中国氢燃料电池汽车技术路线选择与实践进展

王贺武，欧阳明高，李建秋，杨福源

（汽车安全与节能国家重点实验室（清华大学），清华大学碳中和研究院,北京 100084，中国）

国家从科技、能源、汽车、环保等多方面制定了支持氢能发展的政策，多角度推动氢能发展。2021年 《中共中央 国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》[1]要求，统筹推进氢能“制储输用”全链条发展，推动加氢站建设，推进可再生能源制氢等低碳前沿技术攻关，加强氢能生产、储存、应用关键技术研发、示范和规模化应用。在《国务院关于印发2030 年前碳达峰行动方案的通知》[2]中明确，加快氢能技术研发和示范应用，探索在工业、交通运输、建筑等领域规模化应用。《国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035 年远景目标纲要》[4]指出，在氢能与储能等前沿科技和产业变革领域，组织实施未来产业孵化与加速计划，谋划布局一批未来产业。国家发展改革委、国家能源局2022 年发布了《氢能产业发展中长期规划（2021 — 2035 年）》[5]，规划明确了氢的能源属性，确认氢是未来国家能源体系的组成部分，要充分发挥氢能清洁低碳特点，推动交通、工业等用能终端和高耗能、高排放行业向绿色低碳转型；提出了氢能产业发展各阶段目标：到2025 年，基本掌握核心技术和制造工艺，燃料电池车辆保有量约5 万辆，部署建设一批加氢站，可再生能源制氢量达到10 万～20 万吨/年，实现二氧化碳减排100 万～200 万吨/年；到2030年，形成较为完备的氢能产业技术创新体系、清洁能源制氢及供应体系，有力支撑碳达峰目标实现；到2035 年，形成氢能多元应用生态，可再生能源制氢在终端能源消费中的比例明显提升。

中国初步形成较完整的氢能产业链。自科技部“十五”电动汽车重大专项启动燃料电池汽车技术研发以来，经过20 年的科技投入，以燃料电池汽车为氢能应用的先导，已经初步掌握氢燃料电池及其关键零部件、动力系统、整车集成和氢能基础设施等核心技术，基本形成氢气制备、储运、加注、燃料电池应用等完整产业链。传统能源企业如中石化、中石油高调进入制氢环节，以中船718 所为代表的制氢装备业在全球占有重要地位；涌现了如天海工业、中材科技、沈阳斯林达等储氢瓶装备制造企业和中集安瑞科、鲁西化工、浙江蓝能等长管拖车生产企业；国富氢能、上海舜华、派瑞华等加氢站设备提供商也基本能够满足国内基础设施建设需求。在燃料电池系统方面，有亿华通、上海重塑、清能股份等系统集成商，以及上海神力、新源动力、未势能源等电堆生产企业。在基础材料方面也有生产催化剂的济平新能源、生产质子交换膜的东岳未来氢能。

与中国氢燃料电池汽车发展同期，国际上氢能燃料电池汽车推广也在取得显著的进步，一些国家也在不断更新各自的氢能燃料电池汽车发展战略，以及时跟踪国际发展态势和趋势，总结发展成就，坚定发展信心。

本文首先梳理了全球氢燃料电池汽车发展的现状与特点，介绍了美国发展燃料电池汽车的战略与技术市场趋势; 分析了中国氢燃料电池汽车路线图2.0 的主要内容，给出了今后15 年分阶段的里程碑关键指标，总结了中国氢燃料电池汽车推广、核心技术研发的成果，对标了2021 年的关键指标与路线图里程碑指标的差异性，判断了路线图的完成程度；最后，总结了氢燃料电池汽车在以张家口为代表的区域推广应用成功经验，汇总了2022 冬奥期间氢燃料电池汽车的运行实践。

1 主要国家氢燃料电池汽车技术路线图与最新进展

1.1 全球氢燃料电池汽车发展现状与特点

全球发布氢能和燃料电池战略的国家众多，表 1为部分国家或区域氢能燃料电池汽车（包括非道路移动工具）计划目标及最新进展。由表可以看出，从总的燃料电池移动装备的推广量上看，美国最多，总数超过6万台套。截至2022 年4 月推广13 000 万辆燃料电池乘用车和70 辆燃料电池客车以及4 辆燃料电池卡车，同时建设了50 座为燃料电池汽车提供氢能加注的加氢站，在仓储物流领域推广了5 万辆以上的燃料电池叉车[6]；在推广目标上，美国仅加州就设定了在2030 年推广运行100 万辆氢燃料电池汽车和1 000 座加氢站的阶段性目标[]，但是其他州并无类似的目标提出。

韩国是目前单纯以道路运行氢燃料电池汽车保有量最高的国家，截至2022 年4 月，其数量已达到1.9万辆以上，并且与美国一样以乘用车为主，燃料电池客车保有量仅有129 辆[8]。与该国制定的2030 年推广6.9万辆目标相比，完成度较低，仅有28%，不足1/3；其170 座加氢站的数量也与310 座的目标相去较远[9]。从表中还可以看出，韩国发布的2040 年目标为282 万辆氢燃料电池汽车上路运行，加氢站数量1 200 座，由此可以判断绝大部分仍是乘用车，这一目标也是可见的国家发展目标中最宏大的，数量是中国、日本与美国加州3 个区域目标的总和。

表 1 主要国家（地区）燃料电池汽车及加氢站路线图与进展

日本是全球开展氢燃料电池汽车规模化生产的国家，主要包括丰田公司和本田公司，其燃料电池乘用车在日本、美国、欧洲均有批量销售。在日本本土，截至2022 年4 月，共计推广燃料电池乘用车7 100 多辆，燃料电池客车120 辆，加氢站157 座，另有近400 辆燃料电池叉车[10]。从规划的实现程度上看[11]，燃料电池客车数量超过计划2030 年100 辆的目标，但乘用车推广量仅为计划推广量4 万辆的18%，加氢站数量也仅为目标500 座的30%。 日本发布的2040 年推广目标为80 万辆氢燃料电池汽车和1 000 座加氢站，与韩国和加州的情况类似。从车站比来判断，主要仍是乘用车，其120 辆燃料电池客车的目标目前已经实现。

中国是除美日韩外第4 大氢燃料电池汽车活跃的国家。截至2021 年年底，推广燃料电池汽车超过8 600 辆，建设加氢站200 多座。与其他国家相比，中国具有显著的特点：特点1 是推广的车型均为商用车，包括客车和货车，乘用车数量少；特点2 是加氢站数量多，单站服务的车的数量少，这与商用车的用氢量大相关；最后一点也是最重要的是中国如期实现了2020 年的规划目标，原计划5 000 辆燃料电池汽车和100 座加氢站的阶段性目标均已实现。

在欧洲，燃料电池汽车主要在德国和英国有较大规模的推广，但与中美日韩相比，规模有限。德国推广1 600 多辆车，建设加氢站100 多座，另有100 多辆燃料电池叉车的保有量[12]。德国推广的汽车中，除1 500辆乘用车外，还有70 辆的客车和20 辆的货车。英国则推广了300 多辆乘用车、58 辆的客车和36 辆的货车，建设加氢站26 座[13]。从德国和英国的情况初步判断，包括客车和货车在内的燃料电池商用车占比也较高，虽然低于中国，但远高于美日韩，这透露出欧洲在推广燃料电池汽车方面的优先领域也许是商用车。

1.2 美国发展燃料电池汽车的战略与技术市场趋势

美国能源部从2001 年开始陆续发布了关于美国氢能的战略文件。2001 年发布《氢经济转型国家愿景》[14]、并于次年发布《氢能国家路线图》[15]，2006 年推出《氢研发示范计划》[16], 2011 年推出《氢与燃料电池技术项目计划》[17]，2020 年推出《氢项目计划》[18]。在此过程中，能源部的氢能与燃料电池技术办公室、化石燃料办公室、基础科学办公室、核能办公室结合各自的职责范围分别发布了研究计划，包括2003 年首次发布并历经2005、2012、2015、2017 年多次修订的《多年研发示范计划 MYRD&D》[19]、2003 年科学办公室发布的《氢经济基础研究需求》[20]、 2020 年化石燃料办公室发布的《实现低碳经济的氢能战略》[21]、2020 年科学与技术信息办公室发布的《集成能源系统2020 路线图》[22]，以及2013 年和2017 年汽车技术办公室发布的《美国驱动燃料电池技术团队路线图》[23]。

能源部在历年的年度业绩报告（Annual Merit Review，AMR）中都会对氢能燃料电池汽车的进展进行回顾和评述[24]。从2021 年的报告来看，目前在美国销售和行驶的燃料电池乘用车并非美国本土企业生产，1.3万多辆乘用车中，有日本丰田公司Mirai 车型、韩国现代公司Tucson 和Nexo 车型、日本本田公司的Clarity车型，其中Mirai 车数量最多，超过1 万辆，这与20年前混合动力汽车在美国的推广极其相似[25]，当年混合动力汽车市场丰田的Prius 等日本汽车企业的产品占据70%以上的份额。

2020 年左右，美国氢燃料电池汽车的推广重点有向重型卡车方向发展的趋势。2019 年，美国能源部的氢燃料技术办公室和汽车技术办公室联合发布了氢燃料电池长途拖载卡车的技术指标[26]，如表 2 所示，其主要指标从2020 年到2030 年和2050 年的变化趋势为燃料电池系统功率逐步减小，从2020 年的300 kW 降低到2030年的270 kW 和2050 年的240 kW；燃料电池系统的寿命进一步上升，从现在的8 000 h 大幅度提高到2030 年和2050 年的25 000 h 和30 000 h；燃料电池系统的成本需要大幅度降低，从目前的185 $/kW 降低到2030 年的80 $/kW 和2050 年60 $/kW，要下降到目前的1/3；燃料经济性继续提升，百千米氢气消耗从目前的6.6 kg降低到2030 年的4.5～5.6 kg，并进一步降低到2050 年的3.7～5.0 kg；相应的燃料电池系统最高效率从目前的43%～46%，提高到2030 年的68% 和 2050 年的72%。

表 2 卡车用燃料电池技术现状与目标

在2020 年，美国能源部组建了由洛斯阿拉姆斯国家实验室、罗伦斯伯克利国家实验室、阿岗国家实验室、可再生能源国家实验室、橡树岭国家实验室等5 个国家实验室牵头的“百万英里燃料电池卡车联盟”（Million Mile Fuel Cell Truck, M2FCT），与企业合作解决质子交换膜燃料电池用于重型长途拖载卡车的耐久性和效率问题[28], 能源部提供5 年5 000 万美元的经费支持。其主要考虑因素是燃料电池乘用车的生命周期里程仅为15 万英里（1 英里约为1.609 千米），而卡车的里程为100 万英里。究其原因，美国重点开发氢能重卡的原因来自于三方面的考虑，一是重载长途拖载卡车的销量与其他轻中载卡车的销量相当且覆盖了70%美国卡车出行里程。二是燃料电池重卡的燃料效率具有满足超级重卡指标的能力和显著降低碳排放的效果[29]。美国交通部交通研究所2022 年的研究报告表明在全生命周期内，现阶段燃料电池重卡CO2排放比柴油重卡低44.6%，也比纯电动重卡低14.6%；甚至到2050 年分别使用可再生柴油和使用光伏高温制氢，氢燃料电池重卡的CO2排放也仅为内燃机重卡的1/4。三是氢燃料的高质量比能量与快速加注优势，有利于提高重载车辆的有效装载量和长的续驶里程。

联盟成员2021 年在Nature Energy上发表论文进一步明确了氢燃料电池重卡推广应用需要面对的重要挑战和技术发展方向[30]。在燃料电池系统层面，将工况调整到高单片电池电压的工作点以改善能量转换效率，同步可解决高温环境下散热困难问题。如图 1 所示，随着运行工况点向高电压方向移动，燃料电池系统的热效率大幅度提高，散热量相应同步减少，散热系统挑战降低，这对于高功率的重载车辆尤其重要。目前乘用车运行常用的0.675 V 工作点下的热效率为43%～46%，需要提高燃料电池的运行温度在90 ℃以上；当运行工况点提高到0.750 V 时，热效率超过50%，甚至达到54%，运行温度可以降低到83 ℃；热效率的提高和运行温度的降低，对于目前的燃料电池材料和系统管理具有好处，低温有利于材料寿命的提高，高热效率意味着散热量减少，冷却系统负担减弱，这对于重载车辆的大功率燃料电池系统尤其重要，可以缓解目前大功率燃料电池系统的环境适应性。从燃料电池系统热效率进一步提高的方向上，在更高的温度点工作才有更高的热效率，因此在材料体系的研发上应该开发耐更高温度的质子交换膜，美国能源部的目标是将燃料电池系统的工作温度提高到120 ℃，以实现72%以上的理想热效率。

图1 燃料电池系统不同工作温度与单体电压工况点的最高效率[31]

2 中国氢能燃料电池汽车技术路线图

2.1 氢能燃料电池汽车三阶段发展里程碑

中国指定了明确的发展氢能燃料电池汽车愿景和目标。在2016 年发布的 《节能与新能源汽车技术路线图》[32]中明确提出，中国氢能燃料电池汽车的发展愿景为“到2030 年实现百万辆的氢能燃料电池汽车上路行驶，到2050 年与纯电技术共同实现汽车零排放”。氢能燃料电池汽车要与纯电动汽车协调发展，共同通过能源的低碳清洁化和动力的高效电动化，实现汽车产业从大到强的转变；以车用能源来源的多元化保障中国能源安全，以能源利用阶段的零排放实现环境空气质量改善，以风电光伏等零碳分布式能源的应用实现碳达峰和碳中和。在坚持上述愿景不变的前提下，在2020 年的修订版路线图《节能与新能源汽车技术路线图2.0》[33]中对实现百万辆氢能燃料电池汽车的总目标进行了里程碑节点的规划，具体包括3 个阶段，如图2 所示。

图2 中国氢能燃料电池汽车里程碑规划

第1 阶段：2020—2025 年，初步实现氢能燃料电池汽车的商业化应用。氢能燃料电池汽车的商业化应用规模达到8 000 ～10 000 辆，投入运营加氢站100座以上。在北京、上海、郑州、武汉、成都、张家口、佛山、如皋、潍坊、大同等全国10 余个大中小不同级别城市，以公共交通、仓储物流为主要业务开展商业化示范运营，累积运营里程超过1 亿km。

第2 阶段：2025—2030 年，加快实现氢能及燃料电池汽车的推广应用。以大型SUV、公共服务用车的批量应用为主，基于现有储运加注技术，基于150 km的辐射距离，因地制宜地推广氢能与燃料电池技术，优化燃料电池系统结构设计，加速关键部件产业化，大幅降低燃料电池系统成本。燃料电池汽车保有量达到5万～10 万台规模，加氢站数量不少于1 000 座。

第3 阶段：2030—2035 年，实现氢能及燃料电池汽车的大规模推广应用。大规模氢的制取、存储、运输、应用一体化，加氢站现场储氢、制氢模式的标准化和推广应用；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。燃料电池汽车保有量80 万～100 万辆，加氢站超过5 000 座，50%以上的氢气为可再生能源制取的绿氢。

2.2 氢燃料电池商用车发展路线图

如图3 所示，燃料电池商用车发展技术路线图在2020 年完成第1 阶段目标后，在2025 年设定了里程碑，并在2030 与2035 年设定了一个跨时间段的里程碑。

图3 氢能燃料电池商用车技术路线图与里程碑

2025 年为燃料电池商用车动力系统性能持续提升、整车成本持续下降、实现大规模推广应用的节点。在这一阶段，通过提升燃料电池系统额定功率、优化动力系统能量管理策略，逐步提升燃料电池系统及整车性能，动力性、经济性、耐久性、环境适应性及成本均逐步改善，整车与传统车寿命相当。燃料经济性方面，中国城市客车行驶工况下氢气消耗率小于5.5 kg/ (100 km)。实际线路续驶里程达到500 km，整车冷启动温度低于 - 30 ℃，寿命达到40万km，同时整车成本小于100万元。

2030—2035 年为燃料电池商用车实现全面产业化要求的关键阶段，燃料电池公路客车和卡车应用占据较大市场份额。在这一阶段，通过180 kW 级以上高功率密度燃料电池系统的应用, 实现大功率燃料电池动力系统的重型卡车规模化应用。通过量产燃料电池商用车，提升整车性能，降低成本。以49 t 重卡为例，燃料经济性方面，在中国半挂牵引车列车行驶工况下氢气消耗率小于10 kg/（100 km）。实际线路续航里程超过800 km，整车冷启动温度达到 - 40℃，寿命提高至100万km，达到全面产业化指标要求，同时进一步控制整车成本在50 万元以内。

2.3 商用车燃料电池系统及电堆路线图与里程碑

商用车燃料电池动力系统的目标是在2035 年达到与内燃机同等技术水平，产业链基本完善，具备成熟的规模化生产能力，燃料电池系统产品具备和内燃机充分竞争的能力。基本路径坚持燃料电池与大容量动力电池混合动力的发展路线，逐步提升商用车燃料电池系统功率，使燃料电池系统在功率密度、效率、环境适应性、寿命及成本等方面的关键指标达到产业化要求，逐步从低速、低载重商用车应用向长距离重载商用车应用转变，满足燃料电池商用车发展需求。

如图4 所示，商用车燃料电池系统发展技术路线图在2020 年完成第1 阶段目标后，在2025 年设定了里程碑，并在2030 与2035 年设定了一个跨时间段的里程碑。到2025 年，燃料电池系统功率高于120 kW，质量比功率大于350 W/kg，系统能量效率超高55%， 40 ℃冷启动不超过5 min，寿命超过15 000 h，材料成本低于2 000 元/kW。到2030—2035 年，燃料电池系统功率高于180 kW，质量比功率大于450 W/kg，系统能量效率超高60%， -40 ℃冷启动不超过2 min，寿命超过30 000 h，材料成本低于600 元/kW。

图4 商用车燃料电池系统路线图2.0 和里程碑指标

如图5 所示，商用车燃料电池堆发展技术路线图在2020 年完成第1 阶段目标后，在2025 年设定了里程碑，并在2030 与2035 年设定了一个跨时间段的里程碑。面向2025 年的应用场景，对现有材料体系进行改进与提升。燃料电池堆功率超过70 kW，体积功率密度大于2.5 kW/L，寿命超过1.65万 h，成本降低到1 200元/kW 以内，催化剂、膜、膜电极、双极板等材料量产满足10 万辆车需求；面向2030 和2035 年的规模化推广场景，在提升现有材料体系的同时开发创新性材料体系。催化剂、膜、膜电极、双极板等材料量产国满足100 万辆车需求。燃料电池堆功率超过100 kW，体积功率密度大于3 kW/L，寿命超过3 万 h，成本降低到400 元/kW 以内。

图5 商用车燃料电池堆路线图和里程碑指标

2.4 氢能基础设施发展路线图与里程碑

高昂的用氢成本导致氢燃料电池商用车的总拥有成本居高不下是氢燃料电池商用车推广的瓶颈之一，终端用氢价格的降低将大幅度提升氢燃料电池商用车的市场竞争力[34]。因此，车用氢能基础设施的发展目标是：形成完善的氢能基础设施区域网络，满足氢能消费的需求，结合碳交易体系，实现氢能零排放交通的规模化，推动氢能社会的可持续化发展。

如图6 所示 ，2025 年实现氢能基础设施及燃料电池汽车的推广应用；鼓励发展可再生能源制氢，基本满足燃料电池车辆用氢量需求；实现液氢技术在能源领域的商业化应用，推动区域性输氢管网的商业化示范；具备70 MPa 压力的III 型和IV 型瓶的批量生产能力；加氢站数量超过1 000 座。2030—2035 年实现氢能基础设施及燃料电池汽车的大规模推广应用；加氢站数量超过5 000 座。

图6 氢能基础设施技术路线图

鼓励发展以光伏、风电、水电等为代表的可再生能源制氢路线，实现未来氢能源的绿色发展[34]。从量上讲，可再生能源制氢量是可以满足燃料电池车辆使用,以2025 年燃料电池汽车5 万～10 万辆所需的20 万～40 万t 氢气为目标，依照国家规划，可再生能源制氢量达到10 万～20 万t / a，具有至少满足50%供氢的能力；从品质上讲，可再生电力电解水制氢纯度很高，能够满足燃料电池对氢纯度的高要求，可以完全避免加氢站、储氢瓶和燃料电池受腐蚀或中毒等问题。氢气储输近期以成熟的高压气氢技术体系为主，中长期为高压、液氢、管道等多种形式并存。站内储氢方式近期以成熟的高压气氢为主，中长期为气氢、液氢并存。氢燃料成本指加氢枪出口的氢燃料成本，2020 年补贴后为40元/kg，2025 年以后不考虑补贴。

3 中国氢能燃料电池汽车发展进展

3.1 燃料电池汽车市场快速起步，商业化进程符合预期，走出了中国特色的发展路径

自2016 年路线图1.0 发布以来，截至2021 年，中国累积生产燃料电池汽车1 万辆，超过路线图1.0 预设的2020 年5 000 辆的目标，也达到了路线图2.0 修订的2020 年第1 阶段8 000 辆到1 万辆的目标。商业化进程符合预期，从图7 2010—2021 年全球以及2017—2021 年中国氢燃料电池汽车5 年累计投入运行数量及车型分布情况可以看出，中国累计投入运行车辆从2017 年的1 000 辆增加到2021 年的8 600 辆，5 年增长8 倍以上，中国氢能燃料电池汽车数量占全球总销量5万辆的17%，与韩国、美国、日本成为全球氢能燃料电池汽车推广应用的核心国家。市场发展与路线图研判相符，燃料电池汽车市场化的主要车型为商用车，包括客车和卡车，截至2021 年推广的车辆中，客车和货车分别为4 119 辆和4 391 辆，乘用车不足100 辆。

图7 全球及中国氢燃料电池汽车累计投入运行数量及车型分布情况

3.2 氢燃料电池汽车技术指标提前逼近2025 年目标，但是成本仍偏高，需要规模化降低成本

中国氢燃料电池汽车的主要技术指标如图8所示[35]，以燃料电池城市客车为代表，2021 年投运的车辆，其续驶里程实现了500 km，达到了2025 年的规划目标值；100 km 氢气消耗降低到5.38 kg，优于2025 年的指标；实现了 - 30 ℃启动的2025 年冷启动指标要求；车辆预测寿命在2020 年20 万km 的基础上增加1 倍，达到了2025 年的40 万km 的指标。然而在成本方面，仍然偏高，不仅高于路线图设定的第2 阶段2025 年100 万元的目标，并且仍高于第1 阶段2020 年150 万元预期。这与目前燃料电池系统或者燃料电池堆仍未实现万台规模化生产有关，也受制于车载氢气储存系统成本降低幅度不如预期，均导致整车成本居高不下。

图8 氢燃料电池客车（12 m）当前主要参数与路线图指标的比较

在燃料电池汽车供氢基础设施方面，截至到2020年年底，中国已经建成加氢站118 座，2021 年达到230座，达到路线图2020 年100 座的目标。

从表3 燃料电池系统实际指标与路线图比较的燃料电池系统产品技术指标可以看出，商用车燃料电池系统功率达到100 kW 以上，质量比功率达到500 W/kg 以上，系统最高效率达到60%以上，冷启动温度满足 - 30 ℃条件，寿命达到1 万 h 以上。燃料电池系统额定功率、质量比功率、最高效率已经达到或超过2025 年的目标；系统成本已经达到2020 年目标要求,与2025 年目标还有一定差距；耐久性还需进一步验证。

表3 燃料电池系统实际指标与路线图比较

亿华通G120 燃料电池发动机产品采取轻量化设计（自主化电堆采用超薄柔性石墨双极板和先进的框架式电堆封装技术，提高系统集成度；开发高性能引射器，实现对氢气循环泵的替代，同时将引射器与端板集成）、减少零部件（对零部件布置优化，减少管路接口）等手段，大大提升了系统质量功率密度。上海捷氢自主研发的车规级大功率燃料电池系统，基于系统架构和零部件升级优化，降低辅助系统功耗并提高系统功率；多维度集成优化，减少系统零部件数量和提高比质量及比体积；通过电堆湿度实时监测和系统智能化控制算法，使系统具备快速响应、高环境适应性和高控制精度的功能等，满足了大功率、长寿命（＞1 万 h)的要求。

中国国内产业化的燃料电池堆额定功率、体积功率密度已经达到或超过2025 年的目标，低温启动指标达到2020 年目标要求，具体指标如表4 燃料电池堆实际指标与路线图的比较所示。其中电池的耐久性还需要实际验证，电堆成本已经达到2020 年目标要求, 与2025 年目标还有一定差距。国内膜材料产业化方面，山东东岳公司走在前列，其生产的厚度为15μm 的DMR系列复合增强全氟质子膜具有优异的性能和寿命，化学耐久性OCV 循环测试超过1 000 h，短堆循环寿命测试超过6 000 h，通过了奔驰公司的技术考核；机械耐久性上，干湿循环测试的循环次数超过2 万次。

表4 燃料电池堆实际指标与路线图的比较

3.3 在全国范围内启动区域性氢能燃料电池汽车示范应用

截至2022 年，中国在全国范围内布局了6 个氢能及氢燃料电池汽车示范区域，如图9 所示，计划示范车辆总规模超过4 万辆，接近路线图2025 年的推广目标。首先，燃料电池汽车示范应用城市群初步形成 “3+2”格局。2021 年9 月财政部、工业和信息化部、科技部、国家发展改革委、国家能源局等5 部委批复了北京城市群、上海城市群、广东省佛山城市群；2022 年2 月批复了河南省郑州城市群、河北省张家口城市群。上述京沪粤冀豫5 个城市群目前已公布各自在示范期内推广燃料电池汽车数量的目标，分别为5 300、5 000、10 000、7 710、10 000 辆，总量超过37 000 辆。

图9 中国氢能及氢燃料电池汽车示范区域

其次，启动了氢进万家示范工程，2021 年4 月科技部主导的氢进万家科技示范工程在山东省启动，其目标是到2025 年推广燃料电池整车6 000 辆，日供绿氢150 t，还将开展1.2 万户的燃料电池热电联供系统的示范，这是目前唯一启动的氢能科技示范区。

4 氢燃料电池汽车在张家口与2022 冬奥的实践

4.1 张家口市氢能制储加进展

张家口位于中国可再生能源富集区和经济发达地区的连接处，是连接北方资源和京津冀地区的中心节点，具有产业枢纽作用。 张家口是唯一的国家可再生能源示范区，汇集了众多的可再生能源技术，是综合性示范基地，有先行先试的政策优势。张家口市是中国较早出台氢能规划的城市之一，目前已从产业规划、行动计划、扶持政策、项目核准备案、加氢站布局和安全监管办法等方面初步形成了较为完善的氢能政策保障体系。张家口市积极推进制加储氢设备及燃料电池、氢能整车制造产业发展，通过加强招商引资和重大项目招引，在氢能产业链上实现了产业布局从0 到1 的重大突破，目前集聚效应逐步显现，氢能产业链相关企业正加速建设落地。

张家口市为燃料电池汽车的应用建设了完备的氢气制取、运输和加注基础设施。建成水电解制氢项目5 个，制氢产能17 t/d，包括海珀尔1 期（4 t/d）、河北建投沽源1 期 （1.7 t/d）、河北建投沽源2 期（2.6 t/d）、河北建投崇礼1 期（0.85 t/d）、交投壳牌制氢（8 t/d）。2021 年，海珀尔制氢厂累计制氢400 t。已建成创坝站、东望山站、纬三路站、西山产业园站、崇礼北站、崇礼南站及崇礼南撬装站、太子城站及太子城撬装站共9 座加氢站，合计加氢能力达到7.7 t/ (12 h)。自2018 年10 月起至2021 年年底，燃料电池客车累计加氢1 527 t，其中2021 年加氢量达到550 t。自投运以来，月均加氢量随车辆数增加不断提升，2020 年初达到58 t，12 月月加氢量达到历史最高的77 t，到2021 年年末加氢量逐步稳定在50 t 左右。

4.2 张家口市氢燃料电池客车运营情况

张家口市依托丰富的可再生能源优势，借助筹办北京2022 年冬奥会的历史机遇，全力推进氢燃料电池公交车应用。截至2022 年3 月，已分6 批共投运氢燃料电池客车444 辆，覆盖城区10 条公交线路；冬奥会期间大部分车辆投入冬奥保障。截至2022 年3月15日，全部车辆累计运行里程2 100 万km，累计完成载客量超6 500 万人次，单车最高运营里程超过18 万km。是全国燃料电池公交车运行数量最多、最稳定的城市之一。

北京冬奥会使用氢燃料电池汽车作为接驳嘉宾、运动员、媒体记者、各国政要最主要的交通工具，其中张家口赛区710 辆，是目前世界最大规模的氢燃料电池汽车示范应用。

河北省燃料电池汽车示范应用城市群的组建，依据财政部等五部委的2022 年2 月批复的《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》，组建模式为“1 + 8 + N”模式，如图10 所示。由张家口市人民政府牵头，8 个车辆示范城市包括河北省唐山市、保定市、邯郸市、秦皇岛市、定州市、辛集市、雄安新区等7 个市区，以及内蒙古乌海市。 “N”个产业链城市包括上海市奉贤区提供燃料电池电堆、郑州市提供燃料电池汽车，以及供零部件所在城市，如淄博市、聊城市、厦门市。示范期将累计投放运营各类燃料电池汽车7 710 辆。覆盖港口、矿山、厂区、市政为主的货运场景，以城市公交为主、通勤客运为辅的客运场景，开展燃料电池网约车和公务用车示范，同时在张家口、乌海等地开展高寒低温环境下的燃料电池汽车示范应用。在氢能供应方面，氢气供应量5万t/a，可再生能源电解制氢成本下降至14 元/kg，示范期内的城市群计划建设加氢站86 座。

图10 河北省燃料电池汽车示范应用城市群

4.3 氢能出行冬奥示范和京张包氢能产业创新走廊

4.3.1 氢能出行冬奥示范

冬奥赛事期间的奥林匹克专用车道上，时常看到一辆辆绿色的大巴车开过，向着冬残奥场馆的方向驶去。这些大巴车正是 “‘氢能出行’关键技术研发和应用示范”项目的成果。 “氢能出行”是由清华大学牵头的科技部“科技冬奥”项目，该项目致力于突破制、储、运、加、用全产业链关键技术。冬奥会期间，项目组研制260辆氢燃料电池客车，在张家口赛区以及延庆赛区，为运动员及随队官员、技术官员、媒体、转播商、工作人员等各类注册人群提供班车运输服务。与夏季奥运会有明显不同的是，冬季北京地区的气温低值可达 - 30～ - 40 ℃，场馆又分布在北京、延庆、张家口3 个赛区，彼此间的距离跨度近200 km，低温环境下的车辆启动、续航、山地路况都对绿色交通提出了“苛刻”要求。

该项目开发的氢能客车采用70 MPa 氢燃料系统、大功率燃料电池发动机、双电机耦合无动力中断驱动系统等关键技术，实现了70 MPa 快速加注、 -35 ℃低温冷启动和 - 40 ℃极寒低温停放保护，燃料电池系统效率达60%，续驶里程400 km 以上。在冬奥赛事期间，在极寒、陡坡、急弯地理环境下的低温适应性、安全性、可靠性均经受住了考验，顺利完成了冬奥会张家口和延庆赛区的运输任务，也实现了车辆运营端真正意义上的零排放，减碳环保效果明显。据统计，260 辆车共运行线路29 条，累计运行约2 万车次、载客17万余人次，氢燃料电池汽车累计行驶40 万km 里程，累计行驶时长2.5万h。

与此同时，“氢能出行”项目为冬奥赛事所用车辆配套建设5 座加氢站，累计加注能力达到4.8 t/d（每天10～12 h），同时具备35 MPa 和70 MPa 加注能力。在冬奥会和冬残奥会赛事期间，五座站加氢量106.11 t，共计完成7 969 次的车辆加注服务。成功助力保障了冬奥赛事期间的燃料电池车用氢需求。

为实现全链监控与调度，通过设立在张家口氢能与可再生能源研究院的全链大数据监控平台，实现实时监控氢气制取与管车输运、加氢站运行与安全防护、车辆运行和实时调度。氢能与燃料电池信息监控平台应用Hadoop、流处理等技术，解决了氢能及燃料电池全链信息监控、故障诊断预警及性能分析问题。实现了“制—储—运—加—用”氢能全链数据高并发、海量存储、实时分析的数据可视化信息平台的构建。同时，借助5G 网络的全覆盖，大数据平台可对氢能全链数据进行深度挖掘与应用，实现氢能车辆的低温冷启动、燃料电池衰减等性能指标分析，氢能供需链的智慧调度以及氢能应用综合评价，并完成了氢能全产业链过程的能源利用效率与二氧化碳减排量的核算。17 天冬奥会期间，张家口赛区累计加注氢气94.3 t，减少碳排放1 414.5 t。

氢气运输是冬奥保障的关键环节，冬奥会期间氢气用量高于5 t/d。长管拖车作为冬奥会期间制氢厂和加氢站氢气运输的唯一运输设备，是保障冬奥期间氢气稳定供应的核心装备。“氢能出行”项目针对储氢长管拖车运行过程泄漏、压力、温度等动态数据实时获取的需求，中国国内首次研发了集氢气泄漏、压力、温度等关键数据实时监测装置，实现了高灵敏度氢气泄漏探测、压力、温度、实时定位等功能，用户可借助该设备实现24 h 自动值守和实时监测。该系统为运氢长管拖车高压系统“穿”上了个性化的“智能手环”，让车辆运行安全状态更直观透明。

氢系统中管阀滤最易引发泄漏风险，重点解决管阀滤失效引起的泄漏风险（包括泄漏初期的射流和末期的扩散形貌）对解决氢系统安全隐患具有重要的现实意义。为实现冬奥主火炬台供氢系统的泄漏监测，“氢能出行”项目建立了基于主动安全理念的氢泄漏安全监测体系，自主研发了近场氢泄漏检测装置，提出了高灵敏度低成本近场氢泄漏检测方法，实现了10-6（ppm）级极微量氢气泄漏故障的实时监测。近场氢泄漏检测装置成功应用于冬奥开闭幕式主火炬台氢系统当中。

4.3.2 京张包氢能产业创新走廊

基于北京示范群、河北张家口示范群氢能燃料电池汽车示范基础，在地域空间和应用范围上做一定的扩展，覆盖到更氢能产业的全产业链。可以考虑在北京—河北张家口—内蒙古包头建设“京张包氢能产业链创新走廊”。以可再生能源的绿氢为依托，进行技术研发中试、综合探索示范、商业应用示范。

河北省张家口市开展氢能综合示范。内容包括5 GW 风光发电、1.8 GW 绿氢制备、80 t 氢储能、50 MW 氢燃料电池发电、200 MW 氢燃气轮机发电、35万t/a 绿氨合成、400 t 氨储能、200 MW氨燃气轮机发电、支撑1 000 辆燃料电池汽车、部分氢和氨可供京津冀地区。

北京氢能国际合作和技术研发中试。依托国际氢能中心开展交流与合作，包括国际研究、会议和展览等。依托北京未来氢谷中试研发平台，建设氢能技术中试规模的装备试制、集成测试、氢能产品测试评价以及产业数据智能分析的一站式平台。

包头氢能重卡示范验证和推广。包头是全球少数同时具备可再生能源制氢成本优势和相关产业工业基础的地区，是国家能源局批复建设的可再生能源综合应用示范区，具有丰富的一级风场资源、铁矿和稀土在内的聚集性矿产资源以及包头钢铁与北方奔驰等重工业制造业，具有开展基于可再生能源的绿氢产业链的资源优势、经济条件和减碳诉求。具体内容包括：5 GW 可再生能源互联网示范、30 万t/a 氢的大规模电解水制氢和液氢示范、110 t 直接还原铁的绿色冶金、120 t 绿氨/年的绿色化工，以及大规模的49 t 以上的氢能重卡示范。

4 结 语

国际上氢燃料电池汽车的发展仍处于推广的初期，集中在美国、日本、韩国、中国等4 个区域，作为各国发展战略的具体体现，各自的路线图和里程碑仍在不断更新过程中，美国将重点推广领域从特殊领域的氢燃料电池叉车开始转向重型长途卡车。氢燃料电池汽车技术路线图的制定促进了中国氢燃料电池汽车技术进步和推广应用规模的扩大。中国氢燃料电池汽车技术指标提前逼近2025 年目标，但是成本仍偏高，需要规模化降成本。氢燃料电池客车在张家口与2022 北京冬奥的大规模应用是成功的，可以进一步拓展到重载卡车的推广应用。