李志強(qiáng)，王 侃，王會(huì)杰

（西華大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，四川 成都 610039）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車的普及率和保有量在顯著提升，2020年全國(guó)汽車保有量達(dá)到3.72億輛，汽車產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了黃金時(shí)代，但是化石燃料匱乏危機(jī)、全球氣候變暖和環(huán)境污染等問題也日趨嚴(yán)重。因此，大力發(fā)展新能源汽車，成為我國(guó)保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源的主要措施[1-2]。氫燃料電池汽車具有零污染、零排放、高效率、續(xù)航里程長(zhǎng)、加氫時(shí)間短、低溫啟動(dòng)性好等優(yōu)點(diǎn)，被公認(rèn)為21世紀(jì)最有潛力的新能源清潔動(dòng)力汽車，特別是能夠彌補(bǔ)我國(guó)純電動(dòng)汽車的不足，是我國(guó)新能源汽車“三縱三橫”研究布局的重要環(huán)節(jié)[3-4]。但是目前我國(guó)氫燃料汽車產(chǎn)業(yè)還存在電池成本高、加氫站少、制氫困難等問題，對(duì)氫燃料電池汽車發(fā)展帶來巨大沖擊[5]，本文將結(jié)合目前一些急需解決的問題，為氫燃料電池汽車提出一些具有時(shí)效性的發(fā)展策略。

1 燃料電池概述

氫燃料電池作為氫燃料電池汽車的核心，通過電化學(xué)反應(yīng)把燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置[6]。如圖1所示，氫燃料電池工作原理是將氫氣和氧氣分別供給電池內(nèi)部的陽(yáng)極和陰極，氫氣通過陽(yáng)極在催生劑的作用下生成一個(gè)帶正電荷的氫離子和一個(gè)帶負(fù)電荷的電子，氫離子透過電解質(zhì)到達(dá)陰極并且與氧氣結(jié)合生成水，而陽(yáng)極中的電子只能通過外部電路到達(dá)陰極形成回路，最終產(chǎn)生電流[7]。氫燃料種類繁多，通常按照電解質(zhì)的不同分為堿性燃料電池、磷酸型燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池和固體氧化物燃料電池[8]。目前，在市場(chǎng)上使用率較大的是以質(zhì)子交換膜作為核心材料的燃料電池，主要原因是由于質(zhì)子交換膜室溫下啟動(dòng)速度快，無電解質(zhì)流失，且具有較高的比功率與比能量[9-10]。

圖1 氫燃料電池的工作原理

2 氫燃料電池汽車的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 氫燃料電池汽車市場(chǎng)現(xiàn)狀

氫燃料電池汽車作為新一代的新能源汽車，對(duì)汽車產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整起著主導(dǎo)性作用。自從2015年以來，我國(guó)氫燃料汽車呈現(xiàn)不斷上升的趨勢(shì)，在2019年我國(guó)氫燃料汽車產(chǎn)量達(dá)到3 018輛，而在2020年期間，全球受世界衛(wèi)生事件的嚴(yán)重影響，以及政府的補(bǔ)貼力度減弱，氫燃料電池汽車受到嚴(yán)重的沖擊，總產(chǎn)量只有1 199輛。根據(jù)中國(guó)燃料電池汽車市場(chǎng)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)分析，如圖2所示，2015年氫燃料電池汽車產(chǎn)量10輛，2016年氫燃料電池628輛，2017年氫燃料電池汽車1 272輛，2018年氫燃料電池汽車1 612輛，2019年氫燃料電池汽車3 018年，2020年氫燃料電池汽車1 199輛。

圖2 2015—2020年氫燃料電池汽車產(chǎn)量

我國(guó)氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中，氫燃料電池客車的產(chǎn)量占比逐年升高。如圖3所示，2016年氫燃料客車28輛，2017年氫燃料電池客車189輛，2018年氫燃料電池客車710輛，2019年氫燃料電池客車1 340輛，2020年氫燃料電池客車549輛。目前，氫燃料電池客車生產(chǎn)主要集中在上汽大通、宇通客車、飛馳汽車、廈門金旅和申龍客車這五家客車企業(yè)[11]。隨著市場(chǎng)的擴(kuò)大，我國(guó)未來幾年的氫燃料電池汽車仍然有巨大前景。

圖3 2016—2020年氫燃料電池客車產(chǎn)量

2.2 氫燃料電池汽車行業(yè)政策

目前我國(guó)政府對(duì)于氫燃料電池汽車的發(fā)展相當(dāng)重視。2016年12月，國(guó)務(wù)院發(fā)布了《“十三五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》提到推進(jìn)燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)化。2018年四部委發(fā)布了《關(guān)于調(diào)整完善新能源汽車推廣應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)貼政策的通知》改善了燃料電池汽車的補(bǔ)貼技術(shù)要求，2019年四部委發(fā)布了《關(guān)于進(jìn)一步完善新能源汽車推廣應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)貼政策的通知》。2020年頒布了《中華人民共和國(guó)能源法征求意見稿》進(jìn)一步鼓勵(lì)大力發(fā)展氫燃料汽車，2020年4月30日頒布了《關(guān)于完善新能源汽車推廣應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)貼政策的通知》，財(cái)政部進(jìn)一步明確“以獎(jiǎng)代補(bǔ)、擇優(yōu)支持”的思路，如表1所示到2025年，我國(guó)要求實(shí)現(xiàn)10萬(wàn)輛氫燃料電池汽車的規(guī)模[12]。這些政策都將有力推動(dòng)氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展。

表1 氫燃料電池汽車行業(yè)政策

3 國(guó)內(nèi)氫燃料電池汽車發(fā)展中存在的問題

3.1 氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈不完善

我國(guó)氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈較長(zhǎng)，主要包括兩大部分，第一部分是氫燃料電池系統(tǒng)及關(guān)鍵部件，第二部分是整車生產(chǎn)。與傳統(tǒng)汽車相比較，增加了氫燃料系統(tǒng)和車載供氫系統(tǒng)，目前受到國(guó)內(nèi)工業(yè)水平的影響，在實(shí)際生產(chǎn)中，核心部件和關(guān)鍵基礎(chǔ)材料仍然依賴進(jìn)口[13]。而產(chǎn)業(yè)鏈所涉及的主要零部件包括高壓儲(chǔ)氫瓶、減壓閥、氫氣循環(huán)泵、空氣壓縮機(jī)、DCDC轉(zhuǎn)化器、水泵、散熱器、各種控制器等，其中主要的核心零部件包括氫氣循環(huán)泵、空壓機(jī)、增濕器、質(zhì)子交換膜，核心部件目前主要依托于國(guó)外供應(yīng)商，國(guó)內(nèi)許多龍頭企業(yè)發(fā)揮的產(chǎn)業(yè)鏈的帶頭作用還不足，氫燃料電池系統(tǒng)中的核心技術(shù)嚴(yán)重缺失，給未來發(fā)展氫燃料電池汽車帶來一定的影響[14-15]。

3.2 燃料電池生產(chǎn)成本較高

氫燃料電池系統(tǒng)占據(jù)整車成本的50%，氫燃料電池（電堆）占據(jù)了氫燃料電池系統(tǒng)成本的60%，而造成氫燃料電池成本高的原因有兩點(diǎn)，第一，氫燃料電池結(jié)構(gòu)比較特殊；第二，電池的制造材料價(jià)格昂貴[16]，其中電堆中雙極板、催化劑、質(zhì)子交換膜、碳紙等材料是氫燃料電池的主要成本，其核心材料包括鉑催化劑、電解質(zhì)膜和雙極板[17]；氫燃料電池都是使用鉑作為催化劑，該金屬成本較高；且由于氫燃料電池中的電解質(zhì)膜具有很好的氧化和還原穩(wěn)定性，所以電解質(zhì)膜的價(jià)格也較貴；燃料電池中的雙極板主要是石墨烯材料，其加工成本大。

3.3 氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)相對(duì)落后

目前，我國(guó)儲(chǔ)氫技術(shù)還不夠成熟，氫氣儲(chǔ)存的安全性、氫氣濃度、成本等問題是影響氫燃料電池發(fā)展的核心。目前常用的儲(chǔ)氫技術(shù)包括物理儲(chǔ)氫、化學(xué)儲(chǔ)氫、其他儲(chǔ)氫。物理儲(chǔ)氫雖然成本低，但是安全性較差；化學(xué)儲(chǔ)氫雖然安全性較高，但是放氫較難，且濃度較低；其他儲(chǔ)氫也存在安全性高，但儲(chǔ)氫濃度低的問題。

隨著氫燃料電池汽車的發(fā)展，加氫站的建設(shè)是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)之一。目前國(guó)內(nèi)建設(shè)一座加氫站需要消耗200美元～250美元，成本較高。近年來，隨著政策的支持，加氫站也在不斷增加，截至2020年12月底，我國(guó)建設(shè)了118座加氫站。如圖4所示，加氫站的數(shù)量也在不斷的增加，2018年，全國(guó)加氫站369座，2019年，全國(guó)加氫站432座，2020年，全國(guó)加氫站553座。但是從全國(guó)范圍來看，全國(guó)的加氫站的數(shù)量依然較少。

圖4 2018—2020年全國(guó)加氫站數(shù)量

4 氫燃料電池汽車發(fā)展的策略

4.1 加強(qiáng)完善氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈

氫燃料電池汽車要實(shí)現(xiàn)快速的發(fā)展，必須把核心部件的技術(shù)掌握在自己手中，才能夠更好地發(fā)展氫燃料電池汽車。首先，從國(guó)家政策導(dǎo)向出發(fā)，國(guó)家對(duì)燃料電池產(chǎn)業(yè)扶持的重心必須向上游關(guān)鍵材料及零部件轉(zhuǎn)移，陸續(xù)出臺(tái)一系列產(chǎn)業(yè)鏈培育、技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新、重大技術(shù)攻關(guān)等政策，才能使氫燃料電池汽車的產(chǎn)業(yè)鏈具有核心競(jìng)爭(zhēng)力[18]。其次，要加強(qiáng)氫燃料電池中各個(gè)零部件制作的國(guó)產(chǎn)化和技術(shù)水平，提升各個(gè)核心部件和系統(tǒng)的研發(fā)，從而形成封閉的產(chǎn)業(yè)鏈，促進(jìn)氫燃料電池汽車的發(fā)展。最后，要加強(qiáng)系統(tǒng)制造商和整車企業(yè)的研發(fā)，建立產(chǎn)學(xué)研聯(lián)盟，促進(jìn)技術(shù)的研發(fā)[19]。

4.2 加強(qiáng)研發(fā)投入，降低電池生產(chǎn)成本

目前，對(duì)于氫燃料電池汽車電池的制造材料價(jià)格昂貴等一系列問題。首先，要實(shí)施財(cái)政政策、金融政策、產(chǎn)業(yè)組織政策和企業(yè)幫扶政策等相關(guān)政策，加強(qiáng)龍頭企業(yè)建設(shè)、加大人才培養(yǎng)和引進(jìn)力度，有效地加快企業(yè)的自主研發(fā)能力。其次，企業(yè)要不斷突破制造材料昂貴、稀缺的瓶頸，自主研發(fā)具有低成本、高穩(wěn)定的新材料，例如：可以用其他材料代替雙極板所使用的石墨烯材料，實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，降低電池生產(chǎn)成本[20]。最后，要實(shí)現(xiàn)電池技術(shù)的技術(shù)突破離不開專業(yè)人才，因此，要建設(shè)一支穩(wěn)定的專業(yè)人才隊(duì)伍，推進(jìn)電池核心技術(shù)的突破。

4.3 加強(qiáng)政策引領(lǐng)，促進(jìn)氫能基礎(chǔ)設(shè)施完善

目前，我國(guó)儲(chǔ)氫技術(shù)相對(duì)比較落后，面對(duì)氫氣具有易燃、易爆、易泄露的特性，要不斷提高各類儲(chǔ)氫技術(shù)的效率，降低儲(chǔ)氫過程中的成本，提高安全性[21]。面對(duì)我國(guó)氫燃能基礎(chǔ)設(shè)施相對(duì)落后、加氫站較少的問題。首先，堅(jiān)持市場(chǎng)主導(dǎo)與政策驅(qū)動(dòng)并行，逐步建立科學(xué)合理的產(chǎn)業(yè)補(bǔ)貼政策，將加氫站納入國(guó)家重點(diǎn)扶持的公共基礎(chǔ)設(shè)施[22]。最后，要推進(jìn)加氫站基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，完善加氫站建設(shè)的相關(guān)政策，細(xì)化更新各類標(biāo)準(zhǔn)，完善建設(shè)過程中的各種審批流程，降低審批難度，提升建設(shè)效率[23]。

5 結(jié)論

本文對(duì)我國(guó)氫燃料電池汽車市場(chǎng)現(xiàn)狀和行業(yè)政策進(jìn)行了概述，并分析了我國(guó)氫燃料電池汽車發(fā)展中存在的問題，提出了加強(qiáng)完善氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈、加強(qiáng)研發(fā)投入，降低電池生產(chǎn)成本、加強(qiáng)政策引領(lǐng)，促進(jìn)氫能基礎(chǔ)設(shè)施完善等發(fā)展策略，為氫能源汽車進(jìn)一步發(fā)展提出了可行的建議。該研究成果為我國(guó)氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到了參考作用，同時(shí)也對(duì)汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)起到導(dǎo)向作用。