氢燃料电池汽车的现状及未来发展趋势

何家海

摘 要：为了提高系统的能源灵活性和延长燃料电池的使用寿命，目前使用氢燃料电池的汽车主要采用以燃料电池为基础的混合能源系统，提供备用电力作为辅助能源。如何分配有源能源和辅助能源是需要解决的一个优先问题，这是整个能源管理战略的中心内容。在此基础上，分析了改进氢燃料电池汽车整体能源管理策略的途径。目的通过氢燃料管理和提高生命周期节约能源策略，提高氢燃料电池汽车系统部件的使用寿命，实现能源之间的最佳能量分配，促进氢燃料电池汽车行业的可持续发展。

关键词：氢电池 汽车 现状 发展

Abstract：In order to improve the energy flexibility of the system and extend the service life of fuel cells， the current vehicles using hydrogen fuel cells mainly use fuel cell-based hybrid energy systems， providing backup power as auxiliary energy. The allocation of active and auxiliary energy is a priority issue that needs to be addressed， which is central to the overall energy management strategy. On this basis， the ways to improve the overall energy management strategy of hydrogen fuel cell vehicles are analyzed. Through hydrogen fuel management， the life cycle energy saving strategies is improved， improving the service life of hydrogen fuel cell vehicle system components， achieving optimal energy distribution between energy sources， and promoting the sustainable development of hydrogen fuel cell automotive industry.

Key words：hydrogen battery， automobile， current situation， development

1 引言

在全球向绿色低碳技术转型的趋势下， 氢作为一种清洁高效的可再生能源，已成为能源技术发展的新方向。世界各国正在加速形成以氢能为核心的全球产业链。氢动力汽车是一种具有广阔发展前景的新型能源汽车。虽然氢动力汽车的发展前景广阔，但在核心部件的研究和开发方面存在一些问题，氢燃料电池的生产难度大，许多关键技术没有突破。氢燃料电池是在催化剂的作用下，将化学反应产生的能量直接转化为电能，可以实现高能量转换效率而无污染，保持了生态平衡。

2 氢能源的分类及优势

2.1 分类

可再生能源的主要来源是电力和氢气，它们在节能和储能方面相辅相成，是无碳工业不可或缺的原材料。中国可再生能源装机容量居世界第一。为高纯度碳氢化合物的发展提供了巨大机遇。李毅部长说“灰色氢是不可取的，蓝色氢是可以利用的，残留氢是可以回收的，绿色氢是方向。”目前，能源链中90%的氫能源来自传统的干气制氢和天然气矿物燃料制氢，避免大量的二氧化碳排放量。蓝氢占不可再生能源产生的氢能源的9%，但已达到低二氧化碳排放阈值。蓝氢的生产有望在未来持续增长。1%的氢能属于绿氢，来自风能、太阳能等可再生能源。绿氢实现了零二氧化碳排放的最终目标。

2.2 优势

目前，国内氢能工业虽然处于发展初期，但已取得积极进展。氢能的优势首先是技术优势。氢能利用技术可分为上游制氢技术、中游储氢输送技术、下游加氢技术和最终应用。2020年是全球氢能加速发展的一年，二氧化碳排放量达到峰值。根据碳中和战略进行中和是中国氢能发展的第一推动力。这为加快氢能利用技术的研究和氢能最终应用的开发提供了良好的基础。氢燃烧产物是水，是世界上最清洁的能源，符合低碳排放的要求。氢可以适应寒冷的气候，并且不受电网的影响，不受电池寿命的影响。在工业中，氢气的效率不受负荷的影响，可以快速加入能源。

（1）充电时间短。目前，普通可充电电动汽车充电到满载状态需要30分钟，车辆能够行驶几个小时。对于氢燃料电力机车，它不需要充电，只需要充氢。充氢瓶所需时间小于5分钟，大大缩短了充氢时间。

（2）更长的耐力。目前，根据宝马的结论，氢动力汽车可以行驶480公里。如果传统可充电电动汽车的续航里程达到480公里，电池的容量必须大大超过氢储存罐的容量。因此，在相同体积下，会提供更长的航行时间。

（3）不怕霜冻，性能更稳定。众所周知，电池损耗是一个不可逆转的过程。随着充放电次数的增加，电池的峰值性能将越来越低。在北方的朋友，无论是在电力机车上还是在手机上工作，都会感觉到，而且他们的性能大大降低，甚至无法正常放电。然而，氢燃料电力机车不会受到这两种情况的影响。宝马iX5氢燃料版本已经在北极圈进行了测试，结果表明iX5在-20°C的低温下保持了最佳性能。

3 我国现有氢燃料电池汽车行业发展概述

中国发展氢燃料电池汽车起步较晚，但经过多年的努力和国家有关部门在政策、资金等方面的大力支持，中国在氢燃料电池汽车的发展上取得了长足的进步。目前，中国市场的氢燃料电池汽车也开始规模化，形成了系统完善的产业链。一是在政策支持方面，有关部门高度重视发展以新能源为基础的汽车，出台了一系列政策支持文件。与此同时，中国加大了对氢燃料电池汽车的补贴力度，从这个角度来看，中国相关部委和政策机构已经做出了巨大努力。此外，从整体市场产业发展的角度来看，目前我国以氢燃料电池汽车为主的产业链，已经具备了自主完成从制氢到储氢，以及燃料电池和车辆的系统生产链的能力。通过系统产业链的发展，我国在氢燃料电池汽车市场上具有一定的规模经济优势，目前仍有许多综合性企业通过金融并购股票的方式，在氢燃料电池汽车中逐步向前发展，不断完善和丰富我们在该行业的布局和空间规划。三是在技术支撑领域，氢燃料汽车行业的发展，只有拥有自主所有权和相关技术专利，才能在未来掌握这一领域的关键竞争力，目前我国在这一领域取得了新的突破，在此基础上形成了自主知识产权，与国际领先水平与发展动态相匹配。

4 新能源汽车发展现状

我国氢燃料电池汽车产业的发展起步较晚，但经过多年的努力和国家有关部门在政策和资金方面的大力支持，我国氢能源电池汽车产业发展取得了长足进步。目前，中国市场上的氢燃料电池汽车产业已开始规模化，形成了系统完整的产业链。

4.1 新能源汽车在市场消费中存在不平衡的问题

我国新能源汽车消费在区域消费中存在着不平衡性。主要表现在东部新能源消费活跃，西部新能源消费低，城市新能源消费高，农村新能源消费缓慢。一是东部地区经济发展水平较高，基础设施相对完善，环保消费意识明显增强，新能源汽车在东部地区占有一定的市场地位。由于经济发展滞后和基础设施不足，新能源消费受到限制。第二，在有充电站的城市，使用新能源发动机不是一个主要问题，而是在农村地区。由于生活条件差，交通落后，新能源汽车在农村无法得到很好的发展。

4.2 燃料电池技术发展水平有待提高

目前，我国氢燃料电池汽车产业发展中的技术、知识产权和专利主要集中在整体汽车制造及相关行业，而与氢燃料电池相关的基础研究也存在相对落后的方面。對于新型燃料电池汽车产业的发展，燃料电池和汽车动力部件是关键和核心。在这方面，中国与世界领先水平仍有差距。例如，目前我国氢燃料电池的生产能力约为2kW，而国外先进水平已超过3.1kW。因此，下一步需要对氢燃料电池和电池组的基础研究进行更多的研究和探索。

4.3 氢燃料电池汽车生产成本有待降低

与传统能源电池和传统汽车相比，氢燃料电池的释放基于更环保和高效的资源。然而，如何更有效地控制氢燃料电池的生产成本，降低汽车的整体生产成本，提高汽车的整体盈利能力，也值得关注。目前，中国自主生产的氢燃料电池汽车的生产成本接近总成本的65%，这一比例仍然较高。

4.4 氢能源供应体系有待健全

对于使用氢燃料电池的车辆，仅完成车辆的综合生产和销售是远远不够的。更重要的是如何实现系统的后期改进和氢气的轻松供应。尽管我国在氢资源的生产和运输方面取得了长足进展，但市场上现有的加氢站不仅规模小，而且缺乏统一的市场监管体系，导致氢气质量不符合使用要求或成本高，这严重阻碍了氢燃料电池汽车的发展和运营。

5 氢燃料电池汽车的关键技术

5.1 整车总体设计

氢燃料电池汽车采用新的动力传动系统和电反馈制动系统。根据氢燃料电池混合动力汽车的特点，需要对车辆的设计进行调整。最常见的设计思想是未来的汽车设计方法和现有的汽车设计方法。目前的车辆设计方法较为完善，主要侧重于燃料电池技术的开发和整体部署优化、动力系统的整体匹配、车辆管理、通信等关键技术。首先是安全，主要是连续性，以确保一致性。尤其是从整机设计到整机参数的确定，车身设计、三维底盘配置、干涉和运动控制是设计的核心。流程清晰，设计合理。

5.2 动力系统参数匹配

发动机的最大功率应满足爬山加速时的功率要求。在此过程中，作为发电机的发动机还必须满足整个车辆管理政策中的过充电功率保护需求。在设计最大和最小传动比时，必须考虑车辆的升力、离合器系数和最小稳定速度。根据车辆的最大升力和最小稳定速度计算最大传动系数。系统的最小传动比足以满足氢燃料电池的最大速度要求。变速箱和终传动之间的传动比已确定。为了结合发动机转速以确保其抗升力能力、中间级增压特性和上层的最大速度功率，减速器和最终减速器的传动比必须正确匹配。

6 氢燃料电池汽车的发展方向

6.1 完善基础建设

新能源的使用，如果设备基础设施不完善，将直接影响用户的感知。因此，为了提高新能源的市场准入质量，我们必须首先解决消费者问题，从而配置供应基础设施。首先要观察氢燃料电池的运行现状，在城市新建加氢站，方便用户在新能源使用过程中找到加氢能源，减少用户在使用过程中出现的能源短缺问题。

6.2 加强加氢站产业建设

在低碳环保的条件下，各行各业都在经历技术变革、观念变革、节能环保。低碳绿色是未来产业发展的趋势，新能源汽车产业符合低碳绿色产品的发展方向。加氢站的建设是中国氢能工业发展的基础。中国的“加氢站”规划主要集中在经济发达的城市，尚未形成大规模的产业规划。一方面，中国的产业规划很少。另一方面，国家尚未制定一套完整的行业标准和技术规范，以满足现阶段加氢站建设的需要。目前，与加氢站配套的备用压力机和储能罐以及供氢设备主要进口。加氢站内部参数为35MPa，建设成本约为1500万至2000万美元人民币。氢能工厂建设中的主要问题是目前无法独立生产主要部件。加氢站建设具有施工时间长、短期利润低和运输成本高等特优点。施工审批过程复杂且不一致。国家应该出台相关政策支持打造产业创新平台。2022年初，国家发改委和教育部发布了《华北广播电视大学国家储能技术创新平台项目可行性研究报告》。随后，华北广播电视大学氢技术创新中心正式成立。创新平台和创新中心围绕电化学储能、氢能、电网应用技术等关键技术。本专业包括能源与工程物理、化学工程、制氢有机结合、储氢、氢气安全、氢能等氢能模块，这将为我国能源结构的转型和氢能工业的发展提供良好的智力支持。

6.3 投资研发氢燃料电池

高度重视发展氢能产业，积极推进新能源汽车、氢燃料电池、氢能等领域的技术创新。探索“十四五”期间确定的创新技术任务，制定技术路线，实现高效制氢、储氢、储能等任务。通过专项资金和科技创新资金支持相关研发活动、核心活动、基础科学研究和国家重点实验室。企业和其他创新实体将首先投资于各种科技活动，然后在获得补贴后进行投资。帮助企业成为技术创新、研发投资、科研机构和成果的真正决策者。大规模制氢、高密度储氢、大规模氢气输送、燃料电池生产、氢气安全监测测试设备、基础研究、全链条集成、系统集成、关键技术示范应用。加强科研和联合生产，建立强大的企业联盟，推动下一代技术进步。“十四五”期间，科技部将在前期工作的基础上，以满足能源革命、交通运输、能源等关键技术的基本需求为重点，制定国家氢能源关键技术研究开发计划。我们还将与相关部门合作，设计并积极组织研发，包括相关规划和部署优先事项。

6.4 加强氢燃料电池汽车的后期维护

近年来，氢燃料电池汽车的诞生时间相对较短，其发展还有许多不成熟的地方。许多大品牌汽车制造商和公司将建立相应的培训体系，以促进氢燃料电池汽车的日常维护顺利进行。维护前，必须进行必要的准备。首先，检查控制器和电池是否有问题，能否正常工作。其次，检查输电线，如真空管等输送电气管道是否处于良好状态，并检查控制系统。最后，必须检查制动系统，以便机器能够正常工作。在维修氢燃料电池汽车时，维修人员应不断总结经验，训练反应能力。车辆发生故障后，他们应及时确定发生了什么问题并进行维护，这可以促进新能源汽车的发展，并为用户提供良好的售后服务。

7 促进氢燃料电池汽车发展措施

7.1 強化关键核心技术创新与引进工作

目前，我国氢燃料电池汽车工业的发展还存在核心技术与世界领先的差距。要有效缩小这一差距，不仅要继续开展国家科技创新，还要加强与国际相关先进机构的合作。创新和技术发展以多种方式进行。具体而言，首先要进行三个主要领域的升级，首先是燃料电池的基础研究，深入研究如何进一步提高汽车燃料电池的成本效益和效率。二是规模配套零件的生产。例如压缩机、循环泵等。第三个方面是氢燃料电池反应堆的相关技术，在催化剂、两极板等关键元件的更多元化功能和更可控成本之间取得平衡。通过内外关系正常化，有效互动，建立国家重点科研实验室，建立专项科研计划。

7.2 进一步加大政府政策资金支持

目前氢燃料电池汽车在关键核心技术和氢燃料电池开发等领域存在的问题，部分原因是政府政策和资金支持不符合市场需求。有鉴于此，政府还需要进一步加大政策、资金等领域的支持力度，在氢燃料电池汽车基础设施开发、基础研究等领域建立特别政策优惠和资金支持，以促进企业在相关领域的发展。此外，需要进一步研究和探索通过税收优惠进一步扩大氢燃料电池生产规模和进口关键核心技术和零部件的可行性。使这一产业链内的市场发展机制多样化，充分发挥政策支持、政策激励和政策引导的关键作用。

7.3 建立健全氢能源供应系统

在这方面，我们认识到目前氢燃料电池汽车的后续发展过程中出现了市场标准不规则和不协调等问题。在下一个发展阶段，一方面国家有关部门要制定规范统一市场标准，实行科学管理方法，在有条件的地区建设加氢站并进行质量控制；另一方面，需要进行更深入的科学研究，改进与氢能有关的专门技术，并提供更方便科学的服务。此外，还需要从市场角度进行合理的商业规划和商业布局，进一步推动氢燃料电池汽车产业的市场发展和进步。

8 结语

总的来说，在大力倡导能源保护的市场环境下，氢燃料电池汽车符合时代发展轨迹，是未来长期发展的重要产品。因此，必须重视氢燃料电池汽车产业的发展，为技术发展、政策支持和市场完善做好充分准备。结合现代氢燃料电池技术，重点将放在使用氢气的车辆上。目前氢能的大规模使用将有助于中国走上以氢为基础的自给自足能源社会的建设道路，并促进氢燃料电池汽车的可持续发展。

参考文献：

[1]刘元媛，陈露露.氢燃料电池汽车产业发展政策环境及口碑营销策略[J].中阿科技论坛（中英文），2022，（02）：67-70.

[2]郭凯.插电式氢燃料电池汽车研究现状及未来发展概述[J].汽车实用技术，2020（16）：6-8.

[3]樊春艳，朱成，蔡国钦，刘沙.中国氢燃料电池汽车产业链分析研究[J].科技与创新，2021，（03）：24-27.

[4]王立波.我国氢燃料电池客车产业发展现况及趋势[J].内燃机与配件，2020（05）：186-187.

[5]关爱如，杜立红，孙占涛，王涛.分析新能源汽车维修中电子诊断技术的应用[J].内燃机与配件，2021（11）：135-136.

[6]黄鹏飞，王浦舟，邓方，徐晓宇.新能源汽车的故障问题与维修关键技术探析[J].时代汽车，2020（23）：86-87.