我国氢燃料电池汽车发展前景探究

马丽 孙鹏 张秋

吉利学院 四川成都 641402

1 前言

当前汽车工业己经成为世界各国国民经济的重要组成部分，采取清洁能源燃料的问题成为当务之急。一方面，由于目前大部分汽车采用柴油、汽油等石油衍生燃料作为动力来源，汽车的大规模发展导致了化石燃料的需求增加，石化能源出现告急；另一方面，化石燃料的燃烧对环境造成破坏，雾霾现象、温室效应等环境问题都与汽车尾气排放直接相关，世界各国正计划全面禁止销售传统燃油汽车。

因此，深入研究和探索今后汽车行业的发展方向，以及发展的同时如何降低对环境的破坏，值得我们深入探讨和研究。

2 氢燃料电池汽车的优劣势

新型燃料资源的研发对汽车行业的转型发展尤为关键。以氢气为能源燃料的氢燃料电池汽车（Fuel Cell Electric Vehicle，简写FCEV）是一种新兴的清洁能源汽车，其工作原理是氢气和氧气通过电化学反应产生电能，输出的电能通过电机高效转换为机械能驱动汽车行驶，其优点是使用过程中是零尾气排放且产物只有水，环保性能佳且氢燃料利用效率高。

相比传统燃油汽车，氢燃料电池汽车具有排放物无污染的优势；相比电动汽车，氢燃料电池汽车具有更长的续航里程以及更短的充能时间等优势[1]。它的缺点是氢气不像氮气和氧气是空气中的最主要组成：首先，氢气可以通过电解水，但这个方法不太经济，能量损失极大；其次，在氢燃料电池发电的过程中会用贵金属铂作为催化剂，大规模生产氢燃料电池的成本极高；此外，储氢和运输过程中存在安全隐患。

3 国外氢燃料电池汽车发展现状

目前国外氢燃料电池汽车比较发达的国家和区域主要集中在欧美、日韩等国家和地区，他们投入了大量资金进行研发，已经在关键技术上取得了一系列重大突破[2,3]，并在意识层面、技术层面以及上下游产业链和整体配套设施等方面较为领先。日本丰田Mirai、韩国现代NEXO是目前燃料电池乘用车的主流车型，燃料电池技术、储氢技术随着车型的更新均有提升。德国奔驰戴姆勒、日本丰田、加拿大New Flyer、美国Van Hool等生产的氢燃料客车都已上路。宝马、本田、起亚、雷克萨斯等汽车生产商都积极参与到氢燃料电池汽车的研发中。世界主要国家与地区相继更新并出台了氢能源发展战略规划，预计到2030年各国燃料电池乘用车的保有量有明显增长，燃料电池乘用车将在新能源汽车市场占据可观份额。

2020年9月16日，戴姆勒卡车发布了其车型电动化的技术战略，关注应用在长途运输领域的氢燃料电池卡车技术，梅赛德斯-奔驰GenH2概念卡车的全球首发，标志着燃料电池驱动技术发展进入新阶段。德国车企宝马也积极投资燃料电池汽车及其相关技术，从丰田借用氢燃料技术来生产低容量燃料电池版X5 SUV，并将于2022年投产。

目前，美国拥有世界上超过一半的燃料电池汽车，超过25 000辆燃料电池运输车辆。截至2019年，其燃料电池乘用车和燃料电池叉车保有量都居世界第一。美国南加州Hyperion公司于2020年8月12日发布了一款使用氢燃料的超级跑车Hyperion XP-1，将于2022年在美国限量生产300辆，其续航里程为1 609 km，加氢时间仅需5 min，可在2.2 s内达到96.56 km/h的速度，极端温度也不会影响到XP-1的氢储存系统。这款超级跑车是200多名研究员和科学家近10年来对氢技术的研究、开发和测试的巅峰之作，旨在引领汽车技术的新前沿。通用汽车旗下的雪佛兰Equinox氢燃料电池汽车采用通用汽车第四代燃料电池系统，储氢罐可承受约700 bar的压力，最大可存储4.2 kg的氢燃料，最大行驶里程约为240 km，它表明通用公司在汽车燃料电池技术研发上取得的进展具有里程碑意义。

韩国政府制定了氢燃料电池汽车产业发展战略并出台了相关的支持政策，依托现代汽车等企业，初步建立了氢燃料电池汽车产业体系。2019年11月20日，现代商用车氢燃料重卡在法国里昂举办的交通运输展览会上（Solutrans），荣获了2020年度卡车（IToY, International Truck of the Year）创新奖（Truck Innovation Award）。现代商用车计划向瑞士提供的氢燃料电池重卡中，并列搭载了两个190 kW级新型氢燃料电池系统和7个大型氢气罐，一次可充35 kg的氢气，行驶里程可达400 km。未来，现代商用车计划以瑞士市场为基础，在德国、荷兰、奥地利、挪威等欧洲市场寻求合作伙伴，开拓欧洲环保商用车市场。

4 我国燃料电池汽车发展现状

作为最大的潜在氢燃料电池汽车消费市场之一，我国已掌握部分氢能基础设施与一批燃料电池相关技术，具备一定的产业装备及燃料电池整车的生产能力[4]。氢燃料电池是燃料电池汽车的主要动力源，它将氢燃料化学能转化为电能的发电装置，能量转化率高达90%。在电池功率上，燃料电池发动机功率密度较早期有大幅提升，已达到传统内燃机的水平。目前国外燃料电池乘用车发动机的输出功率在80～100 kW，本田Clarity的燃料电池发动机功率可达130 kW，国内典型燃料电池轿车的电池功率为35～50 kW。在电池寿命方面，燃料电池寿命已能满足商用要求。在使用环境方面，车用燃料电池能够适应-30的气候条件，达到传统汽车的水平。

目前，我国的燃料电池汽车商业运营主要集中在公交和物流领域，与现阶段燃料电池汽车在中重载、高强度方面的定位相符，代表企业有福田、宇通、上汽、飞驰、长城等。

公交领域，与地方政府推动应用为主。物流配送领域，以新成立的燃料电池汽车运营服务商推动为主，租赁给京东、申通、盒马、宜家等物流公司。福田汽车已开启商业化运营，且成绩显著。现有产品覆盖8～12 m城市/城间客车，面向2022年冬奥会，续驶里程超过450 km的第四代氢燃料电池客车2020年底可实现量产，燃料电池重卡也正在研究过程中。截至目前，北汽福田已累计销售氢燃料电池客车达190辆，累计运行里程超过300万km，25辆氢燃料电池物流车已经量产上市。福田汽车与丰田、亿华通合作发展氢燃料电池客车，形成了较为完善的氢燃料电池车产品布局，大规模示范运营的重要机遇在冬奥会。

中国重汽的产品布局重点在载货车，主要指向港口、环卫等专用领域，应进一步拓展长途车型。目前东风汽车的燃料电池商用车产品主要由东风特汽推出的搭载“甲醇重整氢燃料电池系统”。该系统是通过甲醇和水的混合液的重整化学反应供应氢气，有别于传统的高压罐储氢方式，氢气再进入燃料电池电堆发电，做到氢气的“即产即用”，效率高且成本低。

东风汽车在新能源技术研发方面，秉承的是商乘协同、多元路线覆盖，新一代燃料电池的动力系统正在加速开发。在产品的布局方面，也是商乘并举，不断丰富和完善新能源乘用车、新能源商用车等产品。结合东风整体的新能源布局，燃料电池车也将会得到进一步投入，但是与部分企业相比，步伐仍需提速。

2018年，庆铃汽车与博世宣布在燃料电池领域进行合作，共同推进燃料电池技术在商用车领域的应用。它于2019年亮相上海车展，最高时速为100 km/h，续航里程能达到500 km，加氢时间不到3 min，适用城市内、城郊运输为主的中短途物流。庆铃汽车的战略已经落地，氢能源车的布局已开启，是少有的发布氢能发展战略的商用车企业。

宇通自2009年开始研发燃料电池客车，是行业内最早研发燃料电池客车的企业之一。已突破燃料电池电——电混合等多项核心技术，完成了三代燃料电池客车开发。采用60 kW燃料电池系统和动力电池的混合动力系统方案，续航里程达500 km，于2017年12月进入工信部第302批《道路机动车辆生产企业及产品公告》，开始走入市场。2018年8月开启商业化运营，2辆宇通12 m燃料电池公交车F12在河南郑州公交正式投运；加氢时间为10 min，续驶里程超过500 km。

2019年5月29日，吉利新能源商用车集团（吉利控股集团子旗下公司）在北京发布一款氢燃料电池客车F12，意味着吉利汽车集团的“蓝色行动”计划中又加入了一位成员，吉利汽车集团在氢燃料电池领域也开始了战略布局，目前吉利汽车集团已经在新能源汽车的电动汽车、混合动力汽车、氢燃料汽车领域中全面布局。尤其是在商用车领域，吉利新能源商用车集团依托吉利远程汽车技术研究院的工程师及国家级的试验验证中心，开发出来的F12客车在续航里程的研发上，采用氢燃料电堆技术，通过了三高测试，证明了F12客车的环境适应性，百公里燃料消耗仅为7.5 kg氢气。吉利远程汽车技术研究院同时团队在乘用车的基础上拓展商用车的业务，使应用在F12氢燃料客车上的高功率燃料电池系统、燃料供给和水热管理等方面的关键技术共享转化到乘用车领域，并融合全球的商用车研发资源，开发符合中国道路动态工况的燃料电池乘用车。

5 国内燃料电池技术的发展方向

与发达国家相比，我国在燃料电池技术研发、基础设施建设等方面仍有一定差距，核心技术和关键零部件仍受制于国外领军企业[5]。

一些世界知名车企将其研发的燃料电池汽车引入我国市场，如日本丰田就打算将其生产的镍氢燃料电池汽车打入我国市场，德国大众及宝马和美国福特等汽车企业则采取与我国车企合资的方式打开我国的市场大门。因此，为促进以氢燃料电池汽车快速发展，亟需加强我国的氢燃料电池汽车核心技术研发能力，制定出合理、科学的发展战略，通过自主创新提升产业竞争力，争取在未来氢燃料电池汽车的竞争中掌握主动权。

目前，氢燃料电池汽车企业的布局分散，缺少区域产业协同总体规划，企业间无法有效合作，各环节的研发趋于封闭，资源无法共享。基于中国2016年发布的《节能与新能源汽车技术路线图》，以商用车为核心的氢燃料电池汽车（FCEV）市场正加速度发展扩大。

2020年6月5日，中国一汽、广汽集团、东风、北京亿华通、北汽集团、丰田汽车六家企业举行发布会并计划成立“联合燃料电池系统研发(北京)有限公司”，其主要业务是在中国开展商用车燃料电池系统的研发，通过协商共同规划产品，一条龙式地开展满足中国市场需求的技术研发工作。这将加快氢燃料电池汽车在中国商用车市场的普及，开发出具备成本更低、竞争力更强的燃料电池系统及其主要组件。

此外，各高校科研创新团队及科研院所也在进行燃料电池汽车方面的创新性研究与测试，但是这些成果还仅停留在实验室阶段。因此，鼓励企业、高校和科研院所共同合作建立开放式的重点实验室和技术创新中心等机构，建立“产-学-研”一体的自主创新体系，这将有助于推动中国燃料电池汽车产业的发展。