1、前言

當前，全球能源、環境問題日益嚴重，世界各國都在積極尋求應對方案，在汽車領域大力推進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（Fuel Cell Vehicle，FCV）不僅能夠在燃料上實現對燃油的完全替代，而且具有“零排放”、能量轉換效率高、燃料來源多樣並可靈活取自於可再生能源等優勢，因而被認爲是實現未來汽車工業可持續發展的重要方向之一，也是解決全球能源和環境問題的理想方案之一。

目前，燃料電池汽車技術尚不夠成熟，但各國重視程度在不斷提高，呈現出加大力度推進的態勢。

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究。豐田、本田、通用、福特、奔馳、現代等公司都已經開發出燃料電池車型並進行示範運行，進入初步應用階段。

對於中國來說，隨着汽車保有量不斷攀升，來自汽車產業的能源與環境壓力不斷增大：一方面，石油對外依存度逐年上升，已從本世紀初的26%增加至2016年的65%以上，對能源安全構成了嚴峻挑戰，實施能源替代迫在眉睫；另一方面，能源結構中化石能源居於絕對主體地位，環保壓力巨大，優化能源結構同樣刻不容緩。

氫能熱值較高，儲量豐富，來源多樣，應用廣泛，特別是具有極佳的環境友好度，代表着人類能源“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。

從氫能的應用角度看，燃料電池汽車是重點方向之一，如果氫能可以在規模龐大、影響廣泛的汽車產業得到規模化的應用，必將產生深遠影響。

也就是說，發展燃料電池汽車對於改善中國能源結構、推動交通領域低碳轉型以及提升重點產業國際競爭力和科技創新力具有特殊的戰略意義。

正因如此，在《中國製造2025》等綱領性文件中，中國政府對燃料電池汽車及其相關技術提出了明確的發展規劃，重視程度不斷提升。

有鑑於此，本文對燃料電池汽車核心技術、關鍵問題、發展現狀等進行了梳理，特別分析探討了中國燃料電池汽車產業的特點，並提出了現階段有針對性的發展建議。

2、燃料電池汽車技術的應用進展

2.1 燃料電池汽車技術簡介

燃料電池（Fuel Cell，FC）是一種以電化學反應方式將燃料（氫氣）與氧化劑（空氣）的化學能轉變爲電能的能量轉換裝置。19世紀30年代，人們提出了燃料電池的初步構想。

此後，隨着技術的發展，不同級別的燃料電池問世，並逐步由軍用推廣至民用領域，如圖1所示。自20世紀後半段開始，各大汽車廠商紛紛開展了燃料電池汽車的研究，其中尤其以日本最爲領先。

目前全世界已有多種高性能燃料電池汽車產品，初步進入了商業化應用階段。

根據電解質的不同，燃料電池可分爲鹼性燃料電池（Alkaline Fuel Cell，AFC）、質子交換膜燃料電池（Proton ExchangeMembrane Fuel Cell，PEMFC）、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的應用場景各有不同，其中質子交換膜燃料電池具有高比功率、可快速啓動、無腐蝕性、反應溫度低、氧化劑需求低等優勢，是當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發展

燃料電池汽車以車載氫氣爲能量源，經燃料電池將氫氣的化學能量轉化爲電能，再以電機驅動車輛行駛，顯然，這涉及燃料電池汽車本身以及氫能供應兩方面的全新內容。

燃料電池汽車包括車載儲氫系統、燃料電池系統、電驅動系統、整車控制系統和輔助儲能裝置等新元素；氫能供應則包括氫氣從生產、儲存、運輸到加註、使用的全過程。

從整個產業鏈條看，燃料電池汽車的推廣和應用涉及面廣，無論對車輛本身還是對氫的製備、儲運、應用等，都有較高要求。

氫的製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儲存、固態氫化物儲存、低溫液氫儲存等方式；相應地，其運輸方式主要包括車船運輸和管道運輸等；氫的應用層面，加氫站及其他基礎設施的建設是未來發展的重點。

而燃料電池汽車本身，則是機械、化學、材料、電控等諸多領域的交叉學科，如圖2所示。各國正致力於逐步提高性能、降低成本，以加快推廣應用。

圖2 燃料電池汽車產業鏈

2.2 各國燃料電池汽車技術及其產業化

基於燃料電池汽車的良好前景，各國對其的關注程度正在不斷提升。

日本將氫能利用作爲國家戰略方向之一，對氫能及燃料電池相關產業的發展高度重視。

政府、科研機構和企業對燃料電池及燃料電池汽車技術的開發和應用，持續進行了大量投入，豐田汽車公司研製的Mirai、本田汽車公司的Clarity，都是處於國際領先水平的燃料電池轎車產品。

美國對燃料電池及燃料電池汽車技術的發展也較爲重視，早在2005年，即已將氫能列入“主流能源”選擇之一，並陸續發佈了氫能與燃料電池計劃。

美國主要推動了燃料電池汽車在物料運輸等特殊領域的應用，至2015年，已有34家企業8000多輛燃料電池叉車投入運行，取得了較好的商業化推廣，同時道路示範車輛也有一定應用。

歐盟在歐洲工業委員會和歐洲研究社團等組織的推動下，在燃料電池及燃料電池汽車方面開展了大量研究與示範應用，同時，對用於燃料電池和燃料電池汽車的資金投入、燃料電池車隊推廣項目以及加氫站建設等進行了系統的規劃。

表1 全球燃料電池汽車產業發展總覽

總體而言，燃料電池汽車正處在由技術研發向商業化推廣過渡的階段，各國對該技術的重視不斷升溫，投入持續增加。

相比之下，日本政府對燃料電池及燃料電池汽車技術的推動力度更大，技術水平也更高，其先進的燃料電池乘用車車型已經初步實現了商業化，在燃料電池汽車領域走在了世界前列。

3、全球燃料電池汽車發展的共性問題

當前，燃料電池汽車尚未達到大規模推廣應用的階段，其根本問題在於關鍵技術還不夠成熟。

燃料電池汽車是涉及化學、材料、機械、電子等多個領域複雜技術的交叉載體，且所需技術水平較高，並給技術成本帶來了很大的挑戰。

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、系統的集成與控制等，都必須適應汽車運行中頻繁變動的工況。

正是由於關鍵技術尚未取得根本性突破，燃料電池汽車的推廣還面臨着幾個重大瓶頸，這些共性問題制約着全球燃料電池汽車產業的快速發展。

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），遠高於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於燃料電池系統各部件成本較高，尤其是大量應用貴金屬Pt的催化層。

爲了保證電池性能，燃料電池各部件都有其特別要求（見表2），目前雖有各種應對方法，但始終無法避免較高的成本增量。因此，高性能、高可靠性、低成本的燃料電池組件，已成爲燃料電池技術發展的重要方向。

表2 燃料電池各部件要求及應對技術

美國能源部（Department of Energy，DOE）對燃料電池汽車的成本問題進行了系統分析，對整車、電堆、電池層層分解，得出了各部分成本的具體比例，如圖3所示。

根據DOE的研究，目前燃料電池系統成本已從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，假定達到50萬臺規模），未來通過技術進步和更大批量生產，還有望進一步降低成本，實現每千瓦30美元（約合200元人民幣）的長期目標。

中國燃料電池系統的實際成本目前約爲每千瓦5000元人民幣，差距明顯，不過中國也制定了2030年達到每千瓦200元人民幣的目標，則與美國DOE的預估接近。

（a）整車成本構成

（b）電堆成本構成

（c）電池成本構成

圖3 燃料電池汽車成本構成

另據美國橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory）估計，在形成20 000輛規模的前提下，燃料電池汽車的整車成本有望達到約48 000美元（約合315 000元人民幣），其中燃料電池系統約佔一半，即24 000美元（約合157 000元人民幣）左右。

而如果考慮儲氫系統、輔助電池等，整個燃料電池動力總成的成本高達36200美元（約合237 000元人民幣），佔總成本的75%以上。

從目前的情況來看，儘管有所改善，但燃料電池動力系統的高昂成本，仍然使其與其他動力形式相比處於明顯的競爭劣勢，這是燃料電池汽車大規模推廣的最大瓶頸。

3.2 耐久性

車用燃料電池的耐久性是制約其商業化的主要技術挑戰之一，對於乘用車而言，目前普遍認可的指標是在性能衰減10%的水平下運行5000h。

近年來，世界各大汽車廠商積極致力於燃料電池技術研究，使電池耐久性有了較大提升，但距理想的商業化目標仍有一定差距。

DOE的研究報告指出，自2006年以來，美國燃料電池乘用車平均耐久性已由1 000 h逐步提升至約2 500 h，同時，單車最佳耐久性紀錄提升更快，2015年有車輛達到5 605 h的連續運行紀錄。

在商用車方面，近期的耐久性目標爲18 000 h。美國UTC公司示範的大型客車是長壽命燃料電池系統的典型案例，在2010年該示範性商用車已連續運行7000 h,到2015年已在實際路況條件下運行19 000 h。

目前，中國燃料電池轎車壽命不足2 000 h，客車的壽命約爲3 000 h，明顯低於國外先進水平。總體來看，車用燃料電池耐久性正不斷提升，逐步接近商業化目標。

提高耐久性的關鍵技術在於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，通過對動力系統與控制策略的優化，避開不利條件或減少不利條件的存在時間，以達到延緩衰減的目的；

另一方面，繼續發展新材料技術，包括用於催化劑及載體、聚合物膜、雙極板等的關鍵材料，以滿足苛刻的車用工況，提升耐久性。具體來講，提高耐久性的重點技術包括：電極材料的催化劑活性研究、交換膜的傳導能力提升；電堆的水、熱、汽控制；燃料電池系統的構型設計與優化、穩定工況控制、啓停機策略、動力電池匹配等。在這些方面，中國都存在一定差距。

3.3 基礎設施

完善的基礎設施同樣是燃料電池汽車大範圍推廣的前提。有資料顯示，一座加氫站的投入大約爲2 000萬元，大大高於加油站的建設成本，其中約60%的成本用於站點維持。

因此，現階段加氫站的建設和運營必須依靠政府的財政補貼。加氫站氫源方面，包括水電解制氫、質子交換膜水解制氫、天然氣現場重整、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範應用需要，如要實現真正規模化的商業推廣，還需更進一步的投入和建設。

因此，燃料電池汽車的快速發展有賴於氫能基礎設施的超前部署，當前各國政府紛紛制定了各自的加氫站建設規劃，正在逐步加大對基礎設施的投入。

3.4 氫能產業鏈的系統規劃

爲實現燃料電池汽車的大規模推廣，除了加氫環節外，還必須有“制氫-運氫-儲氫-用氫”全產業鏈的完善配套設施。

同時，需要對氫能產業鏈的每個環節都進行深入研究和分析，站在全生命週期的角度評價和控制氫能利用的整體效益，例如採取碳排放較高的制氫和運氫方式，可能導致氫能利用在整體上並不節能環保。

目前針對各種制氫方法、運輸方式等都有一些研究工作，但從“制氫-運氫-儲氫-用氫”全過程視角出發，研究全局性的設計與規劃尚不多見。此外，當前雖有較成熟的制氫技術，如甲醇裂解制氫、煤氣化制氫、水電解制氫等方式，但大都是針對工業用氫。

針對未來車載氫能的大規模製備、儲運和使用，還需進一步研究：氫的儲運就有多種技術路線可以選取，包括高壓氫瓶儲存、金屬氫化物儲存和車船運輸、管道運輸等，最適合車用的氫能儲運方式尚不明確；未來還需要考慮制氫的低成本化、低污染化、低能耗化，開發可再生能源制氫技術、探索如何降低電解水的能耗與成本可能成爲未來的重要方向。

總之，燃料電池汽車的推廣，實際上是氫能在汽車產業大規模應用的問題，唯有對整個氫能產業鏈和汽車產業鏈進行綜合評估和系統規劃，方能在實現推廣目標的同時真正滿足社會的多元需求。

4、中國燃料電池汽車發展現狀及差距分析

4.1 中國燃料電池汽車產業的發展現狀

在國家“863”計劃“十五”電動車重大科技專項、“十一五”節能與新能源汽車重大項目、“十二五”及“十三五”電動車關鍵技術與系統集成等重大項目的支持下，通過產學研聯合研發團隊的攻關，中國燃料電池汽車技術取得了一定的進展，初步掌握了燃料電池電堆和關鍵材料、動力系統與核心部件、整車集成和氫能基礎設施等核心技術，基本建立了具有自主知識產權的燃料電池轎車及城市客車動力系統技術平臺，也初步形成了燃料電池發動機、動力電池、DC/DC變換器、驅動電機、儲氫系統等關鍵零部件的配套研發體系，並具備了百輛級燃料電池汽車及其動力系統的生產能力。

當前，中國已有3款燃料電池客車、5款燃料電池轎車樣車推出，並先後在北京奧運會、上海世博會、全球環境基金與聯合國發展計劃署（GEF/UNDP）共同支持的燃料電池城市客車商業化示範活動、新加坡青奧會等開展了示範運行。

基礎設施方面，中國建有加氫站6座，分別位於北京、上海、鄭州等地。制氫方面，中國主要採用煤氣化制氫，小規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。

總體而言，中國燃料電池汽車產業尚處於起步階段，僅有少量企業進行了開發示範樣車的嘗試，但後續量產計劃並未跟進，沒有形成前後接續、有序推進的態勢。

4.2 中國燃料電池汽車產業的主要差距與自身特點

經過多年的發展，與國際先進水平相比，中國燃料電池汽車在整車總體佈置、動力性、氫氣消耗量等基本性能方面已經差距不大，在動力系統的集成和控制方面也有明顯進步，但在關鍵材料及工藝、關鍵零部件、整車集成以及耐久性等方面，仍有明顯差距，如表3所示。

總體上，核心組件如質子交換膜、催化劑、碳紙、碳布、膜電極、雙極板等，中國雖進行了基礎研發及小規模量產，但其性能、成本與國外先進水平相比均有不足。

國外已可實現關鍵零部件的大規模生產，中國多處在試生產、小規模生產階段。集成技術的差距，使中國燃料電池發動機功率明顯低於國際水平，例如，中國典型燃料電池轎車的電池功率約爲35~50 kW，而國際先進水平可達90~100 kW。

表3 國內外燃料電池汽車技術差距

與此同時，中國燃料電池汽車產業有其自身特點，切實把握這些“獨特”屬性，纔能有效地梳理出最適宜的發展策略。

第一，發展起步晚，地域性強。

中國於20世紀90年代開始關注燃料電池技術，至2000年左右纔開展燃料電池汽車方面的研究，與世界先進國家相比，技術積累相對薄弱。同時，中國的燃料電池相關產業集中在東南沿海地區，如在如皋、佛山等城市發展相對迅速，內陸地區則相對遲緩，呈現出地域性明顯的特徵。

第二，產業鏈條不夠完整。

由於尚處在基礎研發和初步應用階段，燃料電池先進技術更多由研究機構和高等院校掌握，而這些單位往往不具備氫能產業化應用的條件和能力，特別是在汽車這樣複雜且涉及面廣的產品上。

相比之下，中國燃料電池企業以及整車企業的競爭力普遍較弱，從基礎研發到推廣應用的產業鏈尚未完全打通。

第三，商用車發展相對較快。

相較於燃料電池乘用車，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行了多年開發，研製了多代樣車，並進行了示範應用，具備了一定的技術基礎。

第四，政府更爲關注純電動車的發展。

目前純電動車是中國新能源汽車的主要戰略方向，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並未獲得區別於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展，首先需要政府給出清晰的定位和明確的方向。

總之，除全球燃料電池汽車產業面臨的共性瓶頸外，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差距，並有效結合自身特點，這在客觀上增加了燃料電池汽車產業在中國發展的困難和變數。

但從推行能源多元化、降低風險的角度出發，同時考慮到氫能作爲未來主要能源候選對象的戰略地位，中國不宜忽視燃料電池及其在汽車領域應用的技術研發與產業化推進，必須採取適宜措施，有針對性、有計劃地予以重點實施。