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《bp世界能源統(tǒng)計年鑒》2022版數(shù)據顯示[4],中國內地在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(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，作為燃料，它提供了無碳解決方案。根據能源轉型中的全球能源系統(tǒng)的數(shù)據顯示[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。太陽能和風能等可再生能源受到其間歇性質的限制，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的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 氫燃料動力技術介紹

燃料電池是將儲存在燃料和氧化劑中的化學能直接轉化為電能的發(fā)電裝置。目前，燃料電池技術的應用大致可以分為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)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略綱要》《中國制造 2025》《汽車產業(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)展的產業(yè)。氫燃料電池車主要由燃料電池系統(tǒng)(包含反應堆、空氣壓縮機等)、儲氫裝置、輔助電池、控制裝置和驅動電機構成。氫燃料電池汽車依靠電能來驅動汽車發(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，電極僅作為化學反應的場所和導電通道，不參與化學反應。氫燃料電池的燃料是氫和氧，產品是潔凈的水，無CO和CO2,無硫和顆粒廢氣的完美化學反應結果。

1.2 氫燃料電池動力技術在商業(yè)應用上的優(yōu)勢

目前新能源動力的技術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，目前鋰電技術應用更為穩(wěn)定，其產業(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換不受卡諾循環(huán)的限制，轉換效率可達90%,實際使用效率是內燃機的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在物流運輸領域的應用現(xiàn)狀

2.1 研究綜述

國內關于氫燃料電池及其相關應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備應用上進行了可行性分析，重點分析其在集裝箱水平運輸設備上的應用，并對比了與柴油機、充電式鋰電池等動力設備的區(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]對氫動力技術在交通領域的應用場景、中國氫能的相關政策引導和城市發(fā)展、氫動力技術主要技術路線進行了分析，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?。許桂霞和陸桂軍[14]在對廣西新能源汽車制造技術和發(fā)展的研究中發(fā)現(xiàn)，制車已進入發(fā)展快車道，但全產業(yè)鏈體系尚未形成。在國外現(xiàn)有研究中，有較多關于氫燃料電池制造、儲運、技術工藝改進等環(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域應用的挑戰(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呀浀玫搅藦V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應用的模式，可以作為傳統(tǒng)燃料汽車向可再生能源過渡的一種形式。國內外關于氫燃料電池的研究集中在綜述、技術突破、應用趨勢等范疇，關于物流運輸上的應用主要體現(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域的應用進行全面的分析和探討。

2.2 政策驅動

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)展和能源轉型的系列政策。“十四五”規(guī)劃強調了新能源的戰(zhàn)略發(fā)展地位，預計到2025年，全國城市物流新能源車占比要達到20%。2020年由國務院發(fā)布的新能源汽車產業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)明確中國要堅持純電驅動戰(zhàn)略取向，推動燃料電池汽車實現(xiàn)商業(yè)化應用。提出要將新能源汽車在城市配送、港口作業(yè)等領域加強應用，并為新能源貨車通行提供便利，以構建綠色智能的物流體系[17]。在2022年出臺的《氫能產業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021—2035年)》明確了氫對能源結構積極調整、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)的重碳排放領域的應用，提出氫能基礎設施和氫能產業(yè)的配套政策體系的具體任務[18]。2023年由八部委發(fā)布的啟動公共領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，部分地區(qū)相關政策見表1。

2.3 市場應用情況

根據《歐洲氫氣路線圖報告》的預測結果，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、乘用車等領域。

2.4 氫燃料電池動力技術在物流運輸領域的應用場景

氫燃料電池在重卡領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用，其應用場景已經從城配物流輕卡到干線物流重卡轉向，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。氫燃料電池叉車明顯性能更優(yōu)，且氫燃料電池叉車基礎設施配套要求低、集約化利用程度高規(guī)?；俣瓤斓忍攸c，將加速其市場化發(fā)展。

氫燃料電池在物流運輸上的應用覆蓋牽引車、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經歷了油改電、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)了應用，仍需不斷探索與規(guī)?；?。

2.5 氫燃料電池動力技術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業(yè)和技術發(fā)展的政策。目前，氫燃料電池的成本已經得到了極大的降低，可以逐步適應商業(yè)化推廣，受市場關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)基礎設施建設不及預期。

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

(3)產業(yè)鏈不夠完整。

目前政策的引導和市場的關注度更多在氫燃料電池載具的應用，對完整的產業(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域上的應用，其突出的特點和優(yōu)勢已讓市場主體更加關注其商業(yè)價值和應用場景，政策引導也更加關注全產業(yè)鏈的細節(jié)。企業(yè)應加大對技術的投入和應用的探索，不斷降低燃料電池堆的成本和提高性能；政府應繼續(xù)建設基礎設施，對全產業(yè)鏈的發(fā)展進行引導，相關部門和協(xié)會應統(tǒng)一技術標準，制定相關的規(guī)范，加強引導技術交流。

3 氫燃料電池動力技術在物流運輸領域的發(fā)展趨勢

3.1 技術不斷突破

中國已初步掌握氫燃料電池及其關鍵零部件、動力系統(tǒng)、整車集成和氫能基礎設施等核心技術。低成本、長壽命的動力電池和燃料電池系統(tǒng)短板技術攻關、固態(tài)動力電池技術研發(fā)及產業(yè)化將受到持續(xù)關注。目前，氫燃料電池相比傳統(tǒng)燃料、鋰電池的應用，在燃料成本上表現(xiàn)相對不足，根據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，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)的關鍵技術，才能有效降低氫的使用成本，推進市場化應用。

3.2 應用場景多元化

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，其應用占比不斷提升，但經濟性未占優(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 結語

通過對現(xiàn)有氫燃料電池技術的應用情況進行研究，了解到氫燃料電池的價值極大，從政策驅動和市場主導的雙重行動來看，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在物流運輸業(yè)的不斷發(fā)展。后續(xù)還將對國內外氫燃料電池的技術范式進行綜述分析，挖掘其技術發(fā)展的周期和研究關鍵。