1、前言

当前，全球能源、环境问题日益严重，世界各国都在积极寻求应对方案，在汽车领域大力推进新能源汽车的目的也正是如此。

新能源汽车有不同的类型，其中，燃料电池汽车（Fuel Cell Vehicle，FCV）不仅能够在燃料上实现对燃油的完全替代，而且具有“零排放”、能量转换效率高、燃料来源多样并可灵活取自于可再生能源等优势，因而被认为是实现未来汽车工业可持续发展的重要方向之一，也是解决全球能源和环境问题的理想方案之一。

目前，燃料电池汽车技术尚不够成熟，但各国重视程度在不断提高，呈现出加大力度推进的态势。

美国、欧盟和韩国等都投入了大量资金和人力开展燃料电池汽车的研究。丰田、本田、通用、福特、奔驰、现代等公司都已经开发出燃料电池车型并进行示范运行，进入初步应用阶段。

对于中国来说，随着汽车保有量不断攀升，来自汽车产业的能源与环境压力不断增大：一方面，石油对外依存度逐年上升，已从本世纪初的26%增加至2016年的65%以上，对能源安全构成了严峻挑战，实施能源替代迫在眉睫；另一方面，能源结构中化石能源居于绝对主体地位，环保压力巨大，优化能源结构同样刻不容缓。

氢能热值较高，储量丰富，来源多样，应用广泛，特别是具有极佳的环境友好度，代表着人类能源“脱碳入氢”、彻底避免碳排放的可能前景，是理想的长期替代能源候选对象之一。

从氢能的应用角度看，燃料电池汽车是重点方向之一，如果氢能可以在规模庞大、影响广泛的汽车产业得到规模化的应用，必将产生深远影响。

也就是说，发展燃料电池汽车对于改善中国能源结构、推动交通领域低碳转型以及提升重点产业国际竞争力和科技创新力具有特殊的战略意义。

正因如此，在《中国制造2025》等纲领性文件中，中国政府对燃料电池汽车及其相关技术提出了明确的发展规划，重视程度不断提升。

有鉴于此，本文对燃料电池汽车核心技术、关键问题、发展现状等进行了梳理，特别分析探讨了中国燃料电池汽车产业的特点，并提出了现阶段有针对性的发展建议。

2、燃料电池汽车技术的应用进展

2.1 燃料电池汽车技术简介

燃料电池（Fuel Cell，FC）是一种以电化学反应方式将燃料（氢气）与氧化剂（空气）的化学能转变为电能的能量转换装置。19世纪30年代，人们提出了燃料电池的初步构想。

此后，随着技术的发展，不同级别的燃料电池问世，并逐步由军用推广至民用领域，如图1所示。自20世纪后半段开始，各大汽车厂商纷纷开展了燃料电池汽车的研究，其中尤其以日本最为领先。

目前全世界已有多种高性能燃料电池汽车产品，初步进入了商业化应用阶段。

根据电解质的不同，燃料电池可分为碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell，AFC）、质子交换膜燃料电池（Proton ExchangeMembrane Fuel Cell，PEMFC）、磷酸燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（Molten Carbonate FuelCell，MCFC）、固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）等多种类型，其使用的燃料和适应的应用场景各有不同，其中质子交换膜燃料电池具有高比功率、可快速启动、无腐蚀性、反应温度低、氧化剂需求低等优势，是当前燃料电池汽车的首选。

图1 燃料电池及燃料电池汽车技术发展

燃料电池汽车以车载氢气为能量源，经燃料电池将氢气的化学能量转化为电能，再以电机驱动车辆行驶，显然，这涉及燃料电池汽车本身以及氢能供应两方面的全新内容。

燃料电池汽车包括车载储氢系统、燃料电池系统、电驱动系统、整车控制系统和辅助储能装置等新元素；氢能供应则包括氢气从生产、储存、运输到加注、使用的全过程。

从整个产业链条看，燃料电池汽车的推广和应用涉及面广，无论对车辆本身还是对氢的制备、储运、应用等，都有较高要求。

氢的制备主要包括煤气化制氢、水电解制氢、天然气重整气制氢、甲醇裂解制氢等工艺；氢的存储主要包括高压气态储存、固态氢化物储存、低温液氢储存等方式；相应地，其运输方式主要包括车船运输和管道运输等；氢的应用层面，加氢站及其他基础设施的建设是未来发展的重点。

而燃料电池汽车本身，则是机械、化学、材料、电控等诸多领域的交叉学科，如图2所示。各国正致力于逐步提高性能、降低成本，以加快推广应用。

图2 燃料电池汽车产业链

2.2 各国燃料电池汽车技术及其产业化

基于燃料电池汽车的良好前景，各国对其的关注程度正在不断提升。

日本将氢能利用作为国家战略方向之一，对氢能及燃料电池相关产业的发展高度重视。

政府、科研机构和企业对燃料电池及燃料电池汽车技术的开发和应用，持续进行了大量投入，丰田汽车公司研制的Mirai、本田汽车公司的Clarity，都是处于国际领先水平的燃料电池轿车产品。

美国对燃料电池及燃料电池汽车技术的发展也较为重视，早在2005年，即已将氢能列入“主流能源”选择之一，并陆续发布了氢能与燃料电池计划。

美国主要推动了燃料电池汽车在物料运输等特殊领域的应用，至2015年，已有34家企业8000多辆燃料电池叉车投入运行，取得了较好的商业化推广，同时道路示范车辆也有一定应用。

欧盟在欧洲工业委员会和欧洲研究社团等组织的推动下，在燃料电池及燃料电池汽车方面开展了大量研究与示范应用，同时，对用于燃料电池和燃料电池汽车的资金投入、燃料电池车队推广项目以及加氢站建设等进行了系统的规划。

表1 全球燃料电池汽车产业发展总览

总体而言，燃料电池汽车正处在由技术研发向商业化推广过渡的阶段，各国对该技术的重视不断升温，投入持续增加。

相比之下，日本政府对燃料电池及燃料电池汽车技术的推动力度更大，技术水平也更高，其先进的燃料电池乘用车车型已经初步实现了商业化，在燃料电池汽车领域走在了世界前列。

3、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。

3.1 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。

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。

表2 燃料电池各部件要求及应对技术

美国能源部（Department of Energy，DOE）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。

（a）整车成本构成

（b）电堆成本构成

（c）电池成本构成

图3 燃料电池汽车成本构成

另据美国橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）估计，在形成20 000辆规模的前提下，燃料电池汽车的整车成本有望达到约48 000美元（约合315 000元人民币），其中燃料电池系统约占一半，即24 000美元（约合157 000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237 000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。

3.2 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1 000 h逐步提升至约2 500 h，同时，单车最佳耐久性纪录提升更快，2015年有车辆达到5 605 h的连续运行纪录。

在商用车方面，近期的耐久性目标为18 000 h。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7000 h,到2015年已在实际路况条件下运行19 000 h。

目前，中国燃料电池轿车寿命不足2 000 h，客车的寿命约为3 000 h，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。

3.3 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2 000万元，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。

3.4 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。

4、中国燃料电池汽车发展现状及差距分析

4.1 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。

4.2 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。

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35~50 kW，而国际先进水平可达90~100 kW。

表3 国内外燃料电池汽车技术差距

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。