2010年，中國CO2排放量達到83.3億t, 超過美國61.4億t, 占全球碳排放量的1/4,為全球最大的碳排放國[3]。2009年在根本哈根氣候大會上，中國政府就碳減排目標作出了明確的承諾，力爭在2030年實現(xiàn)碳達峰。根據(jù)《bp世界能源統(tǒng)計年鑒》2022版數(shù)據(jù)顯示[4],中國內(nèi)地在2021年一次能源消耗量中排名第1,高達157.65億t。統(tǒng)計2011—2021年的消耗量數(shù)據(jù)(圖1)可以發(fā)現(xiàn)，中國大陸的一次能源消耗量占絕對地位。

氫氣可能被視為清潔能源載體和未來能源使用的儲存介質(zhì)，作為燃料，它提供了無碳解決方案。根據(jù)能源轉(zhuǎn)型中的全球能源系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示[5],在2050年之前，傳統(tǒng)的固體能源利用會越來越低，以氫為代表的氣體能源將受到廣泛關(guān)注，氫的能量密度高，釋放的能量足以使汽車的發(fā)動機運轉(zhuǎn)。太陽能和風能等可再生能源受到其間歇性質(zhì)的限制，在提供更好的生存環(huán)境和可持續(xù)性發(fā)展方面，氫能系統(tǒng)似乎是最有效的解決方案之一。氫氣不會間歇性，它是一種可以儲存的穩(wěn)定氣體?？沙掷m(xù)氫氣生產(chǎn)為減少各種電力使用部門的CO2排放提供了額外的替代解決方案。特別是，如果氫氣用于燃料電池等高效能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，對汽車工業(yè)具有革命性的意義。

1 氫燃料電池動力技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 氫燃料動力技術(shù)介紹

燃料電池是將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。目前，燃料電池技術(shù)的應(yīng)用大致可以分為3個方向，分別有用于移動的便攜式燃料電池，包括輔助動力裝置(APU)、為固定位置提供動力的固定式動力燃料電池，以及為車輛提供主要推進或增程能力的運輸燃料電池。氫燃料電池汽車在《國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略綱要》《中國制造 2025》《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》等重要戰(zhàn)略綱要中，均被列為要大力發(fā)展的產(chǎn)業(yè)。氫燃料電池車主要由燃料電池系統(tǒng)(包含反應(yīng)堆、空氣壓縮機等)、儲氫裝置、輔助電池、控制裝置和驅(qū)動電機構(gòu)成。氫燃料電池汽車依靠電能來驅(qū)動汽車發(fā)動機，這種能量主要來自氫燃料電池。與其他類型的燃料電池相比，質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)更適合氫燃料電池汽車，因為它在60～80 ℃下運行時具有高功率密度和低腐蝕的優(yōu)勢[7]。氫燃料電池與傳統(tǒng)電池的不同之處在于它們不是儲能裝置。更準確地說，它們接收氧氣和氫氣，并迅速將其轉(zhuǎn)化為能量和水[8]。氫燃料電池的理論效率為83%,實際效率可以達到60%～70%。Xiong等[9]證明，氫燃料電池動力叉車的工作效率比鋰電池動力叉車高40.6%。氫燃料電池汽車的工作示意圖如圖1所示，電極僅作為化學(xué)反應(yīng)的場所和導(dǎo)電通道，不參與化學(xué)反應(yīng)。氫燃料電池的燃料是氫和氧，產(chǎn)品是潔凈的水，無CO和CO2,無硫和顆粒廢氣的完美化學(xué)反應(yīng)結(jié)果。

1.2 氫燃料電池動力技術(shù)在商業(yè)應(yīng)用上的優(yōu)勢

目前新能源動力的技術(shù)路徑主要有鋰電和氫能兩個方向，兩者的能源效率都高于傳統(tǒng)燃料，目前鋰電技術(shù)應(yīng)用更為穩(wěn)定，其產(chǎn)業(yè)發(fā)展也更為完善。但具有充電時間長、續(xù)航距離有限的不足，相比之下燃料電池更適合長續(xù)航場景，且加氫快[10]。因此，燃料電池更符合商用車轉(zhuǎn)型，尤其是對面積大的長距離運輸。對比純電動汽車，氫燃料電池在續(xù)航里程、補充燃料時間方面優(yōu)點突出。例如，比亞迪續(xù)駛里程較遠的電動車車型，續(xù)航可達400 km 以上，直流快充時長在 2 h左右；而氫燃料車豐田Mirai續(xù)航里程可達650 km以上，一次加氫只需3～5 min。氫燃料電池由于其能量轉(zhuǎn)換不受卡諾循環(huán)的限制，轉(zhuǎn)換效率可達90%,實際使用效率是內(nèi)燃機的2～3倍，加之綜合能源效率、環(huán)境友好和高可靠性等優(yōu)勢被認為是21世紀清潔高效發(fā)電技術(shù)的最佳選擇[11]。因此，長續(xù)航、低成本的燃料電池是重卡電動化轉(zhuǎn)型、物流運輸多場景電動化的較優(yōu)選擇。

2 中國氫燃料電池動力技術(shù)在物流運輸領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 研究綜述

國內(nèi)關(guān)于氫燃料電池及其相關(guān)應(yīng)用的研究呈逐年上升趨勢。劉超等[12]對氫燃料電池在集裝箱碼頭的設(shè)備應(yīng)用上進行了可行性分析，重點分析其在集裝箱水平運輸設(shè)備上的應(yīng)用，并對比了與柴油機、充電式鋰電池等動力設(shè)備的區(qū)別，認為氫燃料電池在此場景具有可行性與優(yōu)勢。李可和郭哲輝[13]對氫動力技術(shù)在交通領(lǐng)域的應(yīng)用場景、中國氫能的相關(guān)政策引導(dǎo)和城市發(fā)展、氫動力技術(shù)主要技術(shù)路線進行了分析，介紹其在物流、港口運輸、城際貨運 、礦石和渣土運輸?shù)确矫娴膽?yīng)用。許桂霞和陸桂軍[14]在對廣西新能源汽車制造技術(shù)和發(fā)展的研究中發(fā)現(xiàn)，制車已進入發(fā)展快車道，但全產(chǎn)業(yè)鏈體系尚未形成。在國外現(xiàn)有研究中，有較多關(guān)于氫燃料電池制造、儲運、技術(shù)工藝改進等環(huán)節(jié)的專業(yè)性研究。Zhang和Maddy[15]研究了氫和氫燃料電池在航空領(lǐng)域應(yīng)用的挑戰(zhàn)和問題，為了減少航空業(yè)的碳排放，需要更多的電動飛機投入使用。氫和燃料電池系統(tǒng)創(chuàng)造清潔道路運輸?shù)哪芰σ呀?jīng)得到了廣泛的測試，可用于監(jiān)視、通信、交付和無人機運輸?shù)葓鼍?。Zhao等[16]提出了跨能源系統(tǒng)的混合動力電動汽車也是一種對氫燃料及其動力技術(shù)應(yīng)用的模式，可以作為傳統(tǒng)燃料汽車向可再生能源過渡的一種形式。國內(nèi)外關(guān)于氫燃料電池的研究集中在綜述、技術(shù)突破、應(yīng)用趨勢等范疇，關(guān)于物流運輸上的應(yīng)用主要體現(xiàn)在一些固定場景，如重卡運輸、船舶運輸?shù)?，較少有研究就氫燃料電池在物流運輸領(lǐng)域的應(yīng)用進行全面的分析和探討。

2.2 政策驅(qū)動

受雙碳戰(zhàn)略目標指引，中國持續(xù)出臺了推動新能源快速發(fā)展和能源轉(zhuǎn)型的系列政策。“十四五”規(guī)劃強調(diào)了新能源的戰(zhàn)略發(fā)展地位，預(yù)計到2025年，全國城市物流新能源車占比要達到20%。2020年由國務(wù)院發(fā)布的新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)明確中國要堅持純電驅(qū)動戰(zhàn)略取向，推動燃料電池汽車實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。提出要將新能源汽車在城市配送、港口作業(yè)等領(lǐng)域加強應(yīng)用，并為新能源貨車通行提供便利，以構(gòu)建綠色智能的物流體系[17]。在2022年出臺的《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021—2035年)》明確了氫對能源結(jié)構(gòu)積極調(diào)整、實現(xiàn)碳達峰中和目標的戰(zhàn)略意義，要重點推動其在交通和工業(yè)的重碳排放領(lǐng)域的應(yīng)用，提出氫能基礎(chǔ)設(shè)施和氫能產(chǎn)業(yè)的配套政策體系的具體任務(wù)[18]。2023年由八部委發(fā)布的啟動公共領(lǐng)域車輛全面電動化先行區(qū)試點工作，按區(qū)域劃分了三類城市進行新能源汽車的市場化目標，加大城市物流配送領(lǐng)域的新能源汽車占比。同時，各地市州也對新能源汽車的快速發(fā)展作出了積極響應(yīng)，部分地區(qū)相關(guān)政策見表1。

2.3 市場應(yīng)用情況

根據(jù)《歐洲氫氣路線圖報告》的預(yù)測結(jié)果，到2030年，燃料電池電動汽車(FCEV)將占到每22輛乘用車1輛和每15輛輕型商用車1輛[19]。在中國，新能源汽車的廣泛推廣比預(yù)期來得快，多家氫能運營平臺紛紛投放氫能物流示范項目，以京東物流、中國郵政等企業(yè)為主的物流公司也開始應(yīng)用氫能物流車輛。2023年，河北張家口百輛氫燃料電池冷藏車交付運營，搭載億華通80 kW氫燃料動力系統(tǒng)。同年，郵政打造一項零碳氫運示范項目正式啟動，京東物流在北京大興順利完成了第一批18T氫燃料電池物流車交付，宇通輕卡150臺氫燃料輕卡批量交付。近兩年多地還提出“氫走廊”的理念，如山東的“濟青氫能高速，河南的“長安聊”氫走廊[20]。“成渝氫走廊”宣布打造物流專線，川渝兩地將在兩年內(nèi)分批在氫走廊投入400輛氫燃料物流車，2025年前投入約1 000輛氫燃料物流車。預(yù)計到2025年，中國燃料電池市場規(guī)模將達700億元，這些燃料電池電堆將持續(xù)批量運用于大巴、卡車、乘用車等領(lǐng)域。

2.4 氫燃料電池動力技術(shù)在物流運輸領(lǐng)域的應(yīng)用場景

氫燃料電池在重卡領(lǐng)域有著較為突出的表現(xiàn)?，F(xiàn)階段大多數(shù)重卡都是傳統(tǒng)的柴油車，其碳排放壓力極大。在中國道路占比4%的重卡汽車保有量貢獻了54%左右的碳排放。因此，重卡場景的電動化轉(zhuǎn)型意義重大。高載量和長續(xù)航的優(yōu)勢使得氫燃料電池重卡的發(fā)展優(yōu)勢大于純電動重卡。隨著氫能物流車的不斷市場化應(yīng)用，其應(yīng)用場景已經(jīng)從城配物流輕卡到干線物流重卡轉(zhuǎn)向，投放區(qū)域主要集中于京津冀、長三角、珠三角等區(qū)域的燃料電池汽車示范城市。從車型來看，投運的氫能物流車有4.5 t常溫廂式貨/冷藏廂式貨車、18 t氫燃料電池廂式貨車及49 t氫燃料電池卡車，18 t以上的氫能物流重卡也逐步出現(xiàn)在干線運輸上。2020年工信部發(fā)布《推動公共領(lǐng)域車輛電動化行動計劃》,明確加快推進重卡電動化的重要性。2022年新能源重卡銷量突破2.5萬輛，滲透率達3.7%,遠超于2018年的0.1%。未來燃料電池重卡將有望成為新能源重卡主流。

同時，在物流運輸上的應(yīng)用還包括燃料電池叉車的快速布局，其加氫快、壽命長、運行穩(wěn)等優(yōu)點，比純電動叉車具有明顯的優(yōu)勢。作為非道路工業(yè)車輛的物流運載工具，在為托盤貨物進行裝卸、堆垛和短距離運輸?shù)妮喪桨徇\車輛中被廣泛使用。2022年，中國叉車銷量達到104.8萬輛，電動叉車占比逐年提升，但對比歐洲、美國等發(fā)達國家平均水平，還有較大的發(fā)展空間。市場上的電動叉車還較多依賴鉛酸電池，但受充電時間長(每次充電8 h左右)、低溫環(huán)境不穩(wěn)定、載量小等限制因素，終究要尋求更加適宜的電動化燃料技術(shù)。氫燃料電池叉車明顯性能更優(yōu)，且氫燃料電池叉車基礎(chǔ)設(shè)施配套要求低、集約化利用程度高規(guī)模化速度快等特點，將加速其市場化發(fā)展。

氫燃料電池在物流運輸上的應(yīng)用覆蓋牽引車、自卸車、攪拌車、轎運車等諸多車型，滿足鋼鐵、礦山、港口、城建、城市運輸?shù)榷鄠€場景多元化的零碳運輸車需求，如在輕卡應(yīng)用上，在城配運輸方面，輕卡物流的貨運量占到70%左右，包括商超配送、快遞快運、冷鏈運輸、醫(yī)藥運輸?shù)葓鼍?。氫能源輕卡在市場上已經(jīng)經(jīng)歷了油改電、油電共用等過程，將逐步向電動車專用化市場過渡。此外，氫燃料電池在無人機、船舶等方向也體現(xiàn)了應(yīng)用，仍需不斷探索與規(guī)模化。

2.5 氫燃料電池動力技術(shù)在物流運輸中存在的問題與建議

(1)政策補貼逐年退坡。

氫燃料電池的商業(yè)化應(yīng)用離不開政府的政策補貼，如車輛免征購置稅、燃料電池堆研發(fā)減免和補貼政策等促進產(chǎn)業(yè)和技術(shù)發(fā)展的政策。目前，氫燃料電池的成本已經(jīng)得到了極大的降低，可以逐步適應(yīng)商業(yè)化推廣，受市場關(guān)注新能源商用價值及補貼回報慢等因素，政策補貼節(jié)奏逐步放緩。

(2)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不及預(yù)期。

加氫站等氫燃料電池的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需要較高的成本投入，前期主要依賴政策的補貼，但由于不同應(yīng)用場景基礎(chǔ)設(shè)施要求不同、規(guī)模的投入產(chǎn)出比影響等，目前基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)效果欠佳。

(3)產(chǎn)業(yè)鏈不夠完整。

目前政策的引導(dǎo)和市場的關(guān)注度更多在氫燃料電池載具的應(yīng)用，對完整的產(chǎn)業(yè)鏈如制氫、運氫、儲氫等環(huán)節(jié)還需要進一步完善。

但這些問題并非制約氫燃料電池在物流運輸領(lǐng)域上的應(yīng)用，其突出的特點和優(yōu)勢已讓市場主體更加關(guān)注其商業(yè)價值和應(yīng)用場景，政策引導(dǎo)也更加關(guān)注全產(chǎn)業(yè)鏈的細節(jié)。企業(yè)應(yīng)加大對技術(shù)的投入和應(yīng)用的探索，不斷降低燃料電池堆的成本和提高性能；政府應(yīng)繼續(xù)建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施，對全產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展進行引導(dǎo)，相關(guān)部門和協(xié)會應(yīng)統(tǒng)一技術(shù)標準，制定相關(guān)的規(guī)范，加強引導(dǎo)技術(shù)交流。

3 氫燃料電池動力技術(shù)在物流運輸領(lǐng)域的發(fā)展趨勢

3.1 技術(shù)不斷突破

中國已初步掌握氫燃料電池及其關(guān)鍵零部件、動力系統(tǒng)、整車集成和氫能基礎(chǔ)設(shè)施等核心技術(shù)。低成本、長壽命的動力電池和燃料電池系統(tǒng)短板技術(shù)攻關(guān)、固態(tài)動力電池技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化將受到持續(xù)關(guān)注。目前，氫燃料電池相比傳統(tǒng)燃料、鋰電池的應(yīng)用，在燃料成本上表現(xiàn)相對不足，根據(jù)燃料電池商用車降本路徑展望，2025年成本有望較目前下降30%,因此，不斷提升電池動力技術(shù)，如PEM電解槽降本，對成本控制十分重要。同時，從氫的制造、運輸與利用的全環(huán)節(jié)，氫的儲存存在于全流程，十分重要。不斷提升氫“制-儲-運-加-用”等環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)，才能有效降低氫的使用成本，推進市場化應(yīng)用。

3.2 應(yīng)用場景多元化

對公路運輸來講，干線運輸?shù)木G色化發(fā)展對整個交通運輸?shù)奶紲p排十分重要。且相對于純電動車，氫燃料電池物流車續(xù)航里程更長、動力性能高、加氫時間短的優(yōu)勢更加適合長距離、載重大的公路干線物流場景。目前燃料電池汽車也正在向干線物流場景探索，如跨區(qū)域連通的氫能高速公路，同時氫能物流車也在向更高噸位、更大載重的重卡車型發(fā)展，逐步建立燃料電池電動汽車與鋰電池純電動汽車的互補發(fā)展模式”。但當前新能源重卡物流還處于不斷摸索的階段，其應(yīng)用占比不斷提升，但經(jīng)濟性未占優(yōu)勢。除公路運輸場景外，氫燃料電池還將在無人機、船舶、軌道交通等場景進行示范推廣[21],持續(xù)為物流運輸業(yè)的綠色化發(fā)展助力。

4 結(jié)語

通過對現(xiàn)有氫燃料電池技術(shù)的應(yīng)用情況進行研究，了解到氫燃料電池的價值極大，從政策驅(qū)動和市場主導(dǎo)的雙重行動來看，氫燃料電池的發(fā)展勢在必行，在物流運輸行業(yè)的應(yīng)用更是大勢所趨。其穩(wěn)定的資源和零污染的循環(huán)性利用是物流業(yè)實現(xiàn)綠色化發(fā)展和降低成本的首選，需要不斷的技術(shù)突破、多場景覆蓋和配套政策的完善，推動氫燃料電池動力技術(shù)在物流運輸業(yè)的不斷發(fā)展。后續(xù)還將對國內(nèi)外氫燃料電池的技術(shù)范式進行綜述分析，挖掘其技術(shù)發(fā)展的周期和研究關(guān)鍵。