中國(guó)燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈的現(xiàn)狀及發(fā)展

文／同濟(jì)大學(xué)校學(xué)術(shù)委員會(huì)委員、汽車學(xué)院學(xué)術(shù)委員會(huì)主任、燃料電池汽車技術(shù)研究所所長(zhǎng) 章桐

當(dāng)今世界正經(jīng)歷從化石能源向氫能等非化石能源過渡的重大轉(zhuǎn)換期，能源領(lǐng)域的革命以及關(guān)鍵技術(shù)的突破勢(shì)在必行。氫能作為二次能源，具有來源廣泛、終端零排等優(yōu)勢(shì)，更可作為能源互聯(lián)的媒介，被公認(rèn)為集中式可再生能源大規(guī)模長(zhǎng)周期儲(chǔ)存的最佳途徑，在能源體系中具有特殊的戰(zhàn)略地位。以氫為燃料的燃料電池可將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，不受卡諾循環(huán)的限制，清潔無污染、發(fā)電效率高，其模塊化結(jié)構(gòu)有利于在各領(lǐng)域的大范圍應(yīng)用，尤以交通運(yùn)輸及固定式發(fā)電領(lǐng)域?yàn)橹?。其中，質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）具有工作溫度低、啟動(dòng)快等優(yōu)點(diǎn)，是理想的車載能量源。截至2019 年12月，全球燃料電池汽車總保有量為24132 輛，2019 年銷量達(dá)到10409 輛，創(chuàng)歷史新高。

燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈總體較長(zhǎng)，主要包括上游氫氣及加氫站、中游燃料電池和下游燃料電池汽車等多個(gè)環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)都對(duì)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。近年來，我國(guó)的燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展正處于提速期，政策措施不斷完善，企業(yè)數(shù)目持續(xù)增長(zhǎng)，關(guān)鍵技術(shù)取得進(jìn)步。然而總體來看，燃料電池系統(tǒng)細(xì)分領(lǐng)域的核心技術(shù)尚待突破，氫氣儲(chǔ)運(yùn)及加注等關(guān)鍵技術(shù)仍存短板，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)相對(duì)滯后。未來，以國(guó)家開發(fā)燃料電池汽車示范應(yīng)用為契機(jī)，技術(shù)革新、市場(chǎng)拓展將被不斷推進(jìn)，我國(guó)燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)前景可期。由于篇幅的限制，本文主要聚焦產(chǎn)業(yè)鏈的中游和下游部分，燃料電池和燃料電池汽車。

一、中國(guó)燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展現(xiàn)狀

1.中游：燃料電池

燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)分為燃料電池電堆與輔助子系統(tǒng)兩大部分，其中燃料電池電堆中的核心材料包括膜電極、雙極板及其他部件，輔助子系統(tǒng)中，氫氣循環(huán)裝置、空壓機(jī)和加濕器等重要組件對(duì)于燃料電池系統(tǒng)性能的提升有著不可或缺的作用。

（1）燃料電池電堆與關(guān)鍵材料

經(jīng)過長(zhǎng)足的發(fā)展，燃料電池電堆在單堆功率、功率密度和冷啟動(dòng)溫度，以及壽命與最高效率等指標(biāo)上獲得了突破，國(guó)產(chǎn)電池電堆性能已經(jīng)達(dá)到國(guó)際平均水平，而領(lǐng)先企業(yè)已與世界先進(jìn)水平相當(dāng)。以捷氫為例，其開發(fā)的新一代燃料電池電堆功率可達(dá)130kW，功率密度3.8kW/L，耐久性達(dá)到10000h。與2015 年相比，國(guó)產(chǎn)電堆普遍的單堆功率由35kW提升至48kW，石墨板、金屬板電堆的功率密度分別由1.5kW/L、2.0kW/L 提升至2.2kW/L、3.0kW/L，冷啟動(dòng)溫度由-20℃提升至-30℃，石墨板、金屬板電堆壽命由五年前的3000h 分別提升至12000h、5000h，電堆最高效率由55%提升至60%。但整體來講，國(guó)產(chǎn)電堆在比功率、冷啟動(dòng)技術(shù)、規(guī)?；a(chǎn)工藝等方面還存在較大進(jìn)步空間，成本還需大幅降低。

膜電極方面，國(guó)內(nèi)已有自主研發(fā)生產(chǎn)線，性能與壽命可與國(guó)際先進(jìn)水平抗衡，且可實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。膜電極生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)歷了熱壓法、CCM 法和有序化膜電極的革新，其中有序化膜電極是下一代膜電極制備技術(shù)的主攻方向。

質(zhì)子交換膜方面，核心材料——全氟磺酸樹脂幾乎完全依賴進(jìn)口，市場(chǎng)基本被國(guó)外少數(shù)公司壟斷。國(guó)產(chǎn)質(zhì)子交換膜具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)，但出于穩(wěn)定性和可靠性的考量，當(dāng)前用量偏低的情況下，進(jìn)口膜依然占有主導(dǎo)地位。

催化劑方面，國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)化尚顯空白，產(chǎn)品較為單一，催化劑的批量化制備技術(shù)被日本、英國(guó)等國(guó)外供應(yīng)商把控。與國(guó)際水平相比鉑載量較高，這是國(guó)產(chǎn)電堆成本偏高的原因之一。

氣體擴(kuò)散層方面，國(guó)產(chǎn)炭紙的性能均一性與穩(wěn)定性尚未得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，處于初級(jí)碳微孔層的制備階段，產(chǎn)品被日本、加拿大、德國(guó)等國(guó)家的大廠所壟斷，對(duì)于大規(guī)模生產(chǎn)工藝的開發(fā)亟待探索。

雙極板按材料主要分為石墨板、金屬板、復(fù)合板，目前國(guó)內(nèi)以石墨雙極板為主，技術(shù)指標(biāo)已與國(guó)外相當(dāng)，但厚度與國(guó)際一流水平尚有差距，國(guó)內(nèi)金屬雙極板的基材開發(fā)仍為空白。純國(guó)產(chǎn)復(fù)合膜壓碳板處于研制開發(fā)階段，預(yù)計(jì)2021 年開始1mm 薄板的批量生產(chǎn)。

表1 國(guó)內(nèi)燃料電池電堆及關(guān)鍵材料的主要生產(chǎn)商及發(fā)展現(xiàn)狀

表2 國(guó)內(nèi)燃料電池系統(tǒng)及核心零部件的主要生產(chǎn)商及發(fā)展現(xiàn)狀

（2）燃料電池系統(tǒng)及核心零部件

目前，我國(guó)燃料電池系統(tǒng)已基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，自主研發(fā)的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能及環(huán)境適應(yīng)性不斷提升。以億華通為例，系統(tǒng)功率已超100kW，功率密度達(dá)到500W/kg。國(guó)產(chǎn)燃料電池系統(tǒng)普遍額定功率可達(dá)到60kW 以上，最高效率達(dá)到53%，冷啟動(dòng)溫度-30℃。系統(tǒng)壽命方面，乘用車、商用車燃料電池系統(tǒng)均已實(shí)現(xiàn)2016 年發(fā)布的《燃料電池汽車技術(shù)路線圖》中5000h、10000h 的目標(biāo)。但商用車燃料電池系統(tǒng)最高效率與設(shè)定的2020 年55%的目標(biāo)還有差距，乘用車燃料電池系統(tǒng)成本由于現(xiàn)有生產(chǎn)規(guī)模限制，未實(shí)現(xiàn)萬套級(jí)1500 元/kW 的要求。

系統(tǒng)關(guān)鍵零部件方面，已實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)與氫氣循環(huán)泵等系統(tǒng)主要部件的國(guó)產(chǎn)化，并處于配套及小批量應(yīng)用階段：

空壓機(jī)的主要類型有螺桿式、離心式和羅茨式，目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)商中80%以上選擇離心式空壓機(jī)作為其產(chǎn)品研發(fā)方向，而價(jià)格更低、更適合商用重卡應(yīng)用的羅茨式空壓機(jī)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上占據(jù)份額較大，2019 年出貨量占比超過50%。國(guó)產(chǎn)空壓機(jī)可滿足燃料電池汽車試運(yùn)營(yíng)階段的需求，但在可靠性和使用壽命上尚待有效驗(yàn)證。

氫氣循環(huán)泵方面，主要市場(chǎng)份額仍然被國(guó)外企業(yè)占據(jù)，國(guó)內(nèi)可實(shí)現(xiàn)小批量供貨，主要針對(duì)小功率級(jí)別的電堆，且產(chǎn)品的安全性、可靠性、系統(tǒng)適配性還待實(shí)車驗(yàn)證。除了傳統(tǒng)的氫氣循環(huán)泵技術(shù)方案，覆蓋全功率范圍工作的引射器也是供氫系統(tǒng)的未來重點(diǎn)發(fā)展方向之一，國(guó)內(nèi)已有以德燃動(dòng)力為代表的企業(yè)進(jìn)行了引射-回氫組件的研發(fā)與生產(chǎn)。

車載儲(chǔ)氫瓶方面，35MPa 儲(chǔ)氫瓶已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)批量化應(yīng)用，而由于標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)不夠完善、關(guān)鍵材料價(jià)格高昂、需求低迷等原因，國(guó)際上獲得批量生產(chǎn)實(shí)用的更具成本與性能優(yōu)勢(shì)的70MPa 儲(chǔ)氫瓶在國(guó)內(nèi)的研發(fā)較為落后。不過隨著國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的放開，針對(duì)70MPaⅣ型瓶的布局業(yè)已開展，70MPa儲(chǔ)氫瓶閥和減壓閥取得了突破性進(jìn)展，同時(shí)，以佛山市為例的一些地方政府發(fā)布的項(xiàng)目申報(bào)通知中也已明確提到，將資助企業(yè)突破70MPaIV型氫氣瓶的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)，促進(jìn)國(guó)產(chǎn)IV型氫氣瓶的研制。

2.下游：整車

目前我國(guó)燃料電池整車主要由客車和專用車主導(dǎo)，燃料電池乘用車的研發(fā)也開始起步。截至2019 年底，燃料電池汽車全球銷量達(dá)到25212 輛，我國(guó)銷量為6178 輛，位于全球第二，占比超過四分之一。2019 年，我國(guó)燃料電池汽車產(chǎn)銷分別為2833 輛和2737 輛，同比分別增長(zhǎng)85.5%和79.2%。2020 年上半年受疫情沖擊，我國(guó)燃料電池汽車產(chǎn)量為582 輛，較2019 年同期的1408 輛減少58.7%。車型方面，與2019 年相同，仍只產(chǎn)出客車及專用車，無乘用車，其中客車產(chǎn)量為549 輛，占據(jù)大部分比例。

在政策及規(guī)劃不斷支持的大背景下，我國(guó)燃料電池汽車商業(yè)化示范運(yùn)營(yíng)收獲頗豐。燃料電池汽車商業(yè)化的示范運(yùn)行已在北京、上海和廣州等36 個(gè)城市開展，全國(guó)累計(jì)推廣超過6500 輛燃料電池汽車，成為世界上運(yùn)營(yíng)燃料電池商用車最多的國(guó)家，國(guó)內(nèi)已形成華東、華南、京津冀以及華中四個(gè)區(qū)域性產(chǎn)業(yè)集群，覆蓋了氫氣的制取、儲(chǔ)運(yùn)及應(yīng)用等全產(chǎn)業(yè)鏈，并在發(fā)展燃料電池汽車的過程中摸索各自的商業(yè)應(yīng)用模式。其中，長(zhǎng)三角地區(qū)副產(chǎn)氫資源豐富，相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈基礎(chǔ)最為完善，是國(guó)內(nèi)燃料電池汽車運(yùn)營(yíng)數(shù)量最多的地區(qū)之一；廣東省對(duì)氫能源的政策支持力度大，佛山、云浮的氫能產(chǎn)業(yè)布局處于國(guó)內(nèi)前列；北京依托張家口冬奧會(huì)這一重大項(xiàng)目，高校以及科研單位，占據(jù)明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)；河南鄭州、湖北武漢也分別擁有宇通客車、武漢理工新能源等一批龍頭企業(yè)，發(fā)展空間廣闊。燃料電池客車技術(shù)方面，系統(tǒng)額定功率穩(wěn)步提升，40 ～60kW 的燃料電池客車占比從2018 年的12%提升至2020 年的78%，60 ～80kW 占比從2018 年的11%提升至2020年的22%。代表性企業(yè)有上汽大通、鄭州宇通、佛山飛馳、廈門金旅、上海申龍、云南五龍、中通客車等；燃料電池專用車方面，上海申龍、中通客車等企業(yè)在上海和深圳等地區(qū)實(shí)現(xiàn)了輕中型氫燃料物流車的商業(yè)化落地，東風(fēng)、江鈴、解放、大運(yùn)等9 家車企也在推出了牽引車、廂式物流車及環(huán)衛(wèi)車型。我國(guó)的燃料電池商用車采用電-電混合的技術(shù)路線，與國(guó)外相比續(xù)航里程及整車成本上具有一定優(yōu)勢(shì)，普遍達(dá)到500km，最高車速達(dá)到80km/h，可實(shí)現(xiàn)-30℃冷啟動(dòng)，但在燃料電池系統(tǒng)額定功率和整車耐久性方面與國(guó)外先進(jìn)水平還有差距，整車成本較高，商用車的壽命也尚未在實(shí)踐中得到準(zhǔn)確評(píng)估。

燃料電池乘用車領(lǐng)域，國(guó)外整車性能已能接近傳統(tǒng)汽車水平，以豐田Mirai、本田Clarity、現(xiàn)代Nexo為代表的車型已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)及銷售。國(guó)內(nèi)目前進(jìn)入發(fā)售階段的燃料電池乘用車有2016 年發(fā)布的燃料電池轎車上汽榮威950FCV，以及2020 年發(fā)布的國(guó)內(nèi)首款燃料電池MPV上汽大通MAXUSEUNIQ7。雖然實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的燃料電池乘用車型寥寥無幾，但國(guó)內(nèi)幾乎所有整車企業(yè)已經(jīng)在該領(lǐng)域有所布局，并取得了階段性成果。

二、總結(jié)與展望

現(xiàn)如今，我國(guó)已基本掌握了燃料電池整車設(shè)計(jì)、動(dòng)力系統(tǒng)與關(guān)鍵零部件的核心技術(shù)，基本建立了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、相對(duì)完整的燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈，但規(guī)模化生產(chǎn)水平仍略有滯后，總體技術(shù)水平與國(guó)外一流水準(zhǔn)差距尚存。相對(duì)高昂的制造成本、亟待攻關(guān)的核心技術(shù)、尚顯薄弱的基礎(chǔ)設(shè)施是制約我國(guó)燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)一步發(fā)展的主要瓶頸。

未來，在燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈的上游，光伏、風(fēng)電等可再生能源制氫將得到大力推廣，形成因地制宜、高效低碳的氫能生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)；氫能儲(chǔ)運(yùn)方面，發(fā)展45PMa 以上的高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫，開展長(zhǎng)距離液氫運(yùn)輸以及液氫加氫站應(yīng)用，逐漸向以液氫為主流的解決方案過渡；車載儲(chǔ)氫將以70MPaⅣ型瓶為主，從常溫向低溫、小容積向大容積發(fā)展，隨著碳纖維關(guān)鍵材料和高壓管閥件的國(guó)產(chǎn)化，車載儲(chǔ)氫成本將降低60%以上；加氫站的類型將逐漸多樣化、專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化，通過與地方政府的統(tǒng)籌規(guī)劃，央企與國(guó)企將牽頭帶領(lǐng)加氫站多點(diǎn)開花，形成更加完備的上游產(chǎn)業(yè)配套。

產(chǎn)業(yè)鏈中游，燃料電池電堆與關(guān)鍵材料方面，從性能提高與體積降低兩方面入手，燃料電池的功率密度將進(jìn)一步提高。從降低活化極化、歐姆極化和傳質(zhì)極化等切入，研究新型高穩(wěn)定、高活性的低Pt 或非Pt 催化劑，穩(wěn)定性及耐高溫性好的復(fù)合膜、堿性膜，機(jī)械性、加工性、導(dǎo)電性更優(yōu)的金屬及復(fù)合材料雙極板，改進(jìn)催化劑、膜、雙極板等關(guān)鍵材料的性能；同時(shí)降低極板等硬件的厚度，提高集成度等。燃料電池系統(tǒng)方面，零部件高度集成化、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化將成為趨勢(shì)，高度智能化的大功率高性能燃料電池系統(tǒng)成為主流。此外，規(guī)模化生產(chǎn)工藝將促進(jìn)燃料電池制造成本的進(jìn)一步降低。

下游燃料電池整車領(lǐng)域，將朝著高動(dòng)力、長(zhǎng)續(xù)航和系統(tǒng)高度集成化的目標(biāo)發(fā)展，商用車作為整個(gè)燃料電池行業(yè)的突破口，在原有車型的基礎(chǔ)上，推廣車型將向載重大、距離長(zhǎng)的中重卡傾斜，燃料電池汽車的應(yīng)用場(chǎng)景將被不斷拓寬，在長(zhǎng)途客運(yùn)、牽引車及港口拖車等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)全面推廣，進(jìn)而帶動(dòng)乘用車的示范性運(yùn)營(yíng)或分時(shí)租賃，促進(jìn)降本及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，推動(dòng)燃料電池技術(shù)向私人消費(fèi)領(lǐng)域深入的進(jìn)程。

在行之有效的能源管理規(guī)范、中央及各地政府的政策扶持、產(chǎn)學(xué)研一體化的科學(xué)模式、群策群力的技術(shù)攻關(guān)氛圍、完善的測(cè)試評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)體系的保駕護(hù)航之下，燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)方興未艾，圓滿完成我國(guó)《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中提出的關(guān)于燃料電池汽車“2025 年十萬輛的應(yīng)用規(guī)模、2030 年百萬輛的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用”的既定目標(biāo)，指日可待。