0、引言
世界汽車強(qiáng)國(guó)均把氫能和燃料電池汽車作為一個(gè)重點(diǎn)發(fā)展方向。
日本把氫能作為能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要方向。2014年，提出建設(shè)“氫能社會(huì)”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(yīng)體系。日本政府對(duì)加氫站建設(shè)及運(yùn)營(yíng)、氫燃料電池電動(dòng)汽車等給予補(bǔ)貼，如，對(duì)氫燃料電池客車的補(bǔ)貼為裸車價(jià)格的1/2，對(duì)出租車補(bǔ)貼為裸車價(jià)格的1/3，對(duì)家用乘用車每輛最高補(bǔ)貼225萬日元。
美國(guó)2017年發(fā)布《美國(guó)優(yōu)先能源戰(zhàn)略》，重點(diǎn)支持氫能與氫燃料電池電動(dòng)汽車前沿技術(shù)研發(fā)。2019年11月，美國(guó)燃料電池和氫能協(xié)會(huì)（FCHEA）發(fā)布《美國(guó)氫能經(jīng)濟(jì)路線圖》，提出2025年和2030年分別推廣氫燃料電池電動(dòng)汽車20萬輛和530萬輛的目標(biāo)。
歐盟先后發(fā)布《2020氣候和能源一攬子計(jì)劃》《2030氣候和能源框架》《2050低碳經(jīng)濟(jì)》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(dòng)汽車424萬輛、建成加氫站3000座的目標(biāo)。
我國(guó)于20世紀(jì)50年代開始燃料電池研究，“十五”到“十三五”連續(xù)4個(gè)五年計(jì)劃支持氫能及燃料電池電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展。目前雖已初步掌握關(guān)鍵材料、部件及動(dòng)力系統(tǒng)部分核心技術(shù)，但仍面臨某些關(guān)鍵核心部件“卡脖子”、標(biāo)準(zhǔn)體系不完備等一系列問題。
為使氫能與燃料電池電動(dòng)汽車能夠在我國(guó)健康有序的發(fā)展，本文系統(tǒng)梳理了國(guó)外氫能與燃料電池電動(dòng)汽車發(fā)展情況，以期為國(guó)內(nèi)發(fā)展提供借鑒。在此基礎(chǔ)上，梳理了當(dāng)前我國(guó)氫能與燃料電池電動(dòng)汽車發(fā)展情況，并進(jìn)一步從政策、經(jīng)濟(jì)、排放、安全視角探索燃料電池電動(dòng)汽車的發(fā)展趨勢(shì)，系統(tǒng)科學(xué)的提出我國(guó)氫能與燃料電池電動(dòng)汽車的發(fā)展建議。
1、國(guó)外氫能與燃料電池電動(dòng)汽車經(jīng)驗(yàn)借鑒
1.1氫能、燃料電池電動(dòng)汽車戰(zhàn)略及發(fā)展目標(biāo)
世界主要國(guó)家均制定氫能與燃料電池電動(dòng)汽車的發(fā)展戰(zhàn)略并細(xì)化發(fā)展目標(biāo)，如表1所示。
1.2、氫能供應(yīng)體系和建設(shè)情況
氫能供給體系涉及制備、儲(chǔ)運(yùn)和加注三個(gè)主要環(huán)節(jié)，是影響氫燃料電池電動(dòng)汽車使用便利性和經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素。
在制氫方面，國(guó)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(fēng)電、太陽能、生物質(zhì)等可再生能源電解水制氫是各國(guó)重點(diǎn)發(fā)展方向。日本目前考慮使用澳大利亞等國(guó)廉價(jià)褐煤在當(dāng)?shù)刂茪浜筮\(yùn)回國(guó)內(nèi)，未來將采取可再生能源電解水制氫。
在儲(chǔ)運(yùn)方面，國(guó)際上氫氣儲(chǔ)運(yùn)方式包括長(zhǎng)管拖車氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)、液氫罐車儲(chǔ)運(yùn)和管道運(yùn)輸?shù)取Ｆ渲?，長(zhǎng)管拖車氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)最為成熟，是近距離儲(chǔ)運(yùn)的主要方式。液氫罐車儲(chǔ)運(yùn)是更大規(guī)模加氫站(特別是商用車)燃料補(bǔ)給的重要方向，在遠(yuǎn)距離（500公里）輸送時(shí)具備經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。管道運(yùn)輸成本低、運(yùn)量大，適合大量氫氣需求場(chǎng)景，但初期投入大。液氫罐車和管道儲(chǔ)運(yùn)已在美國(guó)和歐洲小范圍應(yīng)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(guó)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(dòng)汽車技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)瓶頸，關(guān)鍵材料、部件初步具備批量生產(chǎn)與供應(yīng)能力，整車動(dòng)力性能、續(xù)駛里程、壽命和環(huán)境適應(yīng)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(yīng)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(chǔ)氫系統(tǒng)多采用35MPa儲(chǔ)氫瓶，但仍面臨成本高、電堆壽命短等瓶頸問題。商用車技術(shù)接近實(shí)際運(yùn)營(yíng)需求。
1.4、氫燃料電池電動(dòng)汽車推廣應(yīng)用情況
乘用車是前期氫燃料電池電動(dòng)汽車的主要發(fā)展方向，但近年來動(dòng)力電池技術(shù)進(jìn)步和成本下降明顯，導(dǎo)致氫燃料電池乘用車的購(gòu)置和使用成本與純電動(dòng)汽車相比均不具備優(yōu)勢(shì)，推廣總量有限。截止到2020年5月，全球主要國(guó)家的燃料電池電動(dòng)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(dòng)汽車2019年呈迅速增長(zhǎng)趨勢(shì)，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(dòng)汽車銷量按國(guó)家排名，如圖2所示。
由圖可知，美國(guó)燃料電池電動(dòng)汽車推廣量最多，緊接著是韓國(guó)、中國(guó)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(shù)示范和驗(yàn)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(kuò)散積聚達(dá)到一定濃度，遇到點(diǎn)火源就會(huì)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(kuò)散系數(shù)是天然氣的318倍、汽油氣的12倍，泄漏的氫氣將會(huì)很快上升并向各個(gè)方向快速擴(kuò)散，使得濃度難以達(dá)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(chǎng)等受限空間的泄漏擴(kuò)散規(guī)律仍有待深入研究。
2、多視角下中國(guó)氫能與燃料電池電動(dòng)汽車發(fā)展趨勢(shì)
2.1、政策視角下氫能與燃料電池電動(dòng)汽車發(fā)展
我國(guó)中央政府與地方的氫能與燃料電池電動(dòng)汽車相關(guān)政策如表2所示。
地方層面積極推進(jìn)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(yīng)發(fā)布了包括戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)規(guī)劃在內(nèi)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(duì)氫能與燃料電池汽車的發(fā)展規(guī)劃。
由表可知，我國(guó)尚未從國(guó)家層面提出氫能與燃料電池電動(dòng)汽車的發(fā)展戰(zhàn)略與目標(biāo)，導(dǎo)致我國(guó)氫能與燃料電池電動(dòng)汽車的發(fā)展缺乏頂層體系指引，當(dāng)前已有不少地方推出針對(duì)性發(fā)展政策，對(duì)我國(guó)國(guó)家層面的政策具有一定參考作用。
2.2、技術(shù)視角下氫能與燃料電池電動(dòng)汽車發(fā)展
目前，我國(guó)已基本掌握了原材料、燃料電池電堆、系統(tǒng)、整車等關(guān)鍵技術(shù)，初步建立了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的燃料電池電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了電堆、膜電極、雙極板等部分關(guān)鍵部件及原材料的國(guó)產(chǎn)化，具備了千輛級(jí)燃料電池電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)平臺(tái)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(shí)現(xiàn)-20攝氏度啟動(dòng)，壽命達(dá)到5000小時(shí)；石墨雙極板電堆功率密度達(dá)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?jī)H0.45毫克/千瓦，壽命超過6000小時(shí)，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。
2.3、經(jīng)濟(jì)視角下氫能與燃料電池電動(dòng)汽車發(fā)展
為準(zhǔn)確模擬，本文乘用車選取典型的B級(jí)汽油車、續(xù)駛里程300公里的純電動(dòng)汽車和功率為114千瓦的燃料電池電動(dòng)汽車作為研究車型；商用車選取同級(jí)別的柴油重卡、純電動(dòng)重卡和燃料電池重卡開展對(duì)比分析。燃料電池電動(dòng)汽車產(chǎn)量、燃料電池系統(tǒng)成本、氫氣價(jià)格等關(guān)鍵參數(shù)如表3所示，使用壽命乘用車按15年20萬里、長(zhǎng)途重卡按8年60萬公里計(jì)算。
根據(jù)上述參數(shù)測(cè)算，本文采用全生命周期成本法對(duì)氫燃料電池乘用車和重卡進(jìn)行了分析，并與汽油乘用車、純電動(dòng)乘用車、柴油重卡、純電動(dòng)重卡進(jìn)行了對(duì)比。
研究結(jié)果表明：綜合考慮購(gòu)置和使用成本等，當(dāng)前燃料電池乘用車綜合成本分別是純電動(dòng)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(dòng)貨車的1.3倍，是燃油貨車的1.2倍。預(yù)計(jì)到2035年，燃料電池乘用車綜合成本分別是純電動(dòng)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(dòng)貨車的0.9倍，是燃油貨車的0.5倍。就長(zhǎng)期而言，燃料電池電動(dòng)汽車將具有與燃油車和純電動(dòng)車競(jìng)爭(zhēng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。
2.4、排放視角下氫能與燃料電池電動(dòng)汽車發(fā)展
本文基于汽車燃料周期評(píng)價(jià)分析模型，綜合考慮燃料周期上游和車輛運(yùn)行階段，對(duì)比分析了典型氫能供應(yīng)路徑的氫燃料電池電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)燃油汽車、純電動(dòng)汽車的節(jié)能減排效益。經(jīng)模型計(jì)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(dòng)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(shì)。
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(nèi)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(dòng)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(guó)在氫能和燃料電池電動(dòng)汽車領(lǐng)域取得長(zhǎng)足進(jìn)展，但是也要看到我們面臨的問題：
（1）氫能供應(yīng)和加氫站建設(shè)面臨障礙。我國(guó)缺乏氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的頂層設(shè)計(jì)，尚未形成規(guī)?；能囉脷淠芄┙o體系；氫氣輸運(yùn)及加氫站建設(shè)運(yùn)營(yíng)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(shè)仍面臨標(biāo)準(zhǔn)不完善、用地及建設(shè)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(yán)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(guān)鍵材料和部件仍然依賴進(jìn)口。目前，我國(guó)電堆、系統(tǒng)、整車等與國(guó)際先進(jìn)水平差距較大，產(chǎn)品性能、技術(shù)成熟度明顯落后。國(guó)內(nèi)電堆功率密度約為2.0千瓦/升，系統(tǒng)低溫冷啟動(dòng)溫度約-20攝氏度，電堆耐久性約5000小時(shí)，而國(guó)外同期水平分別可達(dá)3.1千瓦/升、-40攝氏度和1萬小時(shí)。此外，我國(guó)燃料電池用催化劑、質(zhì)子交換膜、炭紙等關(guān)鍵材料的開發(fā)多處于實(shí)驗(yàn)室和樣品階段，大容量氫氣壓縮機(jī)、空氣壓縮機(jī)、氫氣循環(huán)泵、70MPa碳纖維纏繞塑料內(nèi)膽氣瓶(Ⅳ型瓶)等核心部件還沒有成熟技術(shù)及產(chǎn)品供應(yīng)。
（3）標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)仍不完善，試驗(yàn)?zāi)芰A(chǔ)欠缺。氫氣儲(chǔ)/運(yùn)系統(tǒng)安全要求和試驗(yàn)方法、加氫站建設(shè)及運(yùn)營(yíng)規(guī)范、70MPaⅣ型氫瓶標(biāo)準(zhǔn)等還有待完善。同時(shí)，從零部件、系統(tǒng)、整車到氫能四個(gè)層級(jí)的全方位測(cè)試評(píng)價(jià)能力仍未建立。
（4）產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)“一哄而上”傾向，需防范結(jié)構(gòu)性產(chǎn)能過剩風(fēng)險(xiǎn)。目前全國(guó)已經(jīng)有30多個(gè)地方發(fā)布?xì)淠芑驓淙剂想姵仉妱?dòng)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(dá)萬億以上，涌現(xiàn)了多個(gè)“氫谷”“氫都”“氫能小鎮(zhèn)”項(xiàng)目。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，各地方規(guī)劃2020年和2025年氫燃料電池電動(dòng)汽車推廣總量為2萬輛和15萬輛，加氫站建設(shè)目標(biāo)為200座和650座，遠(yuǎn)超行業(yè)規(guī)劃目標(biāo)。在燃料電池電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)尚未突破的情況下，需要防范結(jié)構(gòu)性產(chǎn)能過剩和低水平企業(yè)“渾水摸魚”。
