燃料电池汽车国内外发展现状及对策建议

　　王薛超1，金茂菁2

　　(1.中国汽车技术研究中心;2.科技部高技术研究发展中心)

　　燃料电池汽车具有零排放、效率高、能源可再生等优势，市场前景广阔，成为当今全球汽车行业的研发热点。本文在对燃料电池汽车国内外发展现状进行梳理分析的基础上，提出了我国燃料电池汽车进一步发展的对策和建议。

　　一、关于燃料电池汽车

　　燃料电池汽车是指用车载燃料电池装置产生的电力作为动力的汽车。目前，国内外汽车企业研究的主要是以氢气为燃料的燃料电池汽车，其工作原理是：在车载燃料电池中，利用电解水的逆反应，使氢气与空气中的氧气结合，产生驱动汽车所需的电能，依靠电机驱动汽车。

　　目前，车用燃料电池普遍为质子交换膜燃料电池，其单体结构及工作原理，其由两个电极和中间的电解质组成，电子通过外部电路传递至阴极，氢离子在催化剂的作用下和氧气反应生成水。在此反应过程中，电池的理论单体电压可达1.2V，形成了对外供电的电源。为了满足一定的输出功率和输出电压需求，通常将燃料电池单体按照串联的方式组合在一起构成燃料电池堆。

　　燃料电池堆和相应的辅助设备组合，便形成燃料电池系统。这样的燃料电池系统用作车辆动力源，就是燃料电池发动机。

　　以氢气为燃料的燃料电池化学反应过程不会产生有害产物，只会排出水。因此，从环保和节能方面看，燃料电池汽车可以说是汽车发展非常理想的阶段。同时，燃料电池汽车还具备轻量化、续航力长、充能时间短的优势，被认为具有广阔的市场前景，成为当今全球汽车行业的研发热点。

　　二、世界燃料电池汽车发展情况

　　燃料电池汽车的研发始于20世纪90年代的欧美，在21世纪初以福特、通用等为代表纷纷推出了大量的原型样车，进行了小规模的示范应用，验证了燃料电池技术应用于汽车领域的可行性。虽然当时的电堆寿命不足2000小时，电堆功率密度仅能达到1kW/L，然而坚定了汽车行业对燃料电池在本领域应用的信心，同时掀起了燃料电池汽车的研发热潮。

　　在经历了21世纪初的热潮后，燃料电池汽车在2008年达到了一个瓶颈期，并逐渐回归理性。具备代表性的研究成果是日本本田公司FCX Clarity燃料电池汽车，该车续驶里程已达到390公里，冷启动极限温度﹣30℃，电堆体积功率密度1.9kW/L，重量功率密度1.5kW/kg，基本已经达到了与内燃机相当的水平。然而由于耐久性和成本方面与商业化目标的巨大差距，汽车行业修改了实现燃料电池商业化的目标，在2008年，汽车行业内形成的基本共识为：2010年以前为技术积累阶段，重点发展相关技术、降低系统成本;2010至2015年为市场化准备阶段，重点以市场化为目标进行技术优化;2015年进入市场化阶段。

　　随着各国支持政策的变化，燃料电池乘用车技术研发的热点区域由欧美转移到日韩，而欧美则更专注燃料电池客车和燃料电池叉车等领域。自2014年开始，燃料电池汽车的研发取得了突破性进展，日韩以丰田的Mirai和现代的“途胜”SUV为代表，欧美则以PlugPower公司在叉车领域的应用以及UTC公司在客车领域的应用为代表。

　　丰田的燃料电池汽车经过22年的研发与试运行，其Mirai车型于2014年12月开始销售。该车型采用的燃料电池电堆在体积、重量和成本方面均取得了显著的进步，氢燃料电池动力系统基本达到了和传统内燃机动力系统相当的技术水平。该车型续驶里程可达502km，驱动电机输出功率113kW，百公里加速时间10s，最高时速175km/h，采用70Mpa高压储氢，储氢效率可达5.7%;燃料电池电堆输出功率114kW、电堆功率密度达到3.1kW/L，发售一个月就获得1500辆的订单，至2018年5月共销售超过6000台。据丰田公司估计，至2020年该公司每年的燃料电池汽车将达到3万辆的规模。与此同时，丰田公司也在积极布局燃料电池客车、叉车等应用领域的车型开发。为了促进全球燃料电池汽车技术的同步发展，丰田公司对全球免费释放了5680项专利在2020年前的使用权，其中包括约70项永久免费的加氢站专利。

　　本田公司的燃料电池汽车经过了20年的研发，于2016年开始销售其新一代的Clarity车型。该车的驱动功率可达103kW，最高车速160km/h，续驶里程589km。电堆的输出功率为100kW，体积功率密度为3.1kW/L，氢燃料加注时间约3分钟。

　　现代汽车公司于2013年3月生产下线17辆“途胜”ix35燃料电池汽车，并于2015年制定了超过每年1000辆规模的量产计划。美国通用汽车公司的燃料电池乘用车也进行了长期持续的示范运行，单车累计行驶里程已达到了15万公里。

　　现阶段，丰田和宝马、福特和尼桑-雷诺与戴姆勒、通用和本田纷纷组成燃料电池产业化合作联盟，共同攻关燃料电池汽车产业化技术，其它知名汽车厂商也都公布了燃料电池汽车的量产计划。

　　在公交客车领域，美国UTC公司PureMotion燃料电池系统经历了超过18000小时的试运行，体现了良好的耐久性，充分验证了燃料电池技术在公交客车领域应用的可行性。此外，在过去10年内，欧洲燃料电池客车示范运行里程超过800万公里，目前有84辆燃料电池客车在8个欧洲国家的17个城市运行，并计划在2020年实现在12个国家35个城市示范运行300～400辆。

　　在燃料电池叉车领域，以PlugPower公司和Nuvera公司为代表，目前已有7700辆燃料电池叉车进入了市场化运营阶段，形成了较强的竞争力。

　　三、我国燃料电池汽车发展对策建议

　　虽然我国燃料电池汽车研发与世界各发达国家起步时间接近，但由于投入不足，导致科研成果在向产业转移过程中，面临着缺乏骨干企业牵引、工程化与产业化支撑能力缺乏、产业链不完善等难题，严重阻碍了我国燃料电池汽车产业的商业化进程。

　　(一)政府引导、龙头企业牵头，迅速占领产业发展战略制高点

　　政府引导、龙头企业牵头，整合国内外优势资源，全产业链协同攻关，是推动燃料电池汽车共性技术突破和工程化落地的有效途径。燃料电池电堆结构简单，零部件数量少，适合批量化生产制造，燃料电池系统的量产成本预期约为$30/kW，与内燃机、混合动力、纯电动等技术路线相比，在未来市场竞争中具备优势。目前国内新能源汽车补贴政策对燃料电池汽车的补贴力度最高可达50万元，有望覆盖燃料电池系统的成本，短期内对推动燃料电池汽车的生产和销售具有重要的现实意义。

　　国内外一致认为，2020年将是燃料电池汽车产业竞争的分水岭，2025—2030年则是燃料电池汽车产业的全面爆发期。目前燃料电池汽车产业的竞争焦点主要是产业化速度，尽快解决可靠性和耐久性等技术瓶颈，率先实现大规模生产，充分利用国内燃料电池汽车财政补贴政策，已经成为抢占市场先机的关键。

　　(二)大力发展燃料电池商用车，带动产业链发展

　　我国商用车总量占汽车保有量的13%，但是其客运量占所有客运总量的81%，货运量占货运总量的77%;同时由于单车能耗高、污染大，消耗燃油约占机动车总量的60%，排放颗粒物约占90%，氮氧化合物约占70%，成为推进生态文明建设、改善发展质量亟待解决的问题。

　　燃料电池商用车具备零排放、效率高、能源可再生等优势，是解决商用车污染问题的重要途径之一，而且公交客车等使用工况环境相对集中，加氢基础设施建设问题解决较为容易，所以燃料电池商用车市场前景广阔，其规模化推广可以带动燃料电池技术进步和产业链快速发展。

　　综上，燃料电池汽车已进入了产业化发展初期阶段，国外各大整车企业纷纷建立产业联盟，公布了燃料电池汽车量产计划，未来数年是燃料电池汽车产业由技术研发转向产业化竞争的关键窗口期。我国汽车行业要尽快加强技术研发和应用推广，解决燃料电池汽车投入不足、工程化与产业化支撑能力缺乏、产业链不完善等难题，推动我国汽车产业的转型升级，深入推进交通运输工具供给侧结构性改革、优化能源经济结构。

　　本报告为科技创新战略研究专项项目“高新技术领域年度重点创新进展报告”(编号：ZLY201633)研究成果之一。

　　本文特约编辑：姜念云