章桐：中國燃料電池汽車產業鏈的現狀及發展

章桐教授，工程博士（德國）。現任同濟大學校學術委員會委員，汽車學院學術委員會主任，燃料電池汽車技術研究所所長。章桐教授在汽車新產品整車開發領域，尤其是產業化技術開發方面掌握核心技術，具有豐富的實踐經驗。自2009年回國後全面負責同濟大學新能源汽車研發團隊管理與建設，承擔了國家和上海市重大科研項目——燃料電池汽車的研究開發與示範應用。在他的帶領下，同濟大學在燃料電池汽車、純電動汽車和混合動力汽車等方面取得了重大的技術突破和技術積累，開發的新一代燃料電池動力系統技術平台，在2008年北京奧運會期間廣泛應用並起到了很好示範應用。為2010年世博會期間研製的173套新能源汽車動力系統運營良好，獲得了各方面好評。其本人榮獲同濟大學「海外名師」榮譽稱號；2007年榮獲上海市科技進步獎一等獎，2008年領銜主持的 「燃料電池轎車動力平台關鍵技術」榮獲國家科學技術進步獎二等獎。2010年榮獲上海市科委世博積極貢獻獎。

本文是章桐教授在中國汽車工業諮詢委員會的邀請下，為《汽車專家述評——汽車供應鏈如何轉型升級》專題親自撰寫的關於中國燃料電池汽車產業鏈發展現狀的總結和展望，期待為以燃料電池產業為轉型升級方向的中國汽車供應鏈企業提供參考。以下為全文內容：

中國燃料電池汽車產業鏈的現狀及發展

——章桐

當今世界正經歷從化石能源向氫能等非化石能源過渡的重大轉換期，能源領域的革命以及關鍵技術的突破勢在必行。氫能作為二次能源，具有來源廣泛、終端零排等優勢，更可作為能源互聯的媒介，被公認為集中式可再生能源大規模長周期儲存的最佳途徑，在能源體系中具有特殊的戰略地位。以氫為燃料的燃料電池可將化學能直接轉化為電能，不受卡諾循環的限制，清潔無污染、發電效率高，其模塊化結構有利於在各領域的大範圍應用，尤以交通運輸及固定式發電領域為重。其中，質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)具有工作溫度低、啟動快等優點，是理想的車載能量源。截至2019年12月，全球燃料電池汽車總保有量為24132輛，2019年銷量達到10409輛，創歷史新高。

燃料電池汽車產業鏈總體較長，主要包括上游氫氣以及加氫站、中游燃料電池、下游燃料電池汽車等多個環節，每個環節都對產業的發展起着至關重要的作用。近年來，我國的燃料電池產業鏈發展正處於提速期，政策措施不斷完善，企業數目持續增長，關鍵技術取得進步。然而總體來看，燃料電池系統細分領域的核心技術尚待突破，氫氣儲運、加註等關鍵技術仍存短板，基礎設施建設相對滯後。未來，以國家開發燃料電池汽車示範應用為契機，技術革新、市場拓展將被不斷推進，我國燃料電池汽車產業前景可期。由於篇幅的限制，本文主要聚焦產業鏈的中游和下游部分，燃料電池和燃料電池汽車。

一、中國燃料電池汽車產業鏈發展現狀

1.中游：燃料電池

燃料電池發動機分為燃料電池電堆與輔助子系統兩大部分，其中燃料電池電堆中的核心材料包括膜電極、雙極板及其他部件，輔助子系統中，氫氣循環裝置、空壓機和加濕器等重要組件對於燃料電池系統性能的提升有着不可或缺的作用。

（1）燃料電池電堆與關鍵材料

經過長足的發展，燃料電池電堆在單堆功率、功率密度、冷啟動溫度，壽命與最高效率等指標上獲得了突破，國產電池電堆性能已經達到國際平均水平，而領先企業已與世界先進水平相當。以捷氫為例，其開發的新一代燃料電池電堆功率可達130kW，功率密度3.8kW/L，耐久性達到10000h。與2015年相比，國產電堆普遍的單堆功率由35kW提升至48kW，石墨板、金屬板電堆的功率密度分別由1.5kW/L、2.0kW/L提升至2.2kW/L、3.0kW/L，冷啟動溫度由-20℃提升至-30℃，石墨板、金屬板電堆壽命由五年前的3000h分別提升至12000h、5000h，電堆最高效率由55%提升至60%。但整體來講，國產電堆在比功率、冷啟動技術、規模化生產工藝等方面還存在較大進步空間，成本還需大幅降低。

膜電極方面，國內已有自主研發生產線，性能與壽命可與國際先進水平抗衡，且可實現商業化生產。膜電極生產技術經歷了熱壓法、CCM法和有序化膜電極的革新，其中有序化膜電極是下一代膜電極製備技術的主攻方向。

質子交換膜方面，核心材料——全氟磺酸樹脂幾乎完全依賴進口，市場基本被國外少數公司壟斷。國產質子交換膜具有價格優勢，但出於穩定性和可靠性的考量，當前用量偏低的情況下，進口膜依然佔有主導地位。

催化劑方面，國內產業化尚顯空白，產品較為單一，催化劑的批量化製備技術被日本、英國等國外供應商把控。與國際水平相比鉑載量較高，這是國產電堆成本偏高的原因之一。

氣體擴散層方面，國產炭紙的性能均一性與穩定性尚未得到實驗驗證，處於初級碳微孔層的製備階段，產品被日本、加拿大、德國等國家的大廠所壟斷，對於大規模生產工藝的開發亟待探索。

雙極板按材料主要分為石墨板、金屬板、複合板，目前國內以石墨雙極板為主，技術指標已與國外相當，但厚度與國際一流水平尚有差距，國內金屬雙極板的基材開發仍為空白。純國產複合膜壓碳板處於研製開發階段，預計2021年開始1mm薄板的批量生產。

表1國內燃料電池電堆及關鍵材料的主要生產商及發展現狀

（2） 燃料電池系統及核心零部件

目前，我國燃料電池系統已基本實現國產化，自主研發的燃料電池發動機性能及環境適應性不斷提升。以億華通為例，系統功率已超100kW，功率密度達到500W/kg。國產燃料電池系統普遍額定功率可達到60kW以上，最高效率達到53%，冷啟動溫度-30℃。系統壽命方面，乘用車、商用車燃料電池系統均已實現2016年發佈的《燃料電池汽車技術路線圖》中5000h、10000h的目標。但商用車燃料電池系統最高效率與設定的2020年55%的目標還有差距，乘用車燃料電池系統成本由於現有生產規模限制，未實現萬套級1500元/kW的要求。

系統關鍵零部件方面，已實現空壓機與氫氣循環泵等系統主要部件的國產化，並處於配套及小批量應用階段：

空壓機的主要類型有螺桿式、離心式、羅茨式，目前國內外生產商中80%以上選擇離心式空壓機作為其產品研發方向，而價格更低、更適合商用重卡應用的羅茨式空壓機在國內市場上佔據份額較大，2019年出貨量佔比超過50%。國產空壓機可滿足燃料電池汽車試運營階段的需求，但在可靠性和使用壽命上尚待有效驗證。

氫氣循環泵方面，主要市場份額仍然被國外企業佔據，國內可實現小批量供貨，主要針對小功率級別的電堆，且產品的安全性、可靠性、系統適配性還待實車驗證。除了傳統的氫氣循環泵技術方案，覆蓋全功率範圍工作的引射器也是供氫系統的未來重點發展方向之一，國內已有以德燃動力為代表的企業進行了引射-回氫組件的研發與生產。

車載儲氫瓶方面，35MPa儲氫瓶已實現國產批量化應用，而由於標準法規不夠完善、關鍵材料價格高昂、需求低迷等原因，國際上獲得批量生產實用的更具成本與性能優勢的70MPa儲氫瓶在國內的研發較為落後。不過隨着國家標準的放開，針對70MPaⅣ型瓶的布局業已開展，70MPa儲氫瓶閥和減壓閥取得了突破性進展，同時，以佛山市為例的一些地方政府發佈的項目申報通知中也已明確提到，將資助企業突破70MPaIV型氫氣瓶的複合材料結構關鍵技術，促進國產IV型氫氣瓶的研製。

表2國內燃料電池系統及核心零部件的主要生產商及發展現狀

2.下游：整車

目前我國燃料電池整車主要由客車和專用車主導，燃料電池乘用車的研發也開始起步。截至2019年底，燃料電池汽車全球銷量達到25212輛，我國銷量為6178輛，位於全球第二，佔比超過四分之一。2019年，我國燃料電池汽車產銷分別為2833輛和2737輛，同比分別增長85.5%和79.2%。2020年上半年受疫情衝擊，我國燃料電池汽車產量為582輛，較2019年同期的1408輛減少58.7%。車型方面，與2019年相同，仍只產出客車及專用車，無乘用車，其中客車產量為549輛，佔據大部分比例。

在政策及規劃不斷支持的大背景下，我國燃料電池汽車商業化示範運營收穫頗豐。燃料電池汽車商業化的示範運行已在北京、上海、廣州等36個城市開展，全國累計推廣超過6500輛燃料電池汽車，成為世界上運營燃料電池商用車最多的國家，國內已形成華東、華南、京津冀以及華中四個區域性產業集群，覆蓋了氫氣的製取、儲運及應用等全產業鏈，並在發展燃料電池汽車的過程中摸索各自的商業應用模式。其中，長三角地區副產氫資源豐富，相關產業鏈基礎最為完善，是國內燃料電池汽車運營數量最多的地區之一；廣東省對氫能源的政策支持力度大，佛山、雲浮的氫能產業布局處於國內前列；北京依託張家口冬奧會這一重大項目，高校以及科研單位，佔據明顯的技術優勢和市場優勢；河南鄭州、湖北武漢也分別擁有宇通客車、武漢理工新能源等一批龍頭企業，發展空間廣闊。燃料電池客車技術方面，系統額定功率穩步提升，40-60kW的燃料電池客車佔比從2018年的12%提升至2020年的78%，60-80kW佔比從2018年的11%提升至2020年的22%。代表性企業有上汽大通、鄭州宇通、佛山飛馳、廈門金旅、上海申龍、雲南五龍、中通客車等；燃料電池專用車方面，上海申龍、中通客車等企業在上海和深圳等地區實現了輕中型氫燃料物流車的商業化落地，東風、江鈴、解放、大運等9家車企也在推出了牽引車、廂式物流車及環衛車型。我國的燃料電池商用車採用電-電混合的技術路線，與國外相比續航里程及整車成本上具有一定優勢，普遍達到500km，最高車速達到80km/h，可實現-30℃冷啟動，但在燃料電池系統額定功率和整車耐久性方面與國外先進水平還有差距，整車成本較高，商用車的壽命也尚未在實踐中得到準確評估。

燃料電池乘用車領域，國外整車性能已能接近傳統汽車水平，以豐田Mirai、本田Clarity、現代Nexo為代表的車型已實現量產及銷售。國內目前進入發售階段的燃料電池乘用車有2016年發佈的燃料電池轎車上汽榮威950 FCV，以及2020年發佈的國內首款燃料電池MPV上汽大通MAXUSEUNIQ7。雖然實現量產的燃料電池乘用車型寥寥無幾，但國內幾乎所有整車企業已經在該領域有所布局，並取得了階段性成果。

二、總結與展望

現如今，我國已基本掌握了燃料電池整車設計、動力系統與關鍵零部件的核心技術，基本建立了具有自主知識產權、相對完整的燃料電池汽車產業鏈，但規模化生產水平仍略有滯後，總體技術水平與國外一流水準差距尚存。相對高昂的製造成本、亟待攻關的核心技術、尚顯薄弱的基礎設施是制約我國燃料電池汽車產業鏈進一步發展的主要瓶頸。

未來，在燃料電池汽車產業鏈的上游，光伏、風電等可再生能源制氫將得到大力推廣，形成因地制宜、高效低碳的氫能生產網絡；氫能儲運方面，發展45PMa以上的高壓氣態儲氫，開展長距離液氫運輸以及液氫加氫站應用，逐漸向以液氫為主流的解決方案過渡；車載儲氫將以70MPaⅣ型瓶為主，從常溫向低溫、小容積向大容積發展，隨着碳纖維關鍵材料和高壓管閥件的國產化，車載儲氫成本將降低60%以上；加氫站的類型將逐漸多樣化、專業化、標準化，通過與地方政府的統籌規劃，央企與國企將牽頭帶領加氫站多點開花，形成更加完備的上游產業配套。

產業鏈中游，燃料電池電堆與關鍵材料方面，從性能提高與體積降低兩方面入手，燃料電池的功率密度將進一步提高。從降低活化極化、歐姆極化、傳質極化等切入，研究新型高穩定、高活性的低Pt或非Pt催化劑，穩定性及耐高溫性好的複合膜、鹼性膜，機械性、加工性、導電性更優的金屬及複合材料雙極板，改進催化劑、膜、雙極板等關鍵材料的性能；同時降低極板等硬件的厚度，提高集成度等。燃料電池系統方面，零部件高度集成化、系統結構簡單化將成為趨勢，高度智能化的大功率高性能燃料電池系統成為主流。此外，規模化生產工藝將促進燃料電池製造成本的進一步降低。

下游燃料電池整車領域，將朝着高動力、長續航和系統高度集成化的目標發展，商用車作為整個燃料電池行業的突破口，在原有車型的基礎上，推廣車型將向載重大、距離長的中重卡傾斜，燃料電池汽車的應用場景將被不斷拓寬，在長途客運、牽引車、港口拖車等領域實現全面推廣，進而帶動乘用車的示範性運營或分時租賃，促進降本及基礎設施建設，推動燃料電池技術向私人消費領域深入的進程。

在行之有效的能源管理規範、中央及各地政府的政策扶持、產學研一體化的科學模式、群策群力的技術攻關氛圍、完善的測試評估標準體系的保駕護航之下，燃料電池汽車產業方興未艾，圓滿完成我國《節能與新能源汽車產業發展規劃》中提出的關於燃料電池汽車「2025年十萬輛的應用規模、2030年百萬輛的大規模商業化應用」的既定目標，指日可待。