中國(guó)燃料電池汽車(chē)發(fā)展問(wèn)題研究

劉宗巍 史天澤 郝瀚 趙福全

（清華大學(xué)，汽車(chē)產(chǎn)業(yè)與技術(shù)戰(zhàn)略研究院 汽車(chē)安全與節(jié)能?chē)?guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

1 前言

當(dāng)前，全球能源、環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重，世界各國(guó)都在積極尋求應(yīng)對(duì)方案，在汽車(chē)領(lǐng)域大力推進(jìn)新能源汽車(chē)的目的也正是如此。新能源汽車(chē)有不同的類(lèi)型，其中，燃料電池汽車(chē)（Fuel Cell Vehicle，F(xiàn)CV）不僅能夠在燃料上實(shí)現(xiàn)對(duì)燃油的完全替代，而且具有“零排放”、能量轉(zhuǎn)換效率高、燃料來(lái)源多樣并可靈活取自于可再生能源等優(yōu)勢(shì)，因而被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)未來(lái)汽車(chē)工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要方向之一，也是解決全球能源和環(huán)境問(wèn)題的理想方案之一[1-4]。

目前，燃料電池汽車(chē)技術(shù)尚不夠成熟，但各國(guó)重視程度在不斷提高，呈現(xiàn)出加大力度推進(jìn)的態(tài)勢(shì)[5-13]。日本、美國(guó)、歐盟和韓國(guó)等都投入了大量資金和人力開(kāi)展燃料電池汽車(chē)的研究。豐田、本田、通用、福特、奔馳、現(xiàn)代等公司都已經(jīng)開(kāi)發(fā)出燃料電池車(chē)型并進(jìn)行示范運(yùn)行，進(jìn)入初步應(yīng)用階段。

對(duì)于中國(guó)來(lái)說(shuō)，隨著汽車(chē)保有量不斷攀升，來(lái)自汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的能源與環(huán)境壓力不斷增大：一方面，石油對(duì)外依存度逐年上升，已從本世紀(jì)初的26%增加至2016年的65%以上[14]，對(duì)能源安全構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，實(shí)施能源替代迫在眉睫；另一方面，能源結(jié)構(gòu)中化石能源居于絕對(duì)主體地位，環(huán)保壓力巨大，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)同樣刻不容緩。氫能熱值較高，儲(chǔ)量豐富，來(lái)源多樣，應(yīng)用廣泛，特別是具有極佳的環(huán)境友好度，代表著人類(lèi)能源“脫碳入氫”、徹底避免碳排放的可能前景，是理想的長(zhǎng)期替代能源候選對(duì)象之一。從氫能的應(yīng)用角度看，燃料電池汽車(chē)是重點(diǎn)方向之一，如果氫能可以在規(guī)模龐大、影響廣泛的汽車(chē)產(chǎn)業(yè)得到規(guī)?；膽?yīng)用，必將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。也就是說(shuō)，發(fā)展燃料電池汽車(chē)對(duì)于改善中國(guó)能源結(jié)構(gòu)、推動(dòng)交通領(lǐng)域低碳轉(zhuǎn)型以及提升重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力和科技創(chuàng)新力具有特殊的戰(zhàn)略意義[15-16]。正因如此，在《中國(guó)制造2025》等綱領(lǐng)性文件中，中國(guó)政府對(duì)燃料電池汽車(chē)及其相關(guān)技術(shù)提出了明確的發(fā)展規(guī)劃，重視程度不斷提升。

有鑒于此，本文對(duì)燃料電池汽車(chē)核心技術(shù)、關(guān)鍵問(wèn)題、發(fā)展現(xiàn)狀等進(jìn)行了梳理，特別分析探討了中國(guó)燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的特點(diǎn)，并提出了現(xiàn)階段有針對(duì)性的發(fā)展建議。

2 燃料電池汽車(chē)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展

2.1 燃料電池汽車(chē)技術(shù)簡(jiǎn)介

燃料電池（Fuel Cell，F(xiàn)C）是一種以電化學(xué)反應(yīng)方式將燃料（氫氣）與氧化劑（空氣）的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿哪芰哭D(zhuǎn)換裝置[4]。19世紀(jì)30年代，人們提出了燃料電池的初步構(gòu)想。此后，隨著技術(shù)的發(fā)展，不同級(jí)別的燃料電池問(wèn)世，并逐步由軍用推廣至民用領(lǐng)域，如圖1所示。自20世紀(jì)后半段開(kāi)始，各大汽車(chē)廠(chǎng)商紛紛開(kāi)展了燃料電池汽車(chē)的研究，其中尤其以日本最為領(lǐng)先。目前全世界已有多種高性能燃料電池汽車(chē)產(chǎn)品，初步進(jìn)入了商業(yè)化應(yīng)用階段。根據(jù)電解質(zhì)的不同，燃料電池可分為堿性燃料電池（Alkaline Fuel Cell，AFC）、質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEM?FC）、磷 酸 燃 料 電 池（Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC）、固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）等多種類(lèi)型，其使用的燃料和適應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)景各有不同，其中質(zhì)子交換膜燃料電池具有高比功率、可快速啟動(dòng)、無(wú)腐蝕性、反應(yīng)溫度低、氧化劑需求低等優(yōu)勢(shì)，是當(dāng)前燃料電池汽車(chē)的首選。

圖1 燃料電池及燃料電池汽車(chē)技術(shù)發(fā)展

燃料電池汽車(chē)以車(chē)載氫氣為能量源，經(jīng)燃料電池將氫氣的化學(xué)能量轉(zhuǎn)化為電能，再以電機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛，顯然，這涉及燃料電池汽車(chē)本身以及氫能供應(yīng)兩方面的全新內(nèi)容。燃料電池汽車(chē)包括車(chē)載儲(chǔ)氫系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、整車(chē)控制系統(tǒng)和輔助儲(chǔ)能裝置等新元素；氫能供應(yīng)則包括氫氣從生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)郊幼?、使用的全過(guò)程。

從整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈條看，燃料電池汽車(chē)的推廣和應(yīng)用涉及面廣，無(wú)論對(duì)車(chē)輛本身還是對(duì)氫的制備、儲(chǔ)運(yùn)、應(yīng)用等，都有較高要求。氫的制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(chǔ)主要包括高壓氣態(tài)儲(chǔ)存、固態(tài)氫化物儲(chǔ)存、低溫液氫儲(chǔ)存等方式；相應(yīng)地，其運(yùn)輸方式主要包括車(chē)船運(yùn)輸和管道運(yùn)輸?shù)?；氫的?yīng)用層面，加氫站及其他基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)是未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)。而燃料電池汽車(chē)本身，則是機(jī)械、化學(xué)、材料、電控等諸多領(lǐng)域的交叉學(xué)科，如圖2所示。各國(guó)正致力于逐步提高性能、降低成本，以加快推廣應(yīng)用[17-18]。

圖2 燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)鏈

2.2 各國(guó)燃料電池汽車(chē)技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化

基于燃料電池汽車(chē)的良好前景，各國(guó)對(duì)其的關(guān)注程度正在不斷提升（見(jiàn)表1）。日本將氫能利用作為國(guó)家戰(zhàn)略方向之一，對(duì)氫能及燃料電池相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展高度重視。政府、科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)對(duì)燃料電池及燃料電池汽車(chē)技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，持續(xù)進(jìn)行了大量投入，豐田汽車(chē)公司研制的Mirai、本田汽車(chē)公司的Clarity，都是處于國(guó)際領(lǐng)先水平的燃料電池轎車(chē)產(chǎn)品。美國(guó)對(duì)燃料電池及燃料電池汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展也較為重視，早在2005年，即已將氫能列入“主流能源”選擇之一，并陸續(xù)發(fā)布了氫能與燃料電池計(jì)劃。美國(guó)主要推動(dòng)了燃料電池汽車(chē)在物料運(yùn)輸?shù)忍厥忸I(lǐng)域的應(yīng)用，至2015年，已有34家企業(yè)8 000多輛燃料電池叉車(chē)投入運(yùn)行，取得了較好的商業(yè)化推廣，同時(shí)道路示范車(chē)輛也有一定應(yīng)用[6]。歐盟在歐洲工業(yè)委員會(huì)和歐洲研究社團(tuán)等組織的推動(dòng)下，在燃料電池及燃料電池汽車(chē)方面開(kāi)展了大量研究與示范應(yīng)用，同時(shí)，對(duì)用于燃料電池和燃料電池汽車(chē)的資金投入、燃料電池車(chē)隊(duì)推廣項(xiàng)目以及加氫站建設(shè)等進(jìn)行了系統(tǒng)的規(guī)劃。

表1 全球燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展總覽

總體而言，燃料電池汽車(chē)正處在由技術(shù)研發(fā)向商業(yè)化推廣過(guò)渡的階段，各國(guó)對(duì)該技術(shù)的重視不斷升溫，投入持續(xù)增加。相比之下，日本政府對(duì)燃料電池及燃料電池汽車(chē)技術(shù)的推動(dòng)力度更大，技術(shù)水平也更高，其先進(jìn)的燃料電池乘用車(chē)車(chē)型已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化，在燃料電池汽車(chē)領(lǐng)域走在了世界前列。

3 全球燃料電池汽車(chē)發(fā)展的共性問(wèn)題

當(dāng)前，燃料電池汽車(chē)尚未達(dá)到大規(guī)模推廣應(yīng)用的階段，其根本問(wèn)題在于關(guān)鍵技術(shù)還不夠成熟。燃料電池汽車(chē)是涉及化學(xué)、材料、機(jī)械、電子等多個(gè)領(lǐng)域復(fù)雜技術(shù)的交叉載體，且所需技術(shù)水平較高，并給技術(shù)成本帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。例如，組成燃料電池單體的交換膜、催化層、滲透層、雙極板對(duì)材料、工藝提出了極高要求；又如，燃料電池電堆的成組、系統(tǒng)的集成與控制等，都必須適應(yīng)汽車(chē)運(yùn)行中頻繁變動(dòng)的工況。正是由于關(guān)鍵技術(shù)尚未取得根本性突破，燃料電池汽車(chē)的推廣還面臨著幾個(gè)重大瓶頸，這些共性問(wèn)題制約著全球燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)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(chē)必須解決的首要問(wèn)題。代表性的燃料電池汽車(chē)產(chǎn)品，如豐田Mirai售價(jià)6.9萬(wàn)美元（約合45萬(wàn)元人民幣），本田Clarity售價(jià)6萬(wàn)美元（約合39萬(wàn)元人民幣），遠(yuǎn)高于其他動(dòng)力形式的同級(jí)別車(chē)輛。

造成燃料電池汽車(chē)高成本的主要原因在于燃料電池系統(tǒng)各部件成本較高，尤其是大量應(yīng)用貴金屬Pt的催化層。為了保證電池性能，燃料電池各部件都有其特別要求（見(jiàn)表2），目前雖有各種應(yīng)對(duì)方法，但始終無(wú)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，已成為燃料電池技術(shù)發(fā)展的重要方向。

表2 燃料電池各部件要求及應(yīng)對(duì)技術(shù)

美國(guó)能源部（Department of Energy，DOE）對(duì)燃料電池汽車(chē)的成本問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)分析，對(duì)整車(chē)、電堆、電池層層分解，得出了各部分成本的具體比例[19]，如圖3所示。根據(jù)DOE的研究，目前燃料電池系統(tǒng)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(dá)到50萬(wàn)臺(tái)規(guī)模），未來(lái)通過(guò)技術(shù)進(jìn)步和更大批量生產(chǎn)，還有望進(jìn)一步降低成本，實(shí)現(xiàn)每千瓦30美元（約合200元人民幣）的長(zhǎng)期目標(biāo)。中國(guó)燃料電池系統(tǒng)的實(shí)際成本目前約為每千瓦5 000元人民幣，差距明顯，不過(guò)中國(guó)也制定了2030年達(dá)到每千瓦200元人民幣的目標(biāo)，則與美國(guó)DOE的預(yù)估接近。

圖3 燃料電池汽車(chē)成本構(gòu)成[19]

另?yè)?jù)美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Oak Ridge Nation?al Laboratory）估計(jì)[20]，在形成20 000輛規(guī)模的前提下，燃料電池汽車(chē)的整車(chē)成本有望達(dá)到約48 000美元（約合315 000元人民幣），其中燃料電池系統(tǒng)約占一半，即24 000美元（約合157 000元人民幣）左右。而如果考慮儲(chǔ)氫系統(tǒng)、輔助電池等，整個(gè)燃料電池動(dòng)力總成的成本高達(dá)36 200美元（約合237 000元人民幣），占總成本的75%以上。

從目前的情況來(lái)看，盡管有所改善，但燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的高昂成本，仍然使其與其他動(dòng)力形式相比處于明顯的競(jìng)爭(zhēng)劣勢(shì)，這是燃料電池汽車(chē)大規(guī)模推廣的最大瓶頸。

3.2 耐久性

車(chē)用燃料電池的耐久性是制約其商業(yè)化的主要技術(shù)挑戰(zhàn)之一，對(duì)于乘用車(chē)而言，目前普遍認(rèn)可的指標(biāo)是在性能衰減10%的水平下運(yùn)行5 000 h。近年來(lái)，世界各大汽車(chē)廠(chǎng)商積極致力于燃料電池技術(shù)研究，使電池耐久性有了較大提升，但距理想的商業(yè)化目標(biāo)仍有一定差距。DOE的研究報(bào)告指出[19]，自2006年以來(lái)，美國(guó)燃料電池乘用車(chē)平均耐久性已由1 000 h逐步提升至約2 500 h，同時(shí)，單車(chē)最佳耐久性紀(jì)錄提升更快，2015年有車(chē)輛達(dá)到5 605 h的連續(xù)運(yùn)行紀(jì)錄。在商用車(chē)方面，近期的耐久性目標(biāo)為18 000 h。美國(guó)UTC公司示范的大型客車(chē)是長(zhǎng)壽命燃料電池系統(tǒng)的典型案例，在2010年該示范性商用車(chē)已連續(xù)運(yùn)行7 000 h，到2015年已在實(shí)際路況條件下運(yùn)行19 000 h[21]。目前，中國(guó)燃料電池轎車(chē)壽命不足2 000 h，客車(chē)的壽命約為3 000 h，明顯低于國(guó)外先進(jìn)水平?？傮w來(lái)看，車(chē)用燃料電池耐久性正不斷提升，逐步接近商業(yè)化目標(biāo)。

提高耐久性的關(guān)鍵技術(shù)在于控制燃料電池性能衰減，而性能衰減的主要影響因素是車(chē)輛運(yùn)行工況的頻繁變動(dòng)。目前主要從兩方面解決此問(wèn)題：一方面，通過(guò)對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)與控制策略的優(yōu)化，避開(kāi)不利條件或減少不利條件的存在時(shí)間，以達(dá)到延緩衰減的目的；另一方面，繼續(xù)發(fā)展新材料技術(shù)，包括用于催化劑及載體、聚合物膜、雙極板等的關(guān)鍵材料，以滿(mǎn)足苛刻的車(chē)用工況，提升耐久性。具體來(lái)講，提高耐久性的重點(diǎn)技術(shù)包括：電極材料的催化劑活性研究、交換膜的傳導(dǎo)能力提升；電堆的水、熱、汽控制；燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)型設(shè)計(jì)與優(yōu)化、穩(wěn)定工況控制、啟停機(jī)策略、動(dòng)力電池匹配等。在這些方面，中國(guó)都存在一定差距。

3.3 基礎(chǔ)設(shè)施

完善的基礎(chǔ)設(shè)施同樣是燃料電池汽車(chē)大范圍推廣的前提。有資料顯示，一座加氫站的投入大約為2 000萬(wàn)元，大大高于加油站的建設(shè)成本，其中約60%的成本用于站點(diǎn)維持[22]。因此，現(xiàn)階段加氫站的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)必須依靠政府的財(cái)政補(bǔ)貼。加氫站氫源方面，包括水電解制氫、質(zhì)子交換膜水解制氫、天然氣現(xiàn)場(chǎng)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(shè)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(guó)則僅有6座。這些加氫站僅能滿(mǎn)足示范應(yīng)用需要，如要實(shí)現(xiàn)真正規(guī)模化的商業(yè)推廣，還需更進(jìn)一步的投入和建設(shè)。因此，燃料電池汽車(chē)的快速發(fā)展有賴(lài)于氫能基礎(chǔ)設(shè)施的超前部署，當(dāng)前各國(guó)政府紛紛制定了各自的加氫站建設(shè)規(guī)劃，正在逐步加大對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的投入。

3.4 氫能產(chǎn)業(yè)鏈的系統(tǒng)規(guī)劃

為實(shí)現(xiàn)燃料電池汽車(chē)的大規(guī)模推廣，除了加氫環(huán)節(jié)外，還必須有“制氫-運(yùn)氫-儲(chǔ)氫-用氫”全產(chǎn)業(yè)鏈的完善配套設(shè)施。同時(shí)，需要對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)鏈的每個(gè)環(huán)節(jié)都進(jìn)行深入研究和分析，站在全生命周期的角度評(píng)價(jià)和控制氫能利用的整體效益，例如采取碳排放較高的制氫和運(yùn)氫方式，可能導(dǎo)致氫能利用在整體上并不節(jié)能環(huán)保。目前針對(duì)各種制氫方法、運(yùn)輸方式等都有一些研究工作[23-27]，但從“制氫-運(yùn)氫-儲(chǔ)氫-用氫”全過(guò)程視角出發(fā)，研究全局性的設(shè)計(jì)與規(guī)劃尚不多見(jiàn)。此外，當(dāng)前雖有較成熟的制氫技術(shù)，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(duì)工業(yè)用氫。針對(duì)未來(lái)車(chē)載氫能的大規(guī)模制備、儲(chǔ)運(yùn)和使用，還需進(jìn)一步研究：氫的儲(chǔ)運(yùn)就有多種技術(shù)路線(xiàn)可以選取，包括高壓氫瓶?jī)?chǔ)存、金屬氫化物儲(chǔ)存和車(chē)船運(yùn)輸、管道運(yùn)輸?shù)龋钸m合車(chē)用的氫能儲(chǔ)運(yùn)方式尚不明確；未來(lái)還需要考慮制氫的低成本化、低污染化、低能耗化，開(kāi)發(fā)可再生能源制氫技術(shù)、探索如何降低電解水的能耗與成本可能成為未來(lái)的重要方向?？傊剂想姵仄?chē)的推廣，實(shí)際上是氫能在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)大規(guī)模應(yīng)用的問(wèn)題，唯有對(duì)整個(gè)氫能產(chǎn)業(yè)鏈和汽車(chē)產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行綜合評(píng)估和系統(tǒng)規(guī)劃，方能在實(shí)現(xiàn)推廣目標(biāo)的同時(shí)真正滿(mǎn)足社會(huì)的多元需求。

4 中國(guó)燃料電池汽車(chē)發(fā)展現(xiàn)狀及差距分析

4.1 中國(guó)燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀

在國(guó)家“863”計(jì)劃“十五”電動(dòng)車(chē)重大科技專(zhuān)項(xiàng)、“十一五”節(jié)能與新能源汽車(chē)重大項(xiàng)目、“十二五”及“十三五”電動(dòng)車(chē)關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)集成等重大項(xiàng)目的支持下，通過(guò)產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊(duì)的攻關(guān)，中國(guó)燃料電池汽車(chē)技術(shù)取得了一定的進(jìn)展，初步掌握了燃料電池電堆和關(guān)鍵材料、動(dòng)力系統(tǒng)與核心部件、整車(chē)集成和氫能基礎(chǔ)設(shè)施等核心技術(shù)，基本建立了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的燃料電池轎車(chē)及城市客車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)平臺(tái)，也初步形成了燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)力電池、DC/DC變換器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、儲(chǔ)氫系統(tǒng)等關(guān)鍵零部件的配套研發(fā)體系，并具備了百輛級(jí)燃料電池汽車(chē)及其動(dòng)力系統(tǒng)的生產(chǎn)能力[6]。

當(dāng)前，中國(guó)已有3款燃料電池客車(chē)、5款燃料電池轎車(chē)樣車(chē)推出，并先后在北京奧運(yùn)會(huì)、上海世博會(huì)、全球環(huán)境基金與聯(lián)合國(guó)發(fā)展計(jì)劃署（GEF/UNDP）共同支持的燃料電池城市客車(chē)商業(yè)化示范活動(dòng)、新加坡青奧會(huì)等開(kāi)展了示范運(yùn)行?；A(chǔ)設(shè)施方面，中國(guó)建有加氫站6座，分別位于北京、上海、鄭州等地。制氫方面，中國(guó)主要采用煤氣化制氫，小規(guī)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(lái)的發(fā)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(guó)燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)尚處于起步階段，僅有少量企業(yè)進(jìn)行了開(kāi)發(fā)示范樣車(chē)的嘗試，但后續(xù)量產(chǎn)計(jì)劃并未跟進(jìn)，沒(méi)有形成前后接續(xù)、有序推進(jìn)的態(tài)勢(shì)。

4.2 中國(guó)燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的主要差距與自身特點(diǎn)

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，與國(guó)際先進(jìn)水平相比，中國(guó)燃料電池汽車(chē)在整車(chē)總體布置、動(dòng)力性、氫氣消耗量等基本性能方面已經(jīng)差距不大，在動(dòng)力系統(tǒng)的集成和控制方面也有明顯進(jìn)步，但在關(guān)鍵材料及工藝、關(guān)鍵零部件、整車(chē)集成以及耐久性等方面，仍有明顯差距[6]，如表3所示?？傮w上，核心組件如質(zhì)子交換膜、催化劑、碳紙、碳布、膜電極、雙極板等，中國(guó)雖進(jìn)行了基礎(chǔ)研發(fā)及小規(guī)模量產(chǎn)，但其性能、成本與國(guó)外先進(jìn)水平相比均有不足。國(guó)外已可實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵零部件的大規(guī)模生產(chǎn)，中國(guó)多處在試生產(chǎn)、小規(guī)模生產(chǎn)階段。集成技術(shù)的差距，使中國(guó)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)功率明顯低于國(guó)際水平，例如，中國(guó)典型燃料電池轎車(chē)的電池功率約為35～50 kW，而國(guó)際先進(jìn)水平可達(dá)90～100 kW。

與此同時(shí)，中國(guó)燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)有其自身特點(diǎn)，切實(shí)把握這些“獨(dú)特”屬性，才能有效地梳理出最適宜的發(fā)展策略。第一，發(fā)展起步晚，地域性強(qiáng)。中國(guó)于20世紀(jì)90年代開(kāi)始關(guān)注燃料電池技術(shù)，至2000年左右才開(kāi)展燃料電池汽車(chē)方面的研究，與世界先進(jìn)國(guó)家相比，技術(shù)積累相對(duì)薄弱。同時(shí)，中國(guó)的燃料電池相關(guān)產(chǎn)業(yè)集中在東南沿海地區(qū)，如在如皋、佛山等城市發(fā)展相對(duì)迅速，內(nèi)陸地區(qū)則相對(duì)遲緩，呈現(xiàn)出地域性明顯的特征。第二，產(chǎn)業(yè)鏈條不夠完整。由于尚處在基礎(chǔ)研發(fā)和初步應(yīng)用階段，燃料電池先進(jìn)技術(shù)更多由研究機(jī)構(gòu)和高等院校掌握，而這些單位往往不具備氫能產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的條件和能力，特別是在汽車(chē)這樣復(fù)雜且涉及面廣的產(chǎn)品上。相比之下，中國(guó)燃料電池企業(yè)以及整車(chē)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力普遍較弱，從基礎(chǔ)研發(fā)到推廣應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)鏈尚未完全打通。第三，商用車(chē)發(fā)展相對(duì)較快。相較于燃料電池乘用車(chē)，中國(guó)已有宇通客車(chē)、福田客車(chē)、金龍客車(chē)等廠(chǎng)商對(duì)燃料電池商用車(chē)進(jìn)行了多年開(kāi)發(fā)，研制了多代樣車(chē)，并進(jìn)行了示范應(yīng)用，具備了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。第四，政府更為關(guān)注純電動(dòng)車(chē)的發(fā)展。目前純電動(dòng)車(chē)是中國(guó)新能源汽車(chē)的主要戰(zhàn)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(chē)并未獲得區(qū)別于電動(dòng)車(chē)的特殊政策支持。也可以說(shuō)，未來(lái)燃料電池汽車(chē)在中國(guó)的良好發(fā)展，首先需要政府給出清晰的定位和明確的方向。

表3 國(guó)內(nèi)外燃料電池汽車(chē)技術(shù)差距[28]

總之，除全球燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)面臨的共性瓶頸外，中國(guó)燃料電池汽車(chē)的加快推廣還必須克服目前明顯的技術(shù)差距，并有效結(jié)合自身特點(diǎn)，這在客觀(guān)上增加了燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)在中國(guó)發(fā)展的困難和變數(shù)。但從推行能源多元化、降低風(fēng)險(xiǎn)的角度出發(fā)，同時(shí)考慮到氫能作為未來(lái)主要能源候選對(duì)象的戰(zhàn)略地位，中國(guó)不宜忽視燃料電池及其在汽車(chē)領(lǐng)域應(yīng)用的技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)，必須采取適宜措施，有針對(duì)性、有計(jì)劃地予以重點(diǎn)實(shí)施。

5 中國(guó)燃料電池汽車(chē)的發(fā)展策略建議

5.1 中國(guó)發(fā)展燃料電池汽車(chē)的戰(zhàn)略定位

首先，必須站在全球產(chǎn)業(yè)升級(jí)和能源革命的大背景下審視燃料電池汽車(chē)。當(dāng)前，全球能源與環(huán)境壓力與日俱增，各國(guó)汽車(chē)節(jié)能減排的步伐不斷加快，發(fā)展新能源汽車(chē)已呈大勢(shì)所趨。各國(guó)一方面不斷加嚴(yán)燃油消耗法規(guī)，另一方面持續(xù)加大對(duì)新能源汽車(chē)支持力度，以謀求交通領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展。以日本豐田、本田、德國(guó)大眾等為代表的多家全球頂級(jí)汽車(chē)企業(yè)更相繼宣布了停產(chǎn)傳統(tǒng)燃油車(chē)的時(shí)間表，這意味著推進(jìn)新能源汽車(chē)、實(shí)現(xiàn)汽車(chē)電氣化成為了公認(rèn)的發(fā)展趨勢(shì)。目前新能源汽車(chē)有兩大主要發(fā)展方向，即純電動(dòng)車(chē)與燃料電池汽車(chē)。全球汽車(chē)強(qiáng)國(guó)都致力于這兩類(lèi)電驅(qū)動(dòng)車(chē)型的開(kāi)發(fā)，包括乘用車(chē)和商用車(chē)。不僅純電動(dòng)車(chē)，燃料電池乘用車(chē)和商用車(chē)也不斷有新產(chǎn)品問(wèn)世。這對(duì)致力于建設(shè)汽車(chē)強(qiáng)國(guó)的中國(guó)是戰(zhàn)略選擇的很好參照。

其次，必須充分理解中國(guó)作為全球第一汽車(chē)大國(guó)，發(fā)展新能源汽車(chē)戰(zhàn)略需求的迫切性。一方面，中國(guó)石油對(duì)外依存度逐年攀升，2016年已超過(guò)65%，能源安全成為事關(guān)國(guó)運(yùn)的重大挑戰(zhàn)；另一方面，日益嚴(yán)重的霧霾引發(fā)全民關(guān)注，履行低碳承諾和改善環(huán)境質(zhì)量已是中國(guó)最大的政治任務(wù)之一。汽車(chē)產(chǎn)業(yè)作為石油消耗大戶(hù)，自然應(yīng)承擔(dān)重要責(zé)任。也就是說(shuō)，中國(guó)亟需在能力所及的范圍內(nèi)，以最快速和最有效的手段，加緊普及新能源汽車(chē)，以早日實(shí)現(xiàn)能源替代和碳排放降低。

正是從這種戰(zhàn)略需求出發(fā)，中國(guó)選擇了以全面推動(dòng)電動(dòng)車(chē)為主的新能源汽車(chē)發(fā)展策略，這也是權(quán)衡電動(dòng)車(chē)和燃料電池汽車(chē)發(fā)展?fàn)顟B(tài)后做出的選擇。先從基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)角度分析，中國(guó)地域遼闊，如果同時(shí)承擔(dān)加油站、充電站、加氫站建設(shè)，投入將非常巨大，且難以配置充足的資源（尤其是大型城市稀缺的土地資源），可行性較低。而比較充電站和加氫站，前者相對(duì)成熟，正處在快速普及的狀態(tài)，后者尚有技術(shù)和成本等問(wèn)題需要解決，且制氫、運(yùn)氫和儲(chǔ)氫都還有很多技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化難題。顯然，優(yōu)先布置充電站更為現(xiàn)實(shí)。再就電動(dòng)車(chē)和燃料電池汽車(chē)本身來(lái)看，相比于燃料電池汽車(chē)，電動(dòng)車(chē)更接近于大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化：第一，從全球來(lái)看，電動(dòng)車(chē)更加成熟，像日產(chǎn)、特斯拉等公司的電動(dòng)車(chē)產(chǎn)品已經(jīng)有不錯(cuò)的銷(xiāo)量。相比之下，即使最為領(lǐng)先的日企，雖然陸續(xù)推出了燃料電池量產(chǎn)車(chē)型，但產(chǎn)量都非常有限。近期一直以“混合動(dòng)力+燃料電池”為技術(shù)路線(xiàn)的豐田汽車(chē)也公布了量產(chǎn)電動(dòng)車(chē)的計(jì)劃，這種戰(zhàn)略調(diào)整說(shuō)明，豐田也認(rèn)識(shí)到就當(dāng)前快速推進(jìn)新能源汽車(chē)的需求而言，電動(dòng)車(chē)是無(wú)法跨越的。第二，電動(dòng)車(chē)能源供給相對(duì)方便，電網(wǎng)相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施已十分完善，各國(guó)的充電基礎(chǔ)設(shè)施也在加速發(fā)展中，相反，高效的制氫路徑尚在探索中，并無(wú)大量“現(xiàn)成”的氫能可供利用。第三，中國(guó)自身電動(dòng)車(chē)水平基本與世界同步，而如前所述，燃料電池汽車(chē)技術(shù)則相對(duì)落后。由此可見(jiàn)，相比于發(fā)展燃料電池汽車(chē)，聚力發(fā)展電動(dòng)車(chē)更是快速獲得節(jié)能減排收益的有效手段。

最后，必須深刻地理解燃料電池汽車(chē)的戰(zhàn)略?xún)r(jià)值，盡管“發(fā)展有側(cè)重、推進(jìn)有先后”的新能源汽車(chē)普及策略無(wú)可厚非，但這并不意味著可以忽略燃料電池汽車(chē)。作為新能源汽車(chē)的重要發(fā)展選項(xiàng)和未來(lái)汽車(chē)動(dòng)力可能的終極解決方案之一，燃料電池汽車(chē)在中國(guó)汽車(chē)強(qiáng)國(guó)的版圖中絕非可有可無(wú)，而是必不可少，其先天具有的零排放、高能效、大里程等優(yōu)勢(shì)，是電動(dòng)車(chē)無(wú)法比擬的。實(shí)際上，人類(lèi)未來(lái)的能源格局極有可能“脫碳入氫”，而燃料電池汽車(chē)恰與此方向匹配，從這個(gè)意義上講，在能源革命的深度上，燃料電池汽車(chē)是超過(guò)電動(dòng)車(chē)的。更重要的是，中國(guó)必須堅(jiān)持“能源多元化”的戰(zhàn)略。因此，任何以發(fā)展電動(dòng)車(chē)為理由忽視燃料電池汽車(chē)投入的觀(guān)點(diǎn)都是不可取的。面對(duì)燃料電池汽車(chē)落后于人的局面，中國(guó)更要在大力發(fā)展電動(dòng)車(chē)的同時(shí)，同步對(duì)燃料電池汽車(chē)進(jìn)行戰(zhàn)略?xún)?chǔ)備、前瞻布局和切實(shí)投入。不僅是商用車(chē)，也包括乘用車(chē)，都必須努力緊跟世界先進(jìn)水平，以免出現(xiàn)戰(zhàn)略誤判和關(guān)鍵短板。

5.2 中國(guó)燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展策略

前文已闡明燃料電池汽車(chē)對(duì)于中國(guó)能源和汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的重要性，而要在總體落后的情況下，以相比電動(dòng)車(chē)次要的投入，快速推進(jìn)燃料電池汽車(chē)的技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，就更需要科學(xué)精準(zhǔn)的發(fā)展路徑以及相關(guān)方面的有效協(xié)同。為此，本文經(jīng)過(guò)認(rèn)真梳理和研究分析，提出了中國(guó)燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的三大發(fā)展策略：即商用車(chē)先導(dǎo)、政府持續(xù)支持、企業(yè)認(rèn)真儲(chǔ)備。

a.中國(guó)發(fā)展燃料電池汽車(chē)應(yīng)選擇商用車(chē)作為重點(diǎn)方向和戰(zhàn)略突破口。

從全球共性問(wèn)題和情況看，主要有以下幾個(gè)方面的考慮：首先，燃料電池成本高昂，如果搭載于成本承載力相對(duì)有限的乘用車(chē)上，很難獲得與其他動(dòng)力車(chē)型相近的成本競(jìng)爭(zhēng)力；其次，燃料電池汽車(chē)面臨加氫基礎(chǔ)設(shè)施的制約，但其續(xù)航里程長(zhǎng)的特點(diǎn)，特別適合大型商用車(chē)（如長(zhǎng)途貨車(chē)、客車(chē)）的應(yīng)用場(chǎng)景，而為保障固定用途、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)移動(dòng)的長(zhǎng)途商用車(chē)，只需定點(diǎn)建設(shè)少量加氫站即可，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的依賴(lài)就可大為降低；最后，采用以動(dòng)力電池供能的純電動(dòng)商用車(chē)，雖然同樣可以滿(mǎn)足環(huán)保要求，但為滿(mǎn)足較長(zhǎng)續(xù)航里程和較大載重量必須搭載大量電池，不僅成本上并不劃算，而且運(yùn)載大量電池移動(dòng)本身也與節(jié)能環(huán)保相悖。也就是說(shuō)，對(duì)于大型商用車(chē)而言，電動(dòng)車(chē)是性?xún)r(jià)比較低的新能源技術(shù)選項(xiàng)，而燃料電池汽車(chē)恰可彌補(bǔ)其短。再?gòu)闹袊?guó)自身特點(diǎn)和情形分析：第一，相比乘用車(chē)，中國(guó)商用車(chē)的節(jié)能減排技術(shù)水平更低，商用車(chē)保有量遠(yuǎn)小于乘用車(chē)，但油耗和排放都更甚于乘用車(chē)，為此在商用車(chē)領(lǐng)域推廣新能源的緊迫性更強(qiáng)，而燃料電池可能是更適合商用車(chē)的新能源汽車(chē)技術(shù)；第二，中國(guó)市場(chǎng)規(guī)模巨大、地域差異明顯，如前文所述，中國(guó)燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)也呈現(xiàn)出地域性強(qiáng)的特色，因地制宜地選擇合適的局部區(qū)域，以氫能綜合利用為戰(zhàn)略方向，導(dǎo)入全功率燃料電池商用車(chē)，就有足夠的市場(chǎng)容量，具有獲得快速發(fā)展的現(xiàn)實(shí)可行性；第三，中國(guó)在燃料電池商用車(chē)方面的差距小于乘用車(chē)，如能切實(shí)以商用車(chē)為先導(dǎo)推進(jìn)燃料電池汽車(chē)，不僅可以助力汽車(chē)節(jié)能減排整體目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，而且完全可以通過(guò)打造燃料電池商用車(chē)平臺(tái)，先行培育產(chǎn)業(yè)鏈，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化，并為未來(lái)燃料電池乘用車(chē)的推廣做好技術(shù)儲(chǔ)備。

b.政府應(yīng)給予燃料電池汽車(chē)以充分重視和持續(xù)支持。

本文建議政府應(yīng)從五個(gè)方面入手，支持燃料電池汽車(chē)的技術(shù)攻關(guān)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。其一，必須明確肯定燃料電池汽車(chē)的戰(zhàn)略定位，作為新能源汽車(chē)的重要技術(shù)路徑和未來(lái)汽車(chē)動(dòng)力可能的終極解決方案之一，燃料電池汽車(chē)不是可有可無(wú)，而是不容有失。中國(guó)當(dāng)前選擇以電動(dòng)車(chē)為突破口加快發(fā)展新能源汽車(chē)無(wú)可非議，但國(guó)家同時(shí)必須有力支持燃料電池汽車(chē)的技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，包括全功率的燃料電池乘用車(chē)，因?yàn)樽鳛槠?chē)大國(guó)，我們承受不起未來(lái)汽車(chē)動(dòng)力源可能發(fā)生突變帶來(lái)的戰(zhàn)略風(fēng)險(xiǎn)，理應(yīng)加緊推進(jìn)、認(rèn)真儲(chǔ)備，力爭(zhēng)搶占先機(jī)。其二，必須進(jìn)行前瞻布局，系統(tǒng)規(guī)劃重點(diǎn)區(qū)域。既要避免各地都只關(guān)注電動(dòng)車(chē)而忽視燃料電池汽車(chē)，也要避免燃料電池汽車(chē)的重復(fù)投入，更要保證真正具有優(yōu)勢(shì)條件的區(qū)域及企業(yè)得到有針對(duì)性的重點(diǎn)扶持。其三，通常新興產(chǎn)業(yè)的形成、發(fā)展和成熟都要經(jīng)歷從“政府主導(dǎo)”到“準(zhǔn)市場(chǎng)過(guò)渡”再到“市場(chǎng)主導(dǎo)”的軌跡，而當(dāng)前以及今后相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)，由于技術(shù)成熟度不足，燃料電池汽車(chē)都將繼續(xù)處在“政府主導(dǎo)”階段，為此政府必須持續(xù)給予直接的支持，包括投入基礎(chǔ)研發(fā)、財(cái)政補(bǔ)貼產(chǎn)品和基建、扶持重點(diǎn)企業(yè)以及開(kāi)展示范工程等。其四，必須加緊出臺(tái)并不斷完善相關(guān)政策保障體系，確保氫能的生產(chǎn)供給、車(chē)輛的研發(fā)制造、基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)運(yùn)營(yíng)等不同環(huán)節(jié)都有據(jù)可依，從而能夠有序開(kāi)展相關(guān)工作。其五，要認(rèn)真總結(jié)電動(dòng)汽車(chē)前期推廣的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)，確保在燃料電池汽車(chē)的基礎(chǔ)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化推廣上少走彎路。

c.企業(yè)應(yīng)將燃料電池汽車(chē)作為未來(lái)動(dòng)力技術(shù)的重要選項(xiàng)，認(rèn)真評(píng)估，有效儲(chǔ)備。

對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)，應(yīng)根據(jù)自身實(shí)際情況，將燃料電池汽車(chē)作為重要的技術(shù)選項(xiàng)，納入未來(lái)節(jié)能減排技術(shù)路線(xiàn)的綜合評(píng)估之中，進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)攻關(guān)與儲(chǔ)備，并積極推動(dòng)燃料電池汽車(chē)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。必須強(qiáng)調(diào)的是，燃料電池汽車(chē)商業(yè)化的核心還是關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)步。根據(jù)本文的梳理，建議企業(yè)可按以下重點(diǎn)方向進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，以促進(jìn)燃料電池汽車(chē)加快走向大規(guī)模應(yīng)用：第一，基礎(chǔ)技術(shù)研發(fā)，包括燃料電池核心材料和燃料電池過(guò)程機(jī)理研究，如新型低鉑或非鉑催化原理及催化劑、高化學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性固體電解質(zhì)開(kāi)發(fā)、單電池綜合仿真技術(shù)、燃料電池電熱分布分析、空氣雜質(zhì)的影響、電堆“氣水電熱”多重耦合特性研究等；第二，集成技術(shù)研發(fā)，包括應(yīng)用于燃料電池系統(tǒng)層級(jí)的集成技術(shù)和應(yīng)用于整車(chē)層級(jí)的集成技術(shù)；第三，關(guān)鍵零部件研發(fā)，例如高性能燃料電池系統(tǒng)所必需的空壓機(jī)、加濕器、氫循環(huán)裝置等重要零部件，都應(yīng)盡快實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，以確保產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展；第四，基礎(chǔ)設(shè)施及相關(guān)技術(shù)。包括低成本、低能耗、低污染的制氫、運(yùn)氫、儲(chǔ)氫技術(shù)，如可再生能源制氫等技術(shù)的應(yīng)用。

6 結(jié)束語(yǔ)

燃料電池汽車(chē)代表著汽車(chē)產(chǎn)業(yè)動(dòng)力革命可能的終極方向之一，對(duì)于改善未來(lái)能源結(jié)構(gòu)、發(fā)展低碳交通具有深遠(yuǎn)意義。當(dāng)前，世界各國(guó)對(duì)于燃料電池汽車(chē)的關(guān)注不斷升溫，已有一些產(chǎn)品投放市場(chǎng)，進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化初始階段。本文對(duì)燃料電池汽車(chē)發(fā)展歷程、關(guān)鍵技術(shù)和主要障礙進(jìn)行了系統(tǒng)梳理，指出由于技術(shù)尚未獲得本質(zhì)突破，因此成本、耐久性、基礎(chǔ)設(shè)施以及氫能產(chǎn)業(yè)鏈仍是燃料電池汽車(chē)推廣應(yīng)用所面臨的全球共性瓶頸。與此同時(shí)，中國(guó)燃料電池汽車(chē)雖也已獲得一定的發(fā)展，但在關(guān)鍵材料、關(guān)鍵零部件和整車(chē)集成等方面與國(guó)外先進(jìn)水平相比仍有一定差距，同時(shí)具有起步晚、地域性強(qiáng)、產(chǎn)業(yè)鏈條不夠完整、商用車(chē)相對(duì)發(fā)展較快以及政府更關(guān)注于電動(dòng)車(chē)發(fā)展等鮮明特點(diǎn)。

基于燃料電池汽車(chē)自身技術(shù)特點(diǎn)和中國(guó)當(dāng)前發(fā)展情況，本文認(rèn)為，發(fā)展新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)雖然要有所側(cè)重，但必須充分認(rèn)識(shí)到燃料電池汽車(chē)的重要地位，站在大國(guó)“能源多元化”戰(zhàn)略需求的高度，給予足夠的重視和切實(shí)的支持。本文從中國(guó)燃料電池汽車(chē)發(fā)展的突破口及方向、燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展所需的政府支持和環(huán)境保障、相關(guān)企業(yè)的應(yīng)對(duì)戰(zhàn)略三個(gè)方向梳理了其發(fā)展策略，為推動(dòng)中國(guó)燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的加快發(fā)展，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)能源替換與碳排放降低，確保產(chǎn)業(yè)未來(lái)可持續(xù)發(fā)展提供助力。

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