0、引言
世界汽車強國均把氫能和燃料電池汽車作為一個重點發(fā)展方向。
日本把氫能作為能源轉型發(fā)展的重要方向。2014年，提出建設“氫能社會”愿景，2017年發(fā)布《氫能源基本戰(zhàn)略》，致力于探索全球氫能供應體系。日本政府對加氫站建設及運營、氫燃料電池電動汽車等給予補貼，如，對氫燃料電池客車的補貼為裸車價格的1/2，對出租車補貼為裸車價格的1/3，對家用乘用車每輛最高補貼225萬日元。
美國2017年發(fā)布《美國優(yōu)先能源戰(zhàn)略》，重點支持氫能與氫燃料電池電動汽車前沿技術研發(fā)。2019年11月，美國燃料電池和氫能協(xié)會（FCHEA）發(fā)布《美國氫能經(jīng)濟路線圖》，提出2025年和2030年分別推廣氫燃料電池電動汽車20萬輛和530萬輛的目標。
歐盟先后發(fā)布《2020氣候和能源一攬子計劃》《2030氣候和能源框架》《2050低碳經(jīng)濟》等能源規(guī)劃，支持氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。2019年發(fā)布的《氫能路線圖》，提出了到2030年推廣氫燃料電池電動汽車424萬輛、建成加氫站3000座的目標。
我國于20世紀50年代開始燃料電池研究，“十五”到“十三五”連續(xù)4個五年計劃支持氫能及燃料電池電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展。目前雖已初步掌握關鍵材料、部件及動力系統(tǒng)部分核心技術，但仍面臨某些關鍵核心部件“卡脖子”、標準體系不完備等一系列問題。
為使氫能與燃料電池電動汽車能夠在我國健康有序的發(fā)展，本文系統(tǒng)梳理了國外氫能與燃料電池電動汽車發(fā)展情況，以期為國內發(fā)展提供借鑒。在此基礎上，梳理了當前我國氫能與燃料電池電動汽車發(fā)展情況，并進一步從政策、經(jīng)濟、排放、安全視角探索燃料電池電動汽車的發(fā)展趨勢，系統(tǒng)科學的提出我國氫能與燃料電池電動汽車的發(fā)展建議。
1、國外氫能與燃料電池電動汽車經(jīng)驗借鑒
1.1氫能、燃料電池電動汽車戰(zhàn)略及發(fā)展目標
世界主要國家均制定氫能與燃料電池電動汽車的發(fā)展戰(zhàn)略并細化發(fā)展目標，如表1所示。
1.2、氫能供應體系和建設情況
氫能供給體系涉及制備、儲運和加注三個主要環(huán)節(jié)，是影響氫燃料電池電動汽車使用便利性和經(jīng)濟性的關鍵因素。
在制氫方面，國際上主要采用煤及天然氣制氫、副產(chǎn)氫純化制氫和可再生能源電解水制氫等方式，其中，利用風電、太陽能、生物質等可再生能源電解水制氫是各國重點發(fā)展方向。日本目前考慮使用澳大利亞等國廉價褐煤在當?shù)刂茪浜筮\回國內，未來將采取可再生能源電解水制氫。
在儲運方面，國際上氫氣儲運方式包括長管拖車氣態(tài)儲運、液氫罐車儲運和管道運輸?shù)?。其中，長管拖車氣態(tài)儲運技術最為成熟，是近距離儲運的主要方式。液氫罐車儲運是更大規(guī)模加氫站(特別是商用車)燃料補給的重要方向，在遠距離（500公里）輸送時具備經(jīng)濟優(yōu)勢。管道運輸成本低、運量大，適合大量氫氣需求場景，但初期投入大。液氫罐車和管道儲運已在美國和歐洲小范圍應用。
在加氫站方面，截止2019年底，全球共建成432座加氫站，其中歐洲177座，亞洲178座，北美74座。從類型上看以氣氫加氫站為主，加注壓力多為70MPa，液氫加氫站約占30%，主要分布在美國和日本。建站方式正由單一加氫站向加氫/加油（氣）、加氫/充電等合建站方向發(fā)展。
1.3、氫燃料電池電動汽車技術研發(fā)情況
豐田、本田、現(xiàn)代、奔馳等汽車企業(yè)已發(fā)布燃料電池乘用車量產(chǎn)車型，基本突破關鍵技術瓶頸，關鍵材料、部件初步具備批量生產(chǎn)與供應能力，整車動力性能、續(xù)駛里程、壽命和環(huán)境適應性等接近傳統(tǒng)燃油車水平。
2018年開始，豐田、現(xiàn)代、尼古拉等企業(yè)加快燃料電池商用車應用研究。在燃料電池電堆方面，除豐田、現(xiàn)代采用金屬板外，其他企業(yè)大多采用石墨雙極板，系統(tǒng)功率均在100千瓦以上，車載儲氫系統(tǒng)多采用35MPa儲氫瓶，但仍面臨成本高、電堆壽命短等瓶頸問題。商用車技術接近實際運營需求。
1.4、氫燃料電池電動汽車推廣應用情況
乘用車是前期氫燃料電池電動汽車的主要發(fā)展方向，但近年來動力電池技術進步和成本下降明顯，導致氫燃料電池乘用車的購置和使用成本與純電動汽車相比均不具備優(yōu)勢，推廣總量有限。截止到2020年5月，全球主要國家的燃料電池電動汽車銷量如圖1所示。
由圖可知，相比2018年，全球燃料電池電動汽車2019年呈迅速增長趨勢，2020年1-5月銷量已接近2017年全年的銷量水平。燃料電池電動汽車銷量按國家排名，如圖2所示。
由圖可知，美國燃料電池電動汽車推廣量最多，緊接著是韓國、中國和日本。主要車型有豐田Mirai、現(xiàn)代Nexo和本田Clarity，其中豐田Mirai銷量全球占比超過70%。燃料電池客車尚處于技術示范和驗證階段，推廣不足百輛。
1.5、氫能安全問題借鑒
氫氣在常溫常壓空氣中的燃燒范圍為4-75%（V/V），泄漏氫氣在空間中擴散積聚達到一定濃度，遇到點火源就會燃燒甚至爆炸，具有易氣化、著火、爆炸等特性。在敞開空間下，氫的擴散系數(shù)是天然氣的318倍、汽油氣的12倍，泄漏的氫氣將會很快上升并向各個方向快速擴散，使得濃度難以達到爆炸所需濃度。在密閉空間下，氫氣的燃燒速度約為天然氣和汽油的7倍，氫氣比其他燃料更容易發(fā)生爆燃甚至爆轟。目前氫氣隧道、地下停車場等受限空間的泄漏擴散規(guī)律仍有待深入研究。
2、多視角下中國氫能與燃料電池電動汽車發(fā)展趨勢
2.1、政策視角下氫能與燃料電池電動汽車發(fā)展
我國中央政府與地方的氫能與燃料電池電動汽車相關政策如表2所示。
地方層面積極推進氫能與燃料電池汽車的發(fā)展，河北、山西、陜西、河南等17省、直轄市相應發(fā)布了包括戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)規(guī)劃在內的地方發(fā)展戰(zhàn)略。其中，湖北、江蘇、上海、廣東等均發(fā)布了專門針對氫能與燃料電池汽車的發(fā)展規(guī)劃。
由表可知，我國尚未從國家層面提出氫能與燃料電池電動汽車的發(fā)展戰(zhàn)略與目標，導致我國氫能與燃料電池電動汽車的發(fā)展缺乏頂層體系指引，當前已有不少地方推出針對性發(fā)展政策，對我國國家層面的政策具有一定參考作用。
2.2、技術視角下氫能與燃料電池電動汽車發(fā)展
目前，我國已基本掌握了原材料、燃料電池電堆、系統(tǒng)、整車等關鍵技術，初步建立了具有自主知識產(chǎn)權的燃料電池電動汽車動力系統(tǒng)技術平臺，實現(xiàn)了電堆、膜電極、雙極板等部分關鍵部件及原材料的國產(chǎn)化，具備了千輛級燃料電池電動汽車動力系統(tǒng)平臺與整車生產(chǎn)能力。其中，金屬雙極板電堆功率密度接近3.0千瓦/升，可實現(xiàn)-20攝氏度啟動，壽命達到5000小時；石墨雙極板電堆功率密度達到2.0千瓦/升。自主膜電極功率密度已突破1瓦/平方厘米，鉑載量僅0.45毫克/千瓦，壽命超過6000小時，達到了國際先進水平。
2.3、經(jīng)濟視角下氫能與燃料電池電動汽車發(fā)展
為準確模擬，本文乘用車選取典型的B級汽油車、續(xù)駛里程300公里的純電動汽車和功率為114千瓦的燃料電池電動汽車作為研究車型；商用車選取同級別的柴油重卡、純電動重卡和燃料電池重卡開展對比分析。燃料電池電動汽車產(chǎn)量、燃料電池系統(tǒng)成本、氫氣價格等關鍵參數(shù)如表3所示，使用壽命乘用車按15年20萬里、長途重卡按8年60萬公里計算。
根據(jù)上述參數(shù)測算，本文采用全生命周期成本法對氫燃料電池乘用車和重卡進行了分析，并與汽油乘用車、純電動乘用車、柴油重卡、純電動重卡進行了對比。
研究結果表明：綜合考慮購置和使用成本等，當前燃料電池乘用車綜合成本分別是純電動乘用車的3.1倍，燃油乘用車的2.2倍，氫燃料重卡成本是純電動貨車的1.3倍，是燃油貨車的1.2倍。預計到2035年，燃料電池乘用車綜合成本分別是純電動乘用車的1.6倍，燃油乘用車的1倍，氫燃料重卡綜合成本是純電動貨車的0.9倍，是燃油貨車的0.5倍。就長期而言，燃料電池電動汽車將具有與燃油車和純電動車競爭的經(jīng)濟優(yōu)勢。
2.4、排放視角下氫能與燃料電池電動汽車發(fā)展
本文基于汽車燃料周期評價分析模型，綜合考慮燃料周期上游和車輛運行階段，對比分析了典型氫能供應路徑的氫燃料電池電動汽車與傳統(tǒng)燃油汽車、純電動汽車的節(jié)能減排效益。經(jīng)模型計算，不同制氫路徑下的溫室氣體排放如表4所示。
由表可知，就溫室氣體排放而言，不同制氫路徑下，氫燃料電池乘用車與汽油車相比，甲烷制氫可減排93.10%、工業(yè)副產(chǎn)氫可減排30%、網(wǎng)電電解水制氫增加130%的排放；與純電動車相比，工業(yè)副產(chǎn)制氫可減排11%、甲烷制氫可減排91.29%、太陽能電解水制氫可減排60.41%、網(wǎng)電電解水制氫無溫室氣體減排優(yōu)勢。
不同制氫路徑下，氫燃料電池重卡與柴油重卡相比，太陽能電解水站內制氫可減排74.68%、工業(yè)副產(chǎn)制氫可減排49%、甲烷制氫可減排94.43%、網(wǎng)電電解水增加排放70%；與純電動重卡相比，工業(yè)副產(chǎn)制氫可減排24%，甲烷制氫減排91.77%，太陽能電解水制氫可減排62.58%，就排放而言，清潔能源制氫具有較高的減排潛力。
3、多視角下產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的主要問題
我國在氫能和燃料電池電動汽車領域取得長足進展，但是也要看到我們面臨的問題：
（1）氫能供應和加氫站建設面臨障礙。我國缺乏氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的頂層設計，尚未形成規(guī)?；能囉脷淠芄┙o體系；氫氣輸運及加氫站建設運營成本仍較高，還未形成可持續(xù)發(fā)展的商業(yè)模式；加氫站建設仍面臨標準不完善、用地及建設審批主管部門不明確等難題；氫能作為能源管理的體系尚未建立，氫氣制備被嚴格限制在化工園區(qū)。
（2）研發(fā)創(chuàng)新能力弱、產(chǎn)業(yè)鏈不成熟，部分關鍵材料和部件仍然依賴進口。目前，我國電堆、系統(tǒng)、整車等與國際先進水平差距較大，產(chǎn)品性能、技術成熟度明顯落后。國內電堆功率密度約為2.0千瓦/升，系統(tǒng)低溫冷啟動溫度約-20攝氏度，電堆耐久性約5000小時，而國外同期水平分別可達3.1千瓦/升、-40攝氏度和1萬小時。此外，我國燃料電池用催化劑、質子交換膜、炭紙等關鍵材料的開發(fā)多處于實驗室和樣品階段，大容量氫氣壓縮機、空氣壓縮機、氫氣循環(huán)泵、70MPa碳纖維纏繞塑料內膽氣瓶(Ⅳ型瓶)等核心部件還沒有成熟技術及產(chǎn)品供應。
（3）標準法規(guī)仍不完善，試驗能力基礎欠缺。氫氣儲/運系統(tǒng)安全要求和試驗方法、加氫站建設及運營規(guī)范、70MPaⅣ型氫瓶標準等還有待完善。同時，從零部件、系統(tǒng)、整車到氫能四個層級的全方位測試評價能力仍未建立。
（4）產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)“一哄而上”傾向，需防范結構性產(chǎn)能過剩風險。目前全國已經(jīng)有30多個地方發(fā)布氫能或氫燃料電池電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展支持政策或規(guī)劃，規(guī)劃投資總規(guī)模達萬億以上，涌現(xiàn)了多個“氫谷”“氫都”“氫能小鎮(zhèn)”項目。據(jù)不完全統(tǒng)計，各地方規(guī)劃2020年和2025年氫燃料電池電動汽車推廣總量為2萬輛和15萬輛，加氫站建設目標為200座和650座，遠超行業(yè)規(guī)劃目標。在燃料電池電動汽車關鍵技術尚未突破的情況下，需要防范結構性產(chǎn)能過剩和低水平企業(yè)“渾水摸魚”。
