氢燃料电池汽车更适宜商用车/大型长距离乘用车。氢燃料电池汽车预计将首先在公共领域实现突破，在政策支持下，短中期将以商用车的区域性示范运营为主。当前中国燃料电池汽车发展路径，前期通过商用车发展，规模化降低燃料电池和氢气成本，同时带动加氢站配套设施建设，后续逐步拓展到私人用车领域。

从政策法规趋势来看，氢燃料电池汽车的发展短中期将以政策驱动为主。当前燃料电池技术和产业基础薄弱，预计短中期较难实现市场驱动的突破，仍需依靠政府补贴、双积分引导、科研项目等扶持政策推动。

此外，氢燃料电池汽车的发展具有区域性的特点。从政策导向、集群效应、成本约束等方面看，氢燃料电池汽车的发展将受到区域性氢经济的限制，按照有关部门2016年提出的《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书》来看，2020年中国各地加氢站数量可在100以上，2025年达到1000之上[4]，短中期难以全面铺开。

5 燃料电池汽车技术趋势分析

总体来看，氢燃料电池汽车技术还需大幅提升。国际上正在开展新一轮技术研发，力争突破发电效率、成本、耐久性、环境适应性、储氢等关键技术，而国内在关键材料、关键零部件和整车集成等方面仍有较大差距。

从技术趋势来看，整车方面，将逐步实现全功率、高续航，并不断提升动力性、经济性、耐久性、环境适应性并减低成本;儲氢系统方面，将逐步实现70MPa高压储氢，实现更高的质量储氢率和体积储氢密度;电堆方面，将逐步降低铂载量、提高可靠性和耐久性、提高功率密度和低温启动性能等。

从成本方面来看，氢燃料电池汽车整车成本短中期仍高于电动车。燃料电池系统占整车成本约50%，其中电堆占系统成本的60%，未来通过规模、技术突破、结构优化等降本，预计成本会有一定的降低，但短期内成本低于电动车难度较大，未来成本控制是市场竞争力的关键，通过扩大应用领域（如公共交通、应急发电、家庭储能等），开展联盟合作，实现规模效应和降低研发成本是趋势。

从氢能产业链来看，氢能产业链（制氢、氢气储运和加氢站等）的发展对燃料电池汽车的推广普及至关重要，但我国氢能-燃料电池汽车产业链总体处于起步阶段，尚未形成系统规模。氢能来源广泛，但相关体系尚未形成，仍需统筹规划制氢产业;设备供应链逐渐完善，但加氢站运行经验欠缺，相关法规也有待完善，此外还存在国内部分关键材料技术空白等系列问题需要解决。

6 结束语

综上，未来世界能源系统将向清洁低碳转型，氢能具备长远发展前景，中国将实现氢经济作为中长期发展目标。氢燃料电池汽车技术在技术、成本、产业链、基础设施等方面仍有诸多问题需要突破，由此，企业在制定相关战略时应充分考虑国家、地方政策导向，设立阶段目标分步推进，此外，要重视合作与结盟，通过合作共享资源、降低投入成本，共同推动燃料电池汽车时代的到来。

参考文献：

[1]陈曈，周宇昊，张海珍.氢燃料电池发展现状和趋势[J].节能，2019（6）：158-160.

[2]黄格省，阎捷，师晓玉.新能源制氢技术发展现状及前景分析[J].石化技术与应用，2019，37（5）：289-296.

[3]郭朋彦，聂鑫鑫，张瑞珠.氨燃料电池的研究现状及发展趋势[J].电源技术，2019，43（7）：1233-1236.

[4]许世森，张瑞云，程健.电解制氢与高温燃料电池在电力行业的应用与发展[J].中国电机工程学报，2019，39（9）：2531-2537.