氢燃料电池动力技术在物流运输中的应用

李秋林

（成都工业学院经济与管理学院，成都611730）

　　摘要：化石燃料的迅速枯竭和环境问题正在推动能源结构向可再生能源进行过渡。目前，运输消耗的燃料主要来自化石能源，更强的运输需求对环境和气候有很大的威胁。氢燃料电池动力汽车使用氢能是化石燃料的清洁替代品。对氢燃料电池在国内最新的政策和市场应用情况进行总结，对其关键技术进行介绍，并对现有的应用场景进行分析，梳理其未来的发展趋势，为氢燃料电池动力汽车在物流运输行业的未来发展提供参考和指导。

　　许多环境问题都是由化石能源生产、转化和利用引起的，产生酸雨、氮氧化物、臭氧消耗等，从而带来全球气候变化等危害。由于PM2.5严重超标，人类得到了持续雾霾天气的警告，对人类赖以生存的美好居住环境造成了直接的威胁。化石能源的消耗产生的碳排放是一个地方温室气体的重要来源，因此，缓解气候问题的关键也是积极调整能源机构，使得传统化石能源向清洁能源过渡。同时，能源是决定一个国家经济、基础设施、交通和生活水平的一个因素，是国家社会发展和科技进步的物质基础，但由于三大化石能源的不断使用，节能环保问题变得越来越严重[1]。2021年一次能源需求增长了5.8%，比2019年高出1.3%[2]。预计未来世界能源需求的增长趋势将持续下去。因此，需要不断增加对可再生能源的开发和利用。目前，几乎所有国家都更多依赖化石燃料进行能源生产，而这些化石燃料不是可持续的来源。为了满足快速增长的全球人口的能源需求，必须升级到不会对环境产生负面影响的替代性可持续能源。

　　2010年，中国CO₂排放量达到83.3亿t，超过美国61.4亿t，占全球碳排放量的1/4，为全球最大的碳排放国[3]。2009年在根本哈根气候大会上，中国政府就碳减排目标作出了明确的承诺，力争在2030年实现碳达峰。根据《bp世界能源统计年鉴》2022版数据显示[4]，中国内地在2021年一次能源消耗量中排名第1，高达157.65亿t。统计2011—2021年的消耗量数据（图1）可以发现，中国大陆的一次能源消耗量占绝对地位。

　　氢气可能被视为清洁能源载体和未来能源使用的储存介质，作为燃料，它提供了无碳解决方案。根据能源转型中的全球能源系统的数据显示[5]，在2050年之前，传统的固体能源利用会越来越低，以氢为代表的气体能源将受到广泛关注，氢的能量密度高，释放的能量足以使汽车的发动机运转。太阳能和风能等可再生能源受到其间歇性质的限制，在提供更好的生存环境和可持续性发展方面，氢能系统似乎是最有效的解决方案之一。氢气不会间歇性，它是一种可以储存的稳定气体。可持续氢气生产为减少各种电力使用部门的CO₂排放提供了额外的替代解决方案。特别是，如果氢气用于燃料电池等高效能量转换系统，对汽车工业具有革命性的意义。

　　1氢燃料电池动力技术的发展现状

　　1.1氢燃料动力技术介绍

　　燃料电池是将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。目前，燃料电池技术的应用大致可以分为3个方向，分别有用于移动的便携式燃料电池，包括辅助动力装置（APU）、为固定位置提供动力的固定式动力燃料电池，以及为车辆提供主要推进或增程能力的运输燃料电池。氢燃料电池汽车在《国家创新驱动发展战略纲要》《中国制造2025》《汽车产业中长期发展规划》等重要战略纲要中，均被列为要大力发展的产业。氢燃料电池车主要由燃料电池系统（包含反应堆、空气压缩机等）、储氢装置、辅助电池、控制装置和驱动电机构成。氢燃料电池汽车依靠电能来驱动汽车发动机，这种能量主要来自氢燃料电池。与其他类型的燃料电池相比，质子交换膜燃料电池（PEMFC）更适合氢燃料电池汽车，因为它在60~80℃下运行时具有高功率密度和低腐蚀的优势[7]。氢燃料电池与传统电池的不同之处在于它们不是储能装置。更准确地说，它们接收氧气和氢气，并迅速将其转化为能量和水[8]。氢燃料电池的理论效率为83%，实际效率可以达到60%~70%。Xiong等[9]证明，氢燃料电池动力叉车的工作效率比锂电池动力叉车高40.6%。氢燃料电池汽车的工作示意图如图1所示，电极仅作为化学反应的场所和导电通道，不参与化学反应。氢燃料电池的燃料是氢和氧，产品是洁净的水，无CO和CO₂，无硫和颗粒废气的完美化学反应结果。

　　1.2氢燃料电池动力技术在商业应用上的优势

　　目前新能源动力的技术路径主要有锂电和氢能两个方向，两者的能源效率都高于传统燃料，目前锂电技术应用更为稳定，其产业发展也更为完善。但具有充电时间长、续航距离有限的不足，相比之下燃料电池更适合长续航场景，且加氢快[10]。因此，燃料电池更符合商用车转型，尤其是对面积大的长距离运输。对比纯电动汽车，氢燃料电池在续航里程、补充燃料时间方面优点突出。例如，比亚迪续驶里程较远的电动车车型，续航可达400km以上，直流快充时长在2h左右；而氢燃料车丰田Mirai续航里程可达650km以上，一次加氢只需3~5min。氢燃料电池由于其能量转换不受卡诺循环的限制，转换效率可达90%，实际使用效率是内燃机的2~3倍，加之综合能源效率、环境友好和高可靠性等优势被认为是21世纪清洁高效发电技术的最佳选择[11]。因此，长续航、低成本的燃料电池是重卡电动化转型、物流运输多场景电动化的较优选择。

　　2中国氢燃料电池动力技术在物流运输领域的应用现状

　　2.1研究综述

　　国内关于氢燃料电池及其相关应用的研究呈逐年上升趋势。刘超等[12]对氢燃料电池在集装箱码头的设备应用上进行了可行性分析，重点分析其在集装箱水平运输设备上的应用，并对比了与柴油机、充电式锂电池等动力设备的区别，认为氢燃料电池在此场景具有可行性与优势。李可和郭哲辉[13]对氢动力技术在交通领域的应用场景、中国氢能的相关政策引导和城市发展、氢动力技术主要技术路线进行了分析，介绍其在物流、港口运输、城际货运、矿石和渣土运输等方面的应用。许桂霞和陆桂军[14]在对广西新能源汽车制造技术和发展的研究中发现，制车已进入发展快车道，但全产业链体系尚未形成。在国外现有研究中，有较多关于氢燃料电池制造、储运、技术工艺改进等环节的专业性研究。Zhang和Maddy[15]研究了氢和氢燃料电池在航空领域应用的挑战和问题，为了减少航空业的碳排放，需要更多的电动飞机投入使用。氢和燃料电池系统创造清洁道路运输的能力已经得到了广泛的测试，可用于监视、通信、交付和无人机运输等场景。Zhao等[16]提出了跨能源系统的混合动力电动汽车也是一种对氢燃料及其动力技术应用的模式，可以作为传统燃料汽车向可再生能源过渡的一种形式。国内外关于氢燃料电池的研究集中在综述、技术突破、应用趋势等范畴，关于物流运输上的应用主要体现在一些固定场景，如重卡运输、船舶运输等，较少有研究就氢燃料电池在物流运输领域的应用进行全面的分析和探讨。

　　2.2政策驱动

　　受双碳战略目标指引，中国持续出台了推动新能源快速发展和能源转型的系列政策。“十四五”规划强调了新能源的战略发展地位，预计到2025年，全国城市物流新能源车占比要达到20%。2020年由国务院发布的新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）明确中国要坚持纯电驱动战略取向，推动燃料电池汽车实现商业化应用。提出要将新能源汽车在城市配送、港口作业等领域加强应用，并为新能源货车通行提供便利，以构建绿色智能的物流体系[17]。在2022年出台的《氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》明确了氢对能源结构积极调整、实现碳达峰中和目标的战略意义，要重点推动其在交通和工业的重碳排放领域的应用，提出氢能基础设施和氢能产业的配套政策体系的具体任务[18]。2023年由八部委发布的启动公共领域车辆全面电动化先行区试点工作，按区域划分了三类城市进行新能源汽车的市场化目标，加大城市物流配送领域的新能源汽车占比。同时，各地市州也对新能源汽车的快速发展作出了积极响应，部分地区相关政策见表1。

　　2.3市场应用情况

　　根据《欧洲氢气路线图报告》的预测结果，到2030年，燃料电池电动汽车（FCEV）将占到每22辆乘用车1辆和每15辆轻型商用车1辆[19]。在中国，新能源汽车的广泛推广比预期来得快，多家氢能运营平台纷纷投放氢能物流示范项目，以京东物流、中国邮政等企业为主的物流公司也开始应用氢能物流车辆。2023年，河北张家口百辆氢燃料电池冷藏车交付运营，搭载亿华通80kW氢燃料动力系统。同年，邮政打造一项零碳氢运示范项目正式启动，京东物流在北京大兴顺利完成了第一批18T氢燃料电池物流车交付，宇通轻卡150台氢燃料轻卡批量交付。近两年多地还提出“氢走廊”的理念，如山东的“济青氢能高速，河南的“长安聊”氢走廊[20]。“成渝氢走廊”宣布打造物流专线，川渝两地将在两年内分批在氢走廊投入400辆氢燃料物流车，2025年前投入约1000辆氢燃料物流车。预计到2025年，中国燃料电池市场规模将达700亿元，这些燃料电池电堆将持续批量运用于大巴、卡车、乘用车等领域。

　　2.4氢燃料电池动力技术在物流运输领域的应用场景

　　氢燃料电池在重卡领域有着较为突出的表现。现阶段大多数重卡都是传统的柴油车，其碳排放压力极大。在中国道路占比4%的重卡汽车保有量贡献了54%左右的碳排放。因此，重卡场景的电动化转型意义重大。高载量和长续航的优势使得氢燃料电池重卡的发展优势大于纯电动重卡。随着氢能物流车的不断市场化应用，其应用场景已经从城配物流轻卡到干线物流重卡转向，投放区域主要集中于京津冀、长三角、珠三角等区域的燃料电池汽车示范城市。从车型来看，投运的氢能物流车有4.5t常温厢式货/冷藏厢式货车、18t氢燃料电池厢式货车及49t氢燃料电池卡车，18t以上的氢能物流重卡也逐步出现在干线运输上。2020年工信部发布《推动公共领域车辆电动化行动计划》，明确加快推进重卡电动化的重要性。2022年新能源重卡销量突破2.5万辆，渗透率达3.7%，远超于2018年的0.1%。未来燃料电池重卡将有望成为新能源重卡主流。

　　同时，在物流运输上的应用还包括燃料电池叉车的快速布局，其加氢快、寿命长、运行稳等优点，比纯电动叉车具有明显的优势。作为非道路工业车辆的物流运载工具，在为托盘货物进行装卸、堆垛和短距离运输的轮式搬运车辆中被广泛使用。2022年，中国叉车销量达到104.8万辆，电动叉车占比逐年提升，但对比欧洲、美国等发达国家平均水平，还有较大的发展空间。市场上的电动叉车还较多依赖铅酸电池，但受充电时间长（每次充电8h左右）、低温环境不稳定、载量小等限制因素，终究要寻求更加适宜的电动化燃料技术。氢燃料电池叉车明显性能更优，且氢燃料电池叉车基础设施配套要求低、集约化利用程度高规模化速度快等特点，将加速其市场化发展。

　　氢燃料电池在物流运输上的应用覆盖牵引车、自卸车、搅拌车、轿运车等诸多车型，满足钢铁、矿山、港口、城建、城市运输等多个场景多元化的零碳运输车需求，如在轻卡应用上，在城配运输方面，轻卡物流的货运量占到70%左右，包括商超配送、快递快运、冷链运输、医药运输等场景。氢能源轻卡在市场上已经经历了油改电、油电共用等过程，将逐步向电动车专用化市场过渡。此外，氢燃料电池在无人机、船舶等方向也体现了应用，仍需不断探索与规模化。

　　2.5氢燃料电池动力技术在物流运输中存在的问题与建议

　　（1）政策补贴逐年退坡。氢燃料电池的商业化应用离不开政府的政策补贴，如车辆免征购置税、燃料电池堆研发减免和补贴政策等促进产业和技术发展的政策。目前，氢燃料电池的成本已经得到了极大的降低，可以逐步适应商业化推广，受市场关注新能源商用价值及补贴回报慢等因素，政策补贴节奏逐步放缓。

　　（2）基础设施建设不及预期。加氢站等氢燃料电池的基础设施建设需要较高的成本投入，前期主要依赖政策的补贴，但由于不同应用场景基础设施要求不同、规模的投入产出比影响等，目前基础设施的建设效果欠佳。

　　（3）产业链不够完整。目前政策的引导和市场的关注度更多在氢燃料电池载具的应用，对完整的产业链如制氢、运氢、储氢等环节还需要进一步完善。

　　但这些问题并非制约氢燃料电池在物流运输领域上的应用，其突出的特点和优势已让市场主体更加关注其商业价值和应用场景，政策引导也更加关注全产业链的细节。企业应加大对技术的投入和应用的探索，不断降低燃料电池堆的成本和提高性能；政府应继续建设基础设施，对全产业链的发展进行引导，相关部门和协会应统一技术标准，制定相关的规范，加强引导技术交流。

　　3氢燃料电池动力技术在物流运输领域的发展趋势

　　3.1技术不断突破

　　中国已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。低成本、长寿命的动力电池和燃料电池系统短板技术攻关、固态动力电池技术研发及产业化将受到持续关注。目前，氢燃料电池相比传统燃料、锂电池的应用，在燃料成本上表现相对不足，根据燃料电池商用车降本路径展望，2025年成本有望较目前下降30%，因此，不断提升电池动力技术，如PEM电解槽降本，对成本控制十分重要。同时，从氢的制造、运输与利用的全环节，氢的储存存在于全流程，十分重要。不断提升氢“制-储-运-加-用”等环节的关键技术，才能有效降低氢的使用成本，推进市场化应用。

　　3.2应用场景多元化

　　对公路运输来讲，干线运输的绿色化发展对整个交通运输的碳减排十分重要。且相对于纯电动车，氢燃料电池物流车续航里程更长、动力性能高、加氢时间短的优势更加适合长距离、载重大的公路干线物流场景。目前燃料电池汽车也正在向干线物流场景探索，如跨区域连通的氢能高速公路，同时氢能物流车也在向更高吨位、更大载重的重卡车型发展，逐步建立燃料电池电动汽车与锂电池纯电动汽车的互补发展模式”。但当前新能源重卡物流还处于不断摸索的阶段，其应用占比不断提升，但经济性未占优势。除公路运输场景外，氢燃料电池还将在无人机、船舶、轨道交通等场景进行示范推广[21]，持续为物流运输业的绿色化发展助力。

　　4结语

　　通过对现有氢燃料电池技术的应用情况进行研究，了解到氢燃料电池的价值极大，从政策驱动和市场主导的双重行动来看，氢燃料电池的发展势在必行，在物流运输行业的应用更是大势所趋。其稳定的资源和零污染的循环性利用是物流业实现绿色化发展和降低成本的首选，需要不断的技术突破、多场景覆盖和配套政策的完善，推动氢燃料电池动力技术在物流运输业的不断发展。后续还将对国内外氢燃料电池的技术范式进行综述分析，挖掘其技术发展的周期和研究关键。