燃料电池电动汽车发展现状和趋势

2023年11月18日发(作者：2012吉利全球鹰汽车多少钱)

燃料电池电动汽车发展现状和趋势

燃料电池电动汽车是指由燃料电池系统作为动力源或主动力源的汽车。燃料电池是一种将外

部供应的燃料（氢）和氧化剂（氧）中的化学能通过电化学反应直接转化为电能、热能和其

他反应产物的发电装置，其过程不涉及燃烧，无机械损耗，能量转化率高，产物仅为电、热

和水蒸气，运行平稳，无振动和噪声，被认为是21世纪的绿色能源。燃料电池电动汽车一

般包括纯燃料电池驱动，或者燃料电池加上动力电池的电-电混合动力驱动，由于后者相对

前者可以实现制动能量回收，可以实现更好的经济性和耐久性，因此越来越多被工业界所采

用。基本上可以说，目前的燃料电池电动汽车，实际指燃料电池（加动力电池的）混合动力

汽车。

《中国制造2025》将“节能与新能源汽车”作为重点发展领域，明确了“继续支持电动汽

车、燃料电池电动汽车发展”的要求，为新能源汽车的发展指明了方向。其中，首次明确提

出了针对燃料电池电动汽车的国家层面的规划，包括推广数量及关键技术指标，即2020年

实现燃料电池关键材料批量化生产的质量控制和保证能力，生产1000辆燃料电池电动汽车

并进行示范运行；到2025年，制氢、加氢等配套基础设施基本完善，燃料电池电动汽车实

现区域小规模运行。这些目标充分体现了国家推广燃料电池电动汽车的决心。然而，通过比

对国外同期的技术及产业发展水平，发现尽管国家规划对燃料电池电动汽车未来的各项要求

已经较目前水平有了大幅提升，但是距离国外标杆企业仍有较大差距。本文将从国内外的燃

料电池电动汽车技术及产业实际发展情况出发，说明目前国内燃料电池电动汽车研发和推广

所处的实际水平及产业发展所面临的问题，提出在《中国制造2025》指导下未来燃料电池

电动汽车发展的相关建议。

一 国外燃料电池电动汽车发展现状和趋势

在过去的25年间，世界各国主要汽车生产商一直在进行有关燃料电池电动汽车的研发，只

是侧重点不同而已。随着20世纪90年代燃料电池电堆的发展，汽车生产商们纷纷意识到燃

料电池电堆对于整车性能及成本至关重要，并在2000～2010年间纷纷开始自主研发燃料电

池。在2008～2015年期间，燃料电池的耐久性、环境适应性和成本取得了明显的进步，汽

车生产商们预计2020～2030年间将迎来燃料电池电动汽车的市场化，并纷纷提出要在2020

年前上市其燃料电池电动汽车产品。美国、日本、韩国及欧盟等国家政府也积极计划部署加

氢站建设来支撑早期的燃料电池电动汽车市场发展。

（一）美国和加拿大

美国和加拿大是燃料电池研发和示范的主要区域。在美国能源部（DOE）、交通部（DOT）和

环保局（EPA）等部门的支持下，燃料电池技术近年来取得了很大的进步，通用、福特、丰

田、戴姆勒奔驰、日产、现代等整车企业都在美国加州参加了燃料电池电动汽车的技术示范

运行，并培育了联合技术公司（UTC，美国）、巴拉德（Ballad，加拿大）等国际知名的燃

料电池研发和制造企业。

美国在2006年专门启动了国家燃料电池公共汽车计划（National Fuelcell City Bus

Program，NFCBP），进行了广泛的车辆研发和示范工作。2011年美国燃料电池公共汽车实

际道路示范运行单车寿命最长超过11000小时；到2015年，运行的公交车平均累计运行

[1]

时间已经达到9000小时（仍然在运行），最长的车辆寿命超过了18000小时。预计到2016

年底，美国燃料电池公共汽车的使用寿命将达到2万～3万小时，车辆的性能达到传统柴油

客车的水平，实现每天19小时的运行和出勤率，故障间隔里程大于4000英里。

通用曾经于2007年投放了100辆雪佛兰Equinox燃料电池电动汽车直接给消费者使用，

2009年达到了100多万英里的行驶里程。在降低成本和提升燃料电池的性能上，通用新一

[2]

代燃料电池体积比雪佛兰Equinox缩小了一半，重量减轻了220磅，使用的铂金仅为原来的

1/3。预计到2017年，100kW燃料电池发动机的铂金用量将下降到10～15g，达到传统内燃

机三效催化剂的铂金用量水平，将为量产做好准备。表1为美国通用公司的两代燃料电池

[3]

系统性能对比。

表1 美国通用公司两代燃料电池发动机系统的性能对比

表2为美国能源部对燃料电池轿车成本的估计，预计到2020年，在年生产量20万辆的条件

下，随着燃料电池技术的进步（100kW电堆铂用量下降到10g），燃料电池轿车成本将低于

3万美元。

[4]

（二）欧洲

欧洲的燃料电池客车示范计划（HYFLEET-CUTE）从2003～2010年在10个城市示范运行了

30辆第一代戴姆勒燃料电池客车，累计运行130万英里。这些车辆采用“电池+12kW的氢

[5]

燃料电池”的动力形式。在此基础上，欧洲燃料电池客车示范项目（CHIC：Clean Hydrogen

In European Cities）在5个城市开展了26辆第二代燃料电池公共汽车示范运行，期限从

2011～2017年，目标是实现燃料电池电动汽车性能达到目前燃油汽车的标准。该项目由联

合技术倡议（JTI：Joint Technology Initiative’s）燃料电池及氢能合作计划（FCH-

JU）和相关企业资助。两代燃料电池客车性能对比见表3。

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表2 美国能源部橡树岭国家实验室对燃料电池轿车成本的预测

在德国，主要的汽车和能源公司与政府一起承诺：到2015年建立广泛的全国氢燃料加注网

络。2013年初，宝马公司决定与丰田汽车公司合作，由丰田公司向宝马公司提供燃料电池

技术。

（三）日韩

从全球范围看，日本和韩国的燃料电池研发水平目前处于全球领先的水平，尤其是丰田、日

产和现代汽车公司，在燃料电池电动汽车的耐久性、寿命和成本等方面逐步超越了美国和欧

洲。

表3 戴姆勒奔驰的两代燃料电池客车的性能对比

2014年12月，丰田发布了当今最具成本优势、性能最先进的Mirai燃料电池电动汽车（见

图1）。新车售价723.6万日元（约37.8万元人民币）；日本政府补贴后，实际价格520

万日元（约27.1万元人民币）。根据丰田的官方数据，在参照日本JC08燃油模式测试的情

况下，Mirai的巡航里程达到650公里，完成单次氢燃料补给仅需约3分钟，10秒内可以完

成百公里加速，完全能够应付平常的行车需求。

图1 丰田Mirai外观和燃料电池系统

日产汽车也投入巨资开展了燃料电池电堆和轿车的研发。2012年，日产汽车公司研发的电

堆功率密度就达到了2.5kW/L的国际先进水平。本田新开发的FCX Clarity燃料电池电动

[6]

汽车，能够在-30℃顺利启动，续驶里程达到620公里。2014年，本田宣布其燃料电池堆

[7]

功率密度也达到3kW/L。为了推进燃料电池汽车的产业化，丰田公司2015年1月在拉斯维

加斯消费电子展上宣布将无偿公开与燃料电池汽车相关的5680件专利，包括燃料电池组

1970项，高压储氢290项，燃料电池控制系统3350项，加氢站70项。其中与氢基础设施

相关的专利会无限期无偿提供；和车辆相关的专利，针对汽车公司设置了截止到2020年使

用期限，其他车企想要获取相关专利，必须向丰田提出申请，具体的使用条件需双方单独签

署。这能否达到真正的公开效果，还需要时间来检验。

韩国从2002年开始研发燃料电池电动汽车，2005年采用巴拉德的电堆组装了32辆SUV，

2006年推出了自己研发的第一代电堆，组装了30台SUV和4辆大客车，并进行了示范运

行；2009～2012年间，开发了第二代电堆，装配了100台SUV，开始在国内进行示范和测

试，并对电堆性能进行改进；2012～2015年，推出了第三代燃料电池SUV和客车，开始全

球示范。2013年，韩国宣布提前两年开展千辆级别的燃料电池SUV（现代的ix35）生产，

在全球率先进入燃料电池电动汽车千辆级别的小规模生产阶段。该SUV采用了100kW燃料电

池、24kW锂离子电池和100kW电机，70MPa的氢瓶可以储5.6kg氢气，NEDC循环工况续驶

里程588km，最高车速160km/h。2015年，美国华德公司（Ward）将该燃料电池发动机评

[8]

为北美年度十佳量产的发动机之一，这是燃料电池首次入选，详见表4。

表4 2015年北美十佳发动机清单

（四）发展趋势总结

从美洲、欧洲和日韩等发达国家和地区的燃料电池电动汽车发展现状看，全球主要汽车公司

大都已经完成了燃料电池电动汽车的基本性能研发阶段，解决了若干关键技术问题，其整车

性能、可靠性、寿命和环境适应性等各方面均已基本达到了和传统汽车相媲美的水平，详见

表5和表6。随着这些发达国家的燃料电池电动汽车技术趋于成熟，其研究重点也逐渐集中

到提高燃料电池功率密度、延长燃料电池寿命、提升燃料电池系统低温启动性能、降低燃料

电池系统成本、大规模建设加氢基础设施、推广商业化的示范等方面。据美国能源部预测，

2017年燃料电池系统的成本将下降到$30/kW，达到和内燃机成本同样的水平。

表5 几款主流燃料电池轿车性能参数对比

表6 全球典型燃料电池巴士的技术参数对比

续表

为了实现该目标，世界各国纷纷制定了各自的加氢站建设规划以配合燃料电池电动汽车的推

广应用。日本目前在名古屋、东京、大阪和福冈四个城市之间拟建造100座加氢站，在

2025年前扩大到1000个加氢站；到2030年计划建成覆盖全国的加氢站数量达到5000个，

燃料电池电动汽车的比例超过10%。韩国到2015年已经建设了13座加氢站，预计到2020

年建设168座加氢站，沿韩国高速公路建设成氢高速公路。美国计划于2017年建成至少84

座加氢站，达到单站日产500公斤以上的氢气产量。虽然计划十分恢宏，但是各国加氢站的

实际建设进度并没有预计的那么快。加氢站的建设成本是加油站的5倍，且加氢站在城市中

建设还面临一系列诸如土地和安全法规的限制。日本经产省通过发布《氢燃料电池车普及策

略》、修正《高压气体保安法》等措施为日本的燃料电池电动汽车及加氢站的规划打下政策

基础，也为其他国家促进燃料电池电动汽车的发展提供了相关法律法规及政策支持的参考。

二 中国燃料电池电动汽车发展现状与差距分析

（一）发展现状

在国家“863”计划“十五”电动汽车重大科技专项、“十一五”节能与新能源汽车重大项

目、“十二五”电动汽车关键技术与系统集成重大项目的支持下，通过产学研联合研发团队

的刻苦攻关，我国的燃料电池电动汽车技术研发取得重大进展，初步掌握了燃料电池电堆和

关键材料、动力系统与核心部件、整车集成和氢能基础设施的核心技术，基本建立了具有自

主知识产权的燃料电池轿车与燃料电池城市客车动力系统技术平台，也初步形成了燃料电池

发动机、动力电池、DC/DC变换器、驱动电机、供氢系统等关键零部件的配套研发体系，实

现了百辆级动力系统与整车的生产能力，先后在北京奥运会和上海世博会上进行了示范运

行。图2为上汽制定的燃料电池轿车发展规划，图3为我国燃料电池客车的研发历程。

图2 2013年上汽公布的燃料电池研发计划

图3 中国燃料电池客车研发历程

（二）技术和产业的差距分析

我国燃料电池轿车和国外典型产品的性能对比，在整车总布置、动力性、经济性、续驶里程

等方面与国际的差距不大，混合动力系统集成和控制的水平差距也不大。但是燃料电池发动

机的功率明显低于国外水平，国内典型轿车例如上汽的燃料电池发动机在35～50kW左右，

但是国外的基本在90～100kW的水平。根本原因在我国装车的燃料电池发动机的体积比功率

密度远远低于国外先进水平，而轿车可以提供燃料电池安装的空间有限，从而限制了我们的

燃料电池发动机的总功率。尽管在“十二五”期间我国已经突破了金属双极板电堆的关键技

术，样堆的功率密度达到了2kW/L，但是该电堆还没有形成完整的燃料电池发动机并装车。

预计“十三五”期间该差距将明显缩短，从而可以提高我国轿车燃料电池发动机的整体功率

水平。

我国燃料电池城市客车性能多数指标（加速时间、最高车速、续驶里程、氢气消耗量等）和

国外产品水平相当，其中氢耗指标和整车成本还有一定优势。我国的客车的燃料电池混合动

力系统的构型和集成水平在国际上是处于先进水平，但是由于我国的燃料电池发动机本身的

耐久性和国外相比还比较低，使得我国燃料电池客车耐久性（3000h）和寿命明显低于国外

燃料电池客车（10000h）的水平。

目前我国已经装车的燃料电池发动机，还没有采用高功率密度的金属双极板，而采用的是碳

板或者复合板。如果与国外也用碳板或者复合板的燃料电池发动机相比，我们的发动机功率

密度基本相当，在1kW/L的水平；但如果与金属双极板的电堆相比，功率密度差距明显；国

外基本在2.5～3kW/L的水平。我国的燃料电池发动机的耐久性和国外有明显的差距，国外

的电堆在客车工况下寿命已经达到了18000小时，我们的电堆寿命还只有几千小时。

中国新能源汽车产业发展报告（2015）

图4 我国燃料电池发动机、燃料电池轿车与燃料电池客车的对标与2020年目标

在燃料电池发动机关键零部件方面，我国与国外水平相比差距较大，基本没有成熟产品，产

业链配套体系很不完善，具体情况如表7所示，而这些附件非常重要，是影响电堆性能和寿

命的关键。其中空压机组件（包括空压机加上空压机电机等）不仅是限制燃料电池发动机功

率密度（从而降低成本）的重要原因之一，也是影响发动机的可靠性和耐久性的重要部件。

又如氢气再循环泵是解决电堆水管理的重要部件，也是影响燃料电池发动机的耐久性的重要

部件，但是我国尚未有研发并批量生产的企业，需要针对这些零部件开展研制攻关和国际合

作。

世界主要汽车工业发达国家都制定了氢能基础设施的发展技术路线图，并由能源公司牵头大

力建设加氢站等基础设施，相关计划见表8。我国目前还没有明确的加氢站等基础设施的建

设规划。国外已经发展到70MPa的车载储氢系统和对应的加氢站，我国目前还只有35MPa，

也限制车载氢系统的储氢能力。

表7 燃料电池发动机零部件的国内外性能对比（2014年）

表8 现有各国加氢站规划对比

三 中国燃料电池电动汽车发展思路及建议

（一）发展思路

我国应从电堆材料和关键零部件、燃料电池发动机、动力系统和整车、氢能利用等四个层

次，开展技术研发和攻关，突破以燃料电池发动机为核心的关键技术，实现规模化生产的产

业链构建，满足《中国制造2025》的目标需求（见图5）。加深燃料电池的材料新体系及其

电化学过程的基础研究，为突破高功率密度的燃料电池电堆的设计和制造工艺等提供理论支

撑；深入开展燃料电池发动机的关键零部件（空压机、氢气再循环泵）设计、研制和测试匹

配，提高主要零部件的性能和可靠性，为燃料电池的高功率、高效率、长寿命和高可靠性奠

定基础；重点开展以金属双极板为特征的高功率密度、低成本的燃料电池发动机系统及关键

零部件研究，大幅度提高轿车用燃料电池发动机的性能指标，使其功率体积比满足轿车的紧

凑空间的需求；加强动力系统集成设计和控制优化，使得燃料电池发动机的耐久性和环境适

应性可以满足各种车辆的使用需求；加速开展氢能的制-储-输-运体系研究和基础设施建

设，支撑燃料电池电动汽车的规模化示范和推广应用；加快开展中德、中美等燃料电池电动

汽车的国际合作，加快我国在燃料电池电动汽车领域的技术引进消化和产业链整合。

图5 燃料电池电动汽车研发总体思路

（二）发展目标

建议从行业的角度，制定燃料电池电动汽车的中长期发展规划，确定相应的关键技术指标和

产业化指标，指导全行业的发展。其中燃料电池轿车及其发动机的技术发展阶段目标如表9

所示，燃料电池客车及其发动机的技术发展阶段目标如表10所示。

表9 燃料电池轿车及其发动机的阶段目标

表10 燃料电池客车及其发动机的阶段目标

（三）发展建议

1.产业技术建议

以现有技术和近期可突破技术评估为基础，建议加强“材料和零部件-燃料电池发动机-动力

系统-整车-加氢基础设施”全链条的关键、核心技术攻关。

（1）开展低铂、非铂催化剂及其载体、高性能低成本的MEA设计与制造技术、耐腐蚀导电

性薄型金属/石墨复合双极板和高比功率燃料电池电堆等关键材料的研究，力求取得技术突

破；针对空压机、氢气喷射器、氢气再循环泵等燃料电池关键零部件开展产业化攻关，提高

自主研发和配套能力。

（2）针对不同类型、不同功率、不同使用环境的车载燃料电池系统形成系列化的产品开发

能力及产品批量加工能力，满足以轿车和客车为需求的量大系列燃料电池发动机系统，解决

燃料电池发动机的耐久性、经济性、环境适应性和成本等关键技术问题。

（3）深入研究以燃料电池-动力电池为核心的混合动力系统技术平台，开发燃料电池发动

机、动力电池和驱动电机等关键部件的功率密度与能量密度、可靠性、耐久性以及低温启动

等技术，提高它们的性能和环境适应性，同时大幅度降低成本。提高燃料电池寿命，首先改

进车身结构，特别是减震系统，以减轻电池震动；其次，采用合理的动力混合方式，扬长避

短；同时，研究新的控制方式，以改善频繁变化的运行状况对电池性能和寿命的影响。

（4）加强燃料电池电动汽车动力系统与整车的工程化水平，在整车与动力系统的智能控

制、可靠性、安全性以及耐久性等方面形成自主核心技术，支持全新结构燃料电池电动汽车

尤其是中高级燃料电池电动汽车全新结构整车平台开发，并建立小批量生产的能力。

（5）加快新能源制氢和天然气重整制氢的基础设施建设，吸引能源企业投入，同时加快

35MPa储氢和70MPa储氢的高压储氢系统的产业化攻关，研究降低储氢系统成本，研究加氢

站的关键技术、布局规划，示范运行和标准规范等。提出明确的制氢、储氢和加氢站建设目

标。优先发展各种先进、高效的移动制/加氢技术，在考虑与固定加氢站组网形成加氢网络

为燃料电池电动汽车服务的同时，兼顾解决燃料电池备用电源及分布式能源的氢供给难题。

2.产业环境建议

动汽车、关键材料及部件，加氢基础设施相关技术标准及测试规范体系、安全风险评估体

系，并积极参与相关国际标准制定；研究并完善燃料电池电动汽车商业化推广模式，加强市

场培育和宣传普及；加强国际合作和交流，力争以多种形式借助国际科研资源、产业资源尽

快缩小差距，提高燃料电池电动汽车发展水平。

四 结论和展望

燃料电池电动汽车作为未来最有可能替代燃油车的新能源汽车，被寄予了很高的期望，但受

限于燃料电池及核心部件的技术瓶颈及高成本，以及有限加氢基础设施建设，将在未来很长

一段时间内与混合动力汽车、纯电动汽车共存。基于日本等先进国家的经验，燃料电池电动

汽车技术的发展，需要国家层面明晰的战略和持续的资金支持。《中国制造2025》的发

布，明确了2025年前要实现万辆级燃料电池电动汽车的产量及示范应用规模，这无疑给产

业发展带来了一次机会。燃料电池电动汽车关键技术的不断突破，成本的持续降低，产业链

的协同发展，示范应用规模的扩大及基础设施的不断完善，乃至商业模式的创新等，在这次