中國氫燃料電池汽車產業(yè)研究現(xiàn)狀及展望

＊方雨豪 程潔 劉書杰 陳剛 黃丹 沈顯波

（1.浙江物產環(huán)保能源股份有限公司 浙江 310000 2.九江學院 江西 332000 3.杭州三花微通道換熱器有限公司 浙江 310000）

隨著社會經濟的發(fā)展，能源與環(huán)境問題日益凸顯，化石燃料的消耗、溫室氣體的排放造成全球變暖、冰川融化和海平面上升，這不斷地威脅人類賴以生存的環(huán)境。2021年“兩會”期間，我國將“碳達峰”“碳中和”上升成為國家重要戰(zhàn)略，致力于2030年之前實現(xiàn)二氧化碳排放峰值，力爭在2060年之前達到碳中和。對于中國來說，實現(xiàn)“碳達峰”“碳中和”的“3060”目標時間緊、任務重，國家應大力著手發(fā)展可再生的新能源產業(yè)。其中，氫能源被視為全球最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉粗?，其零排放、零污染的特點是世界公認的“終極新能源汽車解決方案”。隨著政策支持力度的不斷加大，以及氫燃料電池汽車相關基礎材料、關鍵零部件等核心技術不斷取得攻關與發(fā)展，氫能源汽車在未來市場將占據(jù)更大份額，具有廣闊的前景。相關專家預測，2030年我國氫能源汽車產業(yè)將達到萬億元產值[1]。然而，當前我國氫燃料電池汽車仍處于發(fā)展初期階段，要想實現(xiàn)產業(yè)化應用還需繼續(xù)努力[5]。下文從氫氣制取、氫燃料電池概述、國家及地方政府相關政策等方面對我國氫燃料電池汽車產業(yè)發(fā)展的最新動態(tài)進行綜述，并通過對發(fā)展氫燃料電池汽車產業(yè)的風險與機會進行簡要分析，為其進一步的發(fā)展提供參考。

1.氫氣制取

目前，我國制氫的主要方式有煤制氫、天然氣制氫、石油產品轉化制氫、甲醇裂解制氫、工業(yè)副產制氫和電解水制氫等途徑[2-3]。針對我國氫氣制取方式，從產能占比、制氫成本、二氧化碳排放量和技術特點等方面進行統(tǒng)計，具體結果見表1。

表1 不同制氫技術對比

產能占比約84%來自化石能源（煤、天然氣、石油產品）制氫，該技術相對成熟、成本較低，但具有高碳排、不可循環(huán)和不可持續(xù)性，且氫產物中往往伴隨有一氧化碳等其他雜質氣體，不符合低碳清潔的綠色氫能要求；甲醇裂解制氫在成本和碳排放方面都比較高，不符合經濟社會和“雙碳”戰(zhàn)略目標發(fā)展要求；工業(yè)副產氫氣純化制取高純氫氣，技術比較成熟，成本較低、零碳排，幾乎無需額外資本及化石能源的投入，既節(jié)約成本，又實現(xiàn)對工業(yè)廢氣的處理和回收利用，可作為我國現(xiàn)階段氫燃料電池汽車用氫來源的短中期發(fā)展目標。就長期而言，我國可再生能源發(fā)電產業(yè)的結構優(yōu)化，在成本和規(guī)模效應推動下，當以風電、光伏等可再生能源發(fā)電電解水制氫為長期發(fā)展目標。

2.氫燃料電池概述

就氫能源的應用而言，需要從生產端到消費端的全價值鏈來考量，氫氣的“制、儲、運、用”四個環(huán)節(jié)缺一不可，其中“用”將起到關鍵性的作用。氫燃料電池汽車是氫能發(fā)展的重要方向，被認為是長期發(fā)展中最具潛力替代傳統(tǒng)內燃機汽車和鋰離子電動汽車的最佳選擇之一。

氫燃料電池是一項主要用來發(fā)電的裝置，它依據(jù)電解水的逆反應，直接把氫氣和氧氣的化學能向電能轉換。向陽極和陰極合理配置氫氣和氧氣，氫氣在陽極被氧化成質子并放出電子，質子通過電解質向陰極蔓延，與陰極的氧離子反應后產生水，放出的電子依托外部的負載通往陰極，內外電路形成閉合回路，實現(xiàn)將化學能直接向電能的轉換[4]。

氫燃料電池與普通電池（蓄電池、干電池）的主要區(qū)別在于：普通電池是一種儲能裝置，是將電能儲存起來，需要工作時再將電能釋放出來；而氫燃料電池猶如火力發(fā)電廠，確切地說它是一種發(fā)電裝置，是將氫氣等化學能直接轉換成電能的一種電化學發(fā)電裝置。另外，氫燃料電池的電極需要用孔道結構良好的特質材料制成。這是氫燃料電池的一項核心技術，它不僅要為電解質和氣體提供較大的比表面，還要為整個氫燃料電池的電化學反應起催化作用。

通過電化學反應，氫燃料電池只會產生水和熱，因此在環(huán)境方面氫燃料電池汽車可以做到零污染。如果氫氣是通過風能或光伏等可再生能源發(fā)電再電解水產生的，那么氫氣作為氫燃料電池的能源載體，其整個循環(huán)過程完全不會排放有毒有害氣體，完全符合節(jié)能減排的目標。

就像固定清潔電源最終是風光水電一樣已被人所共識，交通工具動力系統(tǒng)終極供能是氫能源。就世界范圍來看，氫能源的專利和技術主要集中在日本。我國氫能的市場占比幾乎為0，而鋰電池能源已經占據(jù)全球40%以上份額。我國方案完美證明了市場比技術更重要，即使有技術而缺乏市場體量，再好的技術也難以大面積推廣。預計氫能源的應用不會落后鋰電池能源太多，它終究要趕上并超過鋰電池，這只是時間問題。排除制造成本和技術的成熟度，氫能源比高污染低能量密度的鋰電池好很多[5]。

3.國內氫燃料電池汽車產業(yè)發(fā)展規(guī)劃

2021年是“十四五”開局之年，當前多個地區(qū)紛紛把氫燃料電池汽車發(fā)展列入“十四五”規(guī)劃。8月為氫燃料電池車相關政策密集發(fā)布的月份。8月12日，上海出臺了《中國（上海）自由貿易試驗區(qū)臨港新片區(qū)發(fā)展“十四五”規(guī)劃》，提出自貿區(qū)臨港新片區(qū)將重點圍繞氫能產業(yè)，加強國際產業(yè)轉移和技術合作，在儲氫、制氫、加氫等技術方面實現(xiàn)突破；重點推動氫能汽車示范應用，探索氫能物流、氫能大巴、氫能重卡等典型應用示范；建立氫能及燃料電池產業(yè)體系，適時布局氫能汽車整車制造。

據(jù)《上海市綜合交通發(fā)展“十四五”規(guī)劃》征求意見稿，上海市計劃在“十四五”期間大力發(fā)展氫燃料電池汽車示范應用，氫燃料電池汽車應用總量達上萬輛。通過《北京市氫能產業(yè)發(fā)展實施方案（2021—2025年）》，北京市2023年前力爭建成37座加氫站，推廣燃料電池汽車3000輛；2025年前，京津冀區(qū)域致力于建造加氫站37座，成功推廣上萬輛燃料電池汽車應用，累計實現(xiàn)氫能產業(yè)鏈產業(yè)規(guī)模達1000億元以上。8月9日，《廣東省制造業(yè)高質量發(fā)展“十四五”規(guī)劃》提出，廣東省將加速建設制氫加氫基礎設施，明確到2025年制氫規(guī)模約8萬噸，氫燃料電池約500萬千瓦，建成加氫站約300座。山東省發(fā)布《山東省能源發(fā)展“十四五”規(guī)劃》，明確到2025年，山東省內加氫站數(shù)量達到100座，實現(xiàn)產值規(guī)模1000億元。浙江省發(fā)展改革委于11月24日出臺了《浙江省加快培育氫燃料電池汽車產業(yè)發(fā)展實施方案》。到2025年，浙江省氫燃料電池汽車產業(yè)生態(tài)將成型，計劃建設50余座加氫站，把氫燃料電池汽車大規(guī)模投放于港口、公交和城際物流等區(qū)域。此外，江蘇、天津、河北、重慶、遼寧、山西、廣西、鄭州、深圳等地也在各自的“十四五”規(guī)劃中對氫燃料電池車的中長期發(fā)展進行了整體部署。

綜上所述，目前我國多個省市已出臺相關地方政策，力求積極推廣氫燃料電池汽車產業(yè)，氫燃料電池汽車在未來市場份額中有望取得很好的成績。

4.發(fā)展氫燃料電池汽車產業(yè)存在的風險與機會

(1)發(fā)展氫燃料電池汽車產業(yè)存在的風險

當前，我國氫燃料電池汽車產業(yè)發(fā)展初具條件，但仍存在諸多因素制約。

①政策體系與專項規(guī)劃尚未明晰

盡管氫燃料電池汽車產業(yè)的發(fā)展在頂層設計上獲得了國家的認可，然而其政策體系與專項規(guī)劃過于模糊，產業(yè)發(fā)展的重點、目標和未來方向還待明確。有關主管部門將氫氣依舊列為危險化學品管理，對氫能源意識較為薄弱，加氫站建設審批具有較大難度，對氫燃料電池汽車產業(yè)的發(fā)展形成較大約束。

②加氫基礎設施建設不足

國內氫燃料電池汽車產業(yè)發(fā)展受限的一個重要因素是加氫基礎設施建設不足。目前，我國氫燃料電池汽車產業(yè)處于發(fā)展初期，燃料電池汽車運營數(shù)量不多。建設運維加氫站也難以引發(fā)規(guī)模經濟效應，把成本壓到最低，導致建設運營幾乎無法營利，國產加氫設備產業(yè)化應用能力微弱、創(chuàng)新模式少、成本高昂。

氫燃料電池汽車能否得到有效應用與推廣，基礎設施建設起到決定性作用。據(jù)新能源汽車行業(yè)專家預判，為使我國大多數(shù)城市需求得以滿足，國家需在2030年之前建成1400余座加氫站[6]。據(jù)“十四五”氫能產業(yè)發(fā)展論壇報導：截至2020年底，全球約有544座加氫站，我國有128座加氫站，主要設立于廣東、江蘇、北京和上海等省市。這些加氫站主要為示范型加氫站或為示范型燃料電池汽車提供加氫服務，還不具備商業(yè)化運營的條件。

③核心技術與關鍵材料尚未國產化

最近幾年，為推動氫燃料電池汽車產業(yè)快速發(fā)展，我國先后頒發(fā)了多項支持鼓勵政策。然而，其關鍵性零部件還是以進口為主，氫燃料電池的關鍵材料如炭紙、質子交換膜、催化劑等多未實現(xiàn)國產化；關鍵組件的制造工藝尚需提升，空壓機、氫氣循環(huán)泵、膜電極、雙極板等部件與國外工藝還存在一定差距。

④缺乏商業(yè)化推廣模式

目前，氫燃料電池汽車缺乏商業(yè)化推廣模式的主要原因是其全產業(yè)鏈生產制造成本高。從氫氣制、儲、運、用四個環(huán)節(jié)看，目前技術還不是很成熟，可再生能源制氫技術不夠完善，壓縮機和高壓儲罐設備費用較高、燃料電池電堆和膜電極組件成本較高，影響燃料電池汽車產業(yè)的發(fā)展速度，距離大規(guī)模商業(yè)化應用還有很大差距。

(2)發(fā)展氫燃料電池汽車產業(yè)存在的市場機會

氫氣作為一種高效、綠色的清潔能源，已成為全球多個國家選擇的終極能源發(fā)展目標。一方面，發(fā)展氫燃料電池汽車產業(yè)將帶動本國產業(yè)應用升級，是推動氫能源綜合利用的有效途徑；另一方面，發(fā)展氫燃料電池汽車產業(yè)可有效提升國際層面綠色競爭力。

在全球汽車市場逐步萎縮的情況下，傳統(tǒng)燃油車產銷量快速下滑，新能源汽車市場卻能呈現(xiàn)快速發(fā)展之態(tài)勢，表明人們的生活消費習慣正在發(fā)生變化，從而為氫燃料電池汽車產業(yè)的發(fā)展堅定基石。為推動氫能和氫燃料電池汽車產業(yè)快速發(fā)展，專家建議政府主管部門應加大氫能產業(yè)補貼，高效、及時地執(zhí)行政策落實到位，從而使綠色清潔的氫能及燃料電池汽車產業(yè)成本低于傳統(tǒng)能源成本。隨著可量產的氫能和氫燃料電池汽車應用端的不斷涌現(xiàn)，氫燃料電池汽車產業(yè)有望迎來加速發(fā)展。

從市場前景來看，在供給方面，氫能在全球未來的能源供給體系中約占18%，在我國未來終端能源體系中約占10%，氫能供給結構將以可再生能源屬性為主的清潔氫逐步替代化石能源時期的高碳氫。在需求方面，我國規(guī)劃到2025年，燃料電池汽車保有量達到10萬輛；到2035年，燃料電池車將達到130萬輛，下游相關產品的市場也將打開。截止2050年，氫氣需求量將遞增至近6000萬噸，占據(jù)我國終端能源體系10%以上的份額。截止2060年，國內氫氣需求量將上漲到1.3億噸左右，占據(jù)我國終端能源體系近20%的份額。因此，氫能源搭載的交通工具將成為人們低碳出行的的重要方式，未來氫燃料電池汽車產業(yè)將迎來重大發(fā)展機遇。

5.發(fā)展氫燃料電池汽車產業(yè)展望

日前，國內自主研發(fā)的150kW車用金屬板燃料電池模塊順利通過國家機動車產品質量檢驗檢測中心強檢，可應用于大型公交車、重卡、物流車等。同時30～50kW石墨板電堆已具備批量化生產，模塊化集成能力。該技術涵蓋膜電極、催化劑的制備，電堆的設計制造，系統(tǒng)集成與控制等全套相關技術，并開發(fā)出了多款燃料電池系統(tǒng)和核心零部件產品。未來，將持續(xù)開展研發(fā)，做好氫燃料電池汽車前沿技術儲備工作，在交通運輸、分布發(fā)電等領域實現(xiàn)穩(wěn)定示范。

縱觀中國新能源市場發(fā)展歷程，從內燃機走到鋰電、燃料電池，大趨勢決定了戰(zhàn)略路徑。對于企業(yè)來說，只有踏準時代節(jié)奏，方能在未來市場中有所作為。

6.結語

未來五年，是全球科技革命和產業(yè)變革的加速期，也是構建國內和國際雙循環(huán)發(fā)展新格局，實現(xiàn)氫燃料電池汽車完全市場化的攻堅期。把握氫燃料電池汽車產業(yè)發(fā)展新階段，貫徹綠色發(fā)展新理念，抓住產業(yè)變革新機遇，提升科技創(chuàng)新的新動能，需要整個產業(yè)科學謀劃、主動作為，需要政校企合作、同心協(xié)力構建“十四五”新能源汽車發(fā)展新格局。