柴茂榮

國家電投集團首席科學(xué)家

國家電投集團氫能科技發(fā)展有限公司首席技術(shù)官

目前，我國氫能汽車合理的發(fā)展途徑是以商用車的發(fā)展帶動氫燃料電池技術(shù)提升，促進燃料電池成本下降和加氫設(shè)施網(wǎng)絡(luò)健全，從而帶動氫燃料電池乘用車的發(fā)展。2030年以后，氫能汽車將進入全面推廣期，乘用車和商用車并行發(fā)展。

氫能是一種來源豐富、綠色低碳、應(yīng)用廣泛的二次能源，被廣泛應(yīng)用于交通、能源、工業(yè)等領(lǐng)域。“雙碳”目標下，發(fā)展氫能已上升為國家戰(zhàn)略。2022年，國家發(fā)展改革委、國家能源局聯(lián)合印發(fā)了《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021-2035年）》，提出有序推進氫能交通領(lǐng)域示范應(yīng)用。2024年《政府工作報告》指出要加快氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

交通作為氫能應(yīng)用推廣的先導(dǎo)領(lǐng)域，對于氫能的發(fā)展意義重大。山東省率先對氫能源車出臺了新政策，從今年3月1日起對安裝了ETC套裝設(shè)備的氫能車輛免收高速公路通行費。近年來，借助國家燃料電池汽車示范項目在五大城市群、41個城市的深入實施，我國氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)取得了顯著進展。

我國氫能汽車發(fā)展現(xiàn)狀分析

1.我國優(yōu)先發(fā)展氫能商用車

近年來，我國氫能汽車市場快速發(fā)展，截至2023年底保有量已達1.3萬輛，主要面向大巴車、冷藏車、快遞車、礦卡、重載貨運等商用場景開展應(yīng)用。美國、日本、韓國主推的是氫燃料電池乘用車（見表），我國氫能乘用車的商業(yè)化運營剛剛起步，主要有三點原因：一是我國燃料電池技術(shù)尚不成熟，現(xiàn)階段開發(fā)的電堆和系統(tǒng)的功率，快速響應(yīng)和耐久等性能難以滿足乘用車全功率燃料電池運行要求；二是與燃油車相比氫能汽車價格偏高；三是加氫站等配套設(shè)施不完善，大多數(shù)城市沒有加氫站或者即便建有加氫站但沒有氫氣來源。與乘用車相比，商用車運營路線較固定，只需少量的加氫站就能滿足需求。因此，目前合理的發(fā)展途徑是以商用車的發(fā)展帶動氫燃料電池技術(shù)提升，促進燃料電池成本下降和加氫設(shè)施網(wǎng)絡(luò)健全，從而帶動氫燃料電池乘用車的發(fā)展。

2.現(xiàn)階段氫能汽車動力匹配從增程式到電電混合過渡

氫能汽車中的氫內(nèi)燃機汽車是以內(nèi)燃機燃燒氫氣產(chǎn)生動力推動汽車。氫燃料電池車是使氫或含氫物質(zhì)與空氣中的氧在燃料電池中反應(yīng)產(chǎn)生電力推動電動機，由電動機推動車輛。目前氫能整車動力架構(gòu)主要有增程式、混合動力、全功率三種構(gòu)型。

資料來源：EXPO東京氫能燃料電池展

增程式動力架構(gòu)由大于20kWh（千瓦時）的動力電池和小于30kW（千瓦）的燃料電池系統(tǒng)組成。該車型通常由動力電池驅(qū)動電機，燃料電池給動力電池充電的充電寶模式，燃料電池工作模式為啟動/停止。

電電混合動力架構(gòu)由大功率燃料電池和小容量動力電池組成，即以燃料電池為主，以動力電池為輔。燃料電池系統(tǒng)功率一般為30～80kW，動力電池為10kWh左右。燃料電池提供穩(wěn)定功率驅(qū)動電機，當處于爬坡、加速工況時，由動力電池承擔動態(tài)變載。燃料電池處于固定幾種功率工作模式。

全功率動力架構(gòu)由燃料電池和更小的動力電池組成。乘用車燃料電池功率一般大于80kW，商用車燃料電池功率一般大于200kW，動力電池則小于5kWh。燃料電池用于驅(qū)動電機，動力電池用于輔助車輛啟動、制動能量回收、快速變載等工況，燃料電池處于響應(yīng)電機需求的工作模式。

目前，我國氫能汽車動力架構(gòu)處于從增程式到電電混合過渡階段。未來，氫能汽車動力架構(gòu)中燃料電池驅(qū)動功率占比逐步增大，燃料電池系統(tǒng)向大功率、單堆集成、更高運行溫度、較高運行壓力、無加濕的技術(shù)方向發(fā)展，動力系統(tǒng)控制技術(shù)在向精細化水熱管理及綜合能量管理發(fā)展。

國內(nèi)外氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)存在的問題

1.全球氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)存在的共性問題

迄今為止，氫能汽車技術(shù)和規(guī)模有了突飛猛進的發(fā)展，但全球氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)在技術(shù)、成本、基礎(chǔ)設(shè)施、技術(shù)標準和政策方面存在的共性問題，亟須協(xié)同解決。

一是關(guān)鍵技術(shù)性能指標有待提升。氫燃料電池系統(tǒng)體積功率密度、壽命、低溫啟動、儲氫方式、制氫效率等技術(shù)還有很大提升空間；燃料電池發(fā)電特點與汽車動力系統(tǒng)頻繁啟動、功率密度變化大、環(huán)境惡劣等特點沖突的問題有待解決；基于燃料電池特點和汽車運行工況的配件及系統(tǒng)的高性能、高可靠性、長壽命的燃料電池組件或模板有待開發(fā)。

二是燃料電池系統(tǒng)成本高。保證安全性和效率的前提下降低成本，是全球氫能汽車的目標。

三是氫能產(chǎn)業(yè)成本高，基礎(chǔ)配套設(shè)施發(fā)展滯后。全球范圍的氫能產(chǎn)業(yè)鏈“制氫-運氫-儲氫-用氫”的配套設(shè)施還不夠完善，目前全球加氫站的規(guī)模遠不足以支撐燃料電池汽車行業(yè)的大規(guī)模發(fā)展；低成本、高安全性的全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)還未發(fā)生根本性突破，氫能相關(guān)的建設(shè)和運行必須依靠政府的財政補貼，投入高、維護成本高、資金回收慢，無法實現(xiàn)自我盈利；未從氫能產(chǎn)業(yè)鏈的每個環(huán)節(jié)都深入研究和分析，從全生命周期的氫能利用整體效益進行評價和控制。

四是行業(yè)標準、全球性行業(yè)發(fā)展政策不統(tǒng)一?；诮?jīng)濟型、安全性、環(huán)境保護為前提的統(tǒng)一標準、法律法規(guī)，適用于燃料電池相關(guān)的標準、法律法規(guī)，碳排放有關(guān)的計算標準、制約方法及規(guī)定等有待統(tǒng)一。

2.我國氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)存在的問題

在全球共性問題基礎(chǔ)上，我國氫燃料電池還存在缺乏頂層產(chǎn)業(yè)規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)鏈的自主化問題亟待解決。

一是技術(shù)上發(fā)展起步晚，技術(shù)薄弱，技術(shù)生態(tài)差，沒有形成氫能供應(yīng)鏈和氫能應(yīng)用端的有效銜接。只在制氫端發(fā)力，而對氫氣供應(yīng)最重要環(huán)節(jié)的氫氣提純、壓縮、儲氫瓶、加氫站等和應(yīng)用端銜接的領(lǐng)域投資偏少。在燃料電池方面，我國與世界先進國家相比，工程化技術(shù)不足、整車技術(shù)積累相對薄弱；從整車層面對系統(tǒng)及輔助部件的投入較少，整車動力系統(tǒng)匹配、集成與控制、高功率燃料電池發(fā)動機等處于研發(fā)階段，發(fā)動機可靠性、穩(wěn)定性、耐久性等低于國際水平。在燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)方面，少量企業(yè)進行了開發(fā)示范樣車的嘗試，但后續(xù)量產(chǎn)計劃并未跟進，沒有形成前后接續(xù)、有序推進的態(tài)勢。

二是整體上地域性強，缺乏整體規(guī)劃。我國的燃料電池相關(guān)產(chǎn)業(yè)集中在東南沿海地區(qū)，比如上海、廣東等區(qū)域發(fā)展相對迅速，呈現(xiàn)出地域性明顯的特征。缺乏國家層面的燃料電池產(chǎn)業(yè)規(guī)劃布局，整體氫能布局及應(yīng)用方面不明確；地方布局趨于同質(zhì)化，整車組裝、示范運營為主，核心技術(shù)布局較少。

三是產(chǎn)業(yè)鏈不完整。氫能在能源中的位置未明確，缺乏產(chǎn)業(yè)化規(guī)范和法規(guī)；系統(tǒng)BOP（燃料電池堆及輔助系統(tǒng)）配套部件技術(shù)不完整，相關(guān)技術(shù)更多由研究機構(gòu)和高等院校掌握，工程化能力不足；制氫及加氫相關(guān)設(shè)備國產(chǎn)化率低，達到燃料電池汽車要求的純氫生產(chǎn)規(guī)模小、提純成本高。

四是應(yīng)用場景相對單一，只在商用車市場發(fā)力。我國已有宇通客車、福田客車等廠商對燃料電池商用車進行了多年的開發(fā)，研制了多代樣車，并進行了示范應(yīng)用，具備了一定的技術(shù)基礎(chǔ)，但關(guān)鍵性指標如壽命、加氫壓力、系統(tǒng)效率等，還有不小的差距。

五是處在純電動車先發(fā)優(yōu)勢下的商業(yè)背景。目前純電動車是中國新能源汽車的主要戰(zhàn)略方向，得到了大量的政策傾斜和資金投入，在市場已占據(jù)先發(fā)優(yōu)勢。處于前瞻研發(fā)階段的燃料電池需獲得區(qū)別于電動車的特殊政策支持，同時也需要政府給出清晰的定位和明確的方向。

我國氫能交通前景分析

1.氫燃料電池乘用車在后期滲透率將大幅上升

在眾多氫能利好的政策推動下，我國燃料電池汽車示范推廣規(guī)模逐步擴大。整體來看，到2025年以前，我國尚處于燃料電池汽車的萌芽階段，主要以商用車為主、乘用車為輔，商用車比乘用車發(fā)展快。商用車用于多種中重型業(yè)務(wù)場景，乘用車主要用于平臺化運營。加氫站網(wǎng)絡(luò)根據(jù)商用車路線進行規(guī)劃，規(guī)模隨著商用車的快速推廣而迅速擴大，助力乘用車示范。

2026年至2030年，氫燃料電池汽車處于產(chǎn)業(yè)化初期，商用車持續(xù)推廣，乘用車跟進。氫燃料電池功率密度、輕量化和車載儲氫效率等乘用車技術(shù)指標進一步提升。乘用車利用冷啟動溫度低等優(yōu)勢，開始在北方冬季寒冷地區(qū)推廣。隨著加氫供應(yīng)水平不斷提升，加氫價格逐步降低，乘用車進一步推廣。

2030年以后，氫能汽車將進入全面推廣期，乘用車和商用車并行發(fā)展。預(yù)計氫燃料電池關(guān)鍵技術(shù)基本達到國際一流或國際領(lǐng)先水平。商用車和乘用車分別在各自經(jīng)過驗證的具有明顯競爭力的優(yōu)勢領(lǐng)域全面推廣。根據(jù)商用車和乘用車的運行特點合理布局加氫站，大部分為公用加氫站，少數(shù)為用于商業(yè)化運營的專用加氫站。

2.氫能交通應(yīng)用前景分析

我國交通領(lǐng)域?qū)⒁灾乜ā⒐坏壬逃密嚍橥黄瓶诮⒉窀臍涔I(yè)示范，布局加氫站，擴大氫能的應(yīng)用規(guī)模，逐步拓展到乘用車領(lǐng)域。

重卡、公交等商用車及北方地區(qū)的乘用車是符合我國國情的氫燃料電池商業(yè)發(fā)展模式。國內(nèi)物流園區(qū)及港口發(fā)達，對重卡、叉車需求巨大，同時排放要求越來越嚴格。氫能重卡在礦山、煤炭、港口等固定運輸專線、支線短倒，以及一些封閉性場景下的推廣逐漸趨于市場化。

在機車領(lǐng)域，調(diào)車機車、鐵路專用線機車、支線機車目前還都是內(nèi)燃機車，與之相比，氫能機車不用重新架設(shè)取電網(wǎng)，在站場、港口、城市軌道交通等地存在一定應(yīng)用空間，氫能機車的替代使用可有效提高軌道交通運輸?shù)慕?jīng)濟性，減少污染物及二氧化碳的排放。

氫能源在船舶方面的應(yīng)用研究才起步不久，局限于現(xiàn)在氫燃料電池所提供的能量還不是很大，更傾向于給小型船舶及豪華游輪提供動力，仍需通過更多的研究來尋找適合利用氫能來推動船舶的動力轉(zhuǎn)化裝置。

近年來，我國有多家企業(yè)布局氫能，以國家電投集團氫能科技發(fā)展公司（簡稱“國氫科技”）為代表，在氫能交通領(lǐng)域取得一定的成績。國氫科技是國內(nèi)唯一掌握氫燃料電池全產(chǎn)業(yè)鏈自主核心技術(shù)的公司。目前，搭載國氫科技自主研發(fā)的“氫騰”燃料電池系統(tǒng)的商用車穿梭于全國各地的大街小巷，在多項國際會議、賽事等重大活動接駁任務(wù)均有出色表現(xiàn)；全國首個氫能機車已在錦白鐵路投入應(yīng)用；氫能船舶“西海新源1號”順利下水；靈雀ET120無人機圓滿完成2022年冬奧會電力巡檢任務(wù)。

我國氫能汽車發(fā)展建議

一是明確主管機構(gòu)，完善氫能產(chǎn)業(yè)管理體系。明確國家部委層面的氫能職能管理部門，健全管理體系；出臺氫能制、儲、運、用各環(huán)節(jié)法規(guī)制度標準流程；建立健全市場監(jiān)管體系，有效提升氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展能力和水平。

二是開展技術(shù)攻關(guān)，解決“卡脖子”問題。集中優(yōu)勢資源，培育和建設(shè)國家級氫能基礎(chǔ)研究、聯(lián)合研發(fā)和推廣應(yīng)用平臺；設(shè)立國家氫能核心技術(shù)科技研發(fā)專項，建立產(chǎn)學(xué)研用一體化協(xié)同創(chuàng)新機制；加快培育氫燃料電池等現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)鏈鏈長和氫能原創(chuàng)技術(shù)策源地。

三是建設(shè)配套設(shè)施，提高國家氫能發(fā)展支撐能力。出臺支持氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和持續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展的財政補貼和稅收優(yōu)惠政策；在氫氣比較富裕的沿海工業(yè)城市、內(nèi)陸石油煤炭鋼鐵企業(yè)集中地區(qū)、電動車難以普及的東北西北等寒冷地區(qū)，優(yōu)先發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)，引導(dǎo)市場主體積極投資和參與氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)；鼓勵國企牽頭組建國家級氫能產(chǎn)業(yè)鏈聯(lián)合體，形成區(qū)域性制儲輸加用的生態(tài)環(huán)境，真正把氫能交通運營產(chǎn)業(yè)落地。