氢能汽车和氢经济正在迅速兴起。甚至在一年前，不少专家也曾有过争论，但仅靠纯电动汽车不足以实现碳中和的观点正在兴起。在国家层面，虽然氢经济因国家而异，以氢的生产和利用为中心的投资正在增加。氢能汽车是指氢燃料电池电动汽车和氢发动机汽车。当然，主流仍然是燃料电池，但价格昂贵，制氢成本高。安装充电站的成本也很高，难以普及。

本篇文章，我们将回顾氢燃料电池电动汽车作为一种新的替代品的出现和发展现状。

1.为什么一定要发展氢燃料电池汽车？

在氢能汽车中，氢燃料电池电动汽车是目前的主流。虽然它的市场份额仍然很小，但它与纯电动汽车一起被公认为未来的动力源，因为它完全无污染。2021年1-7月，氢燃料电池电动汽车销量同比增长109.1%，达到300辆，同比增长一倍。增长率可能没有意义，因为销售的绝对数量很小。按公司划分，现代汽车 5,300 辆，丰田有 4,100 辆，本田有 200 辆。现代同期增长44%，而丰田则因二代Mirai的新车效应而增长786%。市场份额方面，现代汽车占51.2%，丰田占40.1%，本田占1.6%。

然而，随着向碳中和方向的发展，氢燃料电池作为与电力一起的新替代品正在引起人们的关注。

根据弗若斯特沙利文最近的“绿色氢发电对全球电力行业增长机会的分析”，全球绿色氢产量在 2019 年记录为 40,000 吨，到 2030 年将以复合年增长率（CAGR） 57%的速度增长到 570 万吨。特别是在工业、商业、运输和电力部门，各国减少对基于化石燃料的系统的依赖，并增加对低碳替代技术的投资，包括氢。

在某些领域，例如交通和电力，仅靠电气化很难实现完全脱碳。为了解决这个问题，通过可再生能源和风能和太阳能的电解产生的绿色氢正在引起人们的关注。目前，绿色氢气占氢气总产量的比例不到 1%。然而，预计未来 20 年全球对绿色氢和相关应用的需求将呈指数级增长。

在过去的五年中，人们对利用绿色氢作为低碳或零碳能源载体的兴趣不断增长。许多政府，包括英国、德国、日本和新加坡，已经开始认识到绿色氢经济是解决碳排放、能源安全和气候变化问题的替代方案。德国、英国、美国和澳大利亚的技术研究机构已经在多个业务领域投资了与绿色氢生产、储存、分配和应用相关的试点项目和示范项目。如果要实现绿色氢经济，就需要降低与绿色氢生产相关的成本的技术和经济解决方案，同时还需要一个决定性的监管框架来促进对该行业的投资并支持研发。

2.燃料电池汽车产业链

燃料电池汽车产业链上游为膜电极、双极板、各类管阀件与传感器、车载高压储氢瓶等发动机零部件生产制造行业，产业链中游为燃料电池发动机系统及电堆集成行业，产业链下游为燃料电池整车制造行业。燃料电池发动机系统是燃料电池汽车动力总成的核心部件，关系着整车运行的安全性，对燃料电池汽车是否具备成熟、可靠的性能表现具有重要影响。相较于传统燃油车或纯电动汽车动力系统，燃料电池发动机系统结构较为复杂。燃料电池发动机系统主要由燃料电池发动机、电压变换器、车载氢系统等构成，其中燃料电池发动机主要部件包括电堆、发动机控制器、氢气供给系统、空气供给系统等。

燃料电池汽车核心关键部件或材料主要包括发动机、电堆和膜电极。从成本上看，燃料电池电堆约占燃料电池发动机的 55%，而膜电极约占燃料电池电堆的 65%。

3.燃料电池发动机工作原理

与锂电池作为储能装置不同，氢燃料电池是一种非燃烧过程的能量转换装置。燃料电池电堆是发动机系统的核心部件，是阳极的氢气和阴极的氧气（空气）发生电化学反应及产生电能的场所，对燃料电池发动机的关键性能和成本具有较大的影响。

因此，电堆被称之为燃料电池发动机系统的心脏，是燃料电池发动机的动力来源。鉴于单个燃料电池单元输出功率较小，实践中通常通过将多个燃料电池单元以串联方式层叠组合构成电堆来提高整体输出功率。因此，电堆是由双极板与膜电极交替叠合，各单体之间嵌入密封件，经前、后端板压紧后用螺杆拴牢，构成的复合组件。其中膜电极是燃料电池发生电化学反应的场所，由质子交换膜、催化剂与气体扩散层组合而成，是燃料电池电堆的核心部件，对电堆的性能、寿命和成本具有关键影响；双极板是燃料电池电堆的核心结构件，通常为正反均带有气体流道的金属或石墨薄板，其主要作用是通过流场给膜电极组件输送反应气体，同时收集和传导电流并排出反应产生的水和热，其性能优劣直接影响电堆的体积、输出功率和寿命。

除电堆以外，燃料电池发动机还需要一系列辅助系统才能实现其功能。其中控制系统通过高精度调节反应气体的压力及流量等使得电堆中的反应始终维持在输出功率、温度、湿度均合适的水平，保证发动机稳定可靠工作；氢气和空气供给系统是为电堆提供合适压力、温度、湿度、流量的氢气与空气；水热管理系统用于保持燃料电池内部水平衡和热平衡。此外，燃料电池发动机系统配备由车载高压储氢瓶和配套阀件组成的车载氢系统用于储存燃料，以及用于实现燃料电池与整车高压之间解耦的 DC/DC 变换器。

4. 燃料电池主要技术特点

目前我国交通运输领域主要运用锂电池、燃料电池等新能源产品代替传统燃油发动机以缓解碳排放带来的环保压力，相较于锂电池与传统发动机，燃料电池的主要技术特点、优劣势如下所示：

比较可见，燃料电池汽车在续航里程、加注时间、低温环境适应性、动力、环境保护等方面可以提供更好的解决方案。燃料电池汽车的续航里程可达 500km 以上；加注时间不到 15 分钟；能够在-30℃低温自启动；氢燃料电池的发电效率可达 50%以上，直接将化学能转化为电能，动力传递效率较高，使汽车的动力更加突出；在富氢地区具备较强经济性；并且燃料电池具备运行中零排放、高效率等优异特性，是我国在交通运输领域实现低碳排放的重要技术路线之一。从技术特点及发展趋势看，由于燃料电池汽车具备长续航里程、快速加注、高功率密度、低温自启动等技术特点，燃料电池汽车更适用于长途、重载、商用等领域，而电动汽车更适用于城市、短途、乘用车等领域。氢燃料电池汽车作为新能源汽车的重要技术路线之一，将与电动汽车长期并存互补。

5.国际燃料电池需求显著增长

燃料电池技术早在 1839 年即被英国的 Willam Grove 发明。20 世纪 60 年代，NASA（美国国家航空航天局）将燃料电池应用于双子星航天飞船，开启了燃料电池的现代发展史。20 世纪 70 年代，石油危机引起了能源恐慌，氢能作为一种新兴清洁能源开始受到各国政府的关注。20 世纪 90 年代，包括奔驰、福特在内的国际知名车企纷纷推出燃料电池概念车型。进入 21 世纪后，氢能与燃料电池技术发展逐渐成熟，日本丰田汽车于 2014年 12 月推出 Mirai 燃料电池汽车，续航里程达 502 公里，成为燃料电池领域内的里程碑事件。此后，全球燃料电池产业开始快速发展。目前，燃料电池根据其应用场景不同可大体分为交通运输用、固定式、便携式燃料电池。近年来燃料电池在交通运输领域的需求量呈现爆发式增长。2020 年全球燃料电池装机量达 1319.4MW，2015-2020 年复合增长率达 35%；其中交通运输领域的需求上升尤为显著，年复合增长率达 54%，2020 年装机量 994MW，占总装机量的 75%。

6.全球燃料电池汽车保有量突破 3 万

氢能作为重要的清洁能源，是未来重要能源路线之一，发展氢能已成为全球主要国家的共识。作为能源技术革命的重要方向和未来能源战略的重要组成部分，氢燃料电池汽车得到了日本、韩国、欧洲、美国、中国等国家的高度重视。随着一些典型车型的推出和关键技术的突破，氢燃料电池汽车产业化预期有所提前。中国、韩国、日本、美国、德国五个国家为目前全球氢燃料电池汽车主要发展国。2020年，全球氢燃料电池汽车总销量为 9011 辆，同比下降 9.1%。其中，美国销量为 937 辆，同比减少 55%；中国销量为 1182 辆，同比减少 57%。美国销量下滑是受到疫情的拖累，中国销量下滑主要是由于补贴政策变动导致销量延缓。日本和德国的销量分别为 761 辆和 308 辆。而受益于政府的大力补贴，韩国 2020 年氢燃料电池汽车销量达 5823 辆，同比增长 39%，贡献了当年全球销量的 65%。

截至 2020 年底，全球氢燃料电池汽车保有量为 32535 辆，同比增长 38%。其中，韩国保有量达 10906 辆，成为首个氢车保有量达到万辆级别的国家，占全球保有量的 34%，位居全球第一位。其次，美国保有量为 8931 辆，中国以 7352 辆位居第三，日本以 3902辆位居第四。

目前，美国、日本、韩国主推的是氢燃料电池乘用车，中国则以氢燃料电池商用车为主。全球氢燃料电池乘用车品牌主要为丰田 Mirai 和现代 Nexo，2020 年二者的保有量市占率分别为 48%和 50%。2020 年，丰田 Mirai 全球销量 1770 辆，同比下降 29%，其中海外市场销量 981 辆，同比下降 46%，本土销量 789 辆，同比增长 19%；现代 Nexo 全年销量6781 辆，占当年全球氢车销量的 75%，同比增长 36%，其中本土销量 5786 辆，占总销量的 85%。截至 2020 年底，Mirai 在全球累计销售 12015 辆，Nexo 累计销售 12717 辆， 从总销量这个角度看，Nexo 已超越 Mirai 成为氢燃料电池乘用车第一品牌。而从投放市场的角度看，Nexo 销量的爆发式增长主要来自韩国本土市场，而 Mirai 在日本的销量不到其总销量的一半。因此，Mirai 仍为海外市场的氢燃料汽车第一品牌。

截至 2020 年底，全球主要经济体已建成加氢站 527 座，在运营 504 座。在运营加氢站中，欧盟以 179 座居榜首，日本以 137 座紧随其后，中国以 101 座位居第三，韩国以 45座位居第四，美国因疫情影响降至 42 座。

7.我国燃料电池汽车产业尚处商业化初期

回顾我国燃料电池汽车发展历史，过去十多年间在国家科技计划和技术创新工程的支持下，我国系统开展了氢燃料电池汽车的研究、开发、示范和运营工作，初步形成了从燃料电池电堆到整车的研发体系和制造能力，并开展了系统的示范运营。自北京奥运会有20 多辆燃料电池轿车和 2 辆客车运行，到上海世博会将近 200 辆各类燃料电池汽车示范运行，到目前在新能源汽车推广财政补贴政策和科技部、联合国开发计划署的支持引领下，以客车、物流车等商用车型为先导陆续在全国范围内启动了商业化示范推广。

我国燃料电池汽车产业发展路径为先商后乘，目前燃料电池技术在我国已被应用于公交车、城市客车、物流车、轨道交通等多个交通运输应用场景。通过商用车发展规模化降低燃料电池和氢气成本，同时带动氢能基础设施建设，后续拓展到乘用车领域。目前我国燃料电池汽车在售车型主要来自于宇通客车、北汽福田、中通客车、申龙客车等商用车企业，同时上汽集团、长城汽车等车企在燃料电池乘用车领域进行前瞻布局。我国氢燃料电池汽车产业已经从政府主导的技术探索、示范运营阶段发展到目前商业化的初期阶段。我国燃料电池汽车销量于 2016 年开始快速起步，根据中汽协数据，2015年至 2021 年 1-9 月，我国新能源汽车销量分别达 33.1 万辆、50.7 万辆、77.7 万辆、125.6万辆、120.6 万辆、136.7 万辆和 215.7 万辆，而氢燃料电池汽车销量分别为 10 辆、629辆、1272 辆、1527 辆、2737 辆、1182 辆和 906 辆。从 2015 年发展至今，燃料电池汽车仍然处于产业化的初级阶段，氢燃料电池汽车在新能源汽车中的渗透率仍然很低，其产业化进程明显滞后于纯电动汽车。由于存在购置成本较高、氢能基础设施缺乏以及氢气使用成本较高等问题，燃料电池汽车的推广需要国家政策、地方产业整车以及上下游产业链共同扶持和推动。

8.国家政策积极扶持

我国早在“十五”期间即将氢燃料电池汽车确立为新能源汽车发展的主要技术路线之一。在《国家创新驱动发展战略纲要》、《能源技术革命创新行动计划（2016-2030 年）》、《中国制造 2025》、《汽车产业中长期发展规划》中均明确了氢能与燃料电池产业的战略地位，其根本目标是降低我国能源对外依存度、减少城市大气污染，推动我国汽车产业跨越式发展。近年来，国家政策对燃料电池汽车的关注度快速提升，赋予了氢能及燃料电池产业更高的战略地位。

2020 年 10 月，由工信部指导下发布的《节能与新能源汽车技术路线图 2.0》指出，在燃料电池汽车方面，将发展氢燃料电池商用车作为整个氢能燃料电池行业的突破口，以客车和城市物流车为切入领域，重点在可再生能源制氢和工业副产氢丰富的区域推广中大型客车、物流车，逐步推广至载重量大、长距离的中重卡、牵引车、港口拖车及乘用车等。2030-2035 年，实现氢能及燃料电池汽车的大规模推广应用，燃料电池汽车保有量将达到 100 万辆左右，完全掌握燃料电池核心关键技术，建立完备的燃料电池材料、部件、系统的制备与生产产业链。2021 年 9 月，财政部、工信部、科技部、国家发改委、国家能源局联合发布《关于启动燃料电池汽车示范应用工作的通知》，同意北京市、上海市和广东省城市群作为全国首批示范城市群，启动实施燃料电池汽车示范应用工作，示范期为 4 年。在 4 年示范期内，国家五部委将通过“以奖代补”方式对示范城市群给予奖励。考核内容主要包括“燃料电池汽车推广应用”、“关键零部件研发产业化”和“氢能供应”三部分。

2021 年 10 月，国务院发布《2030 年前碳达峰行动方案的通知》，指出积极扩大包括氢能在内的新能源在交通运输领域应用。到 2030 年，当年新增新能源、清洁能源动力的交通工具比例达到 40%左右。

根据我国《节能与新能源汽车技术路线图 2.0》规划：到 2025 年，新能源汽车销量占总销量的 20%左右，氢燃料电池汽车保有量达到 10 万辆左右；到 2030 年，新能源汽车销量占总销量的 40%左右；到 2035 年，新能源汽车成为主流，占总销量的 50%以上，氢燃料电池汽车保有量达到 100 万辆左右。预计到 2025 年和 2035 年，我国加氢站数量分别达到 1000 座和 5000 座。

文章来源： 嘿嘿能源heypower，郑谊，马里亚纳氢电