1.1 燃料电池汽车国外发展现状

美国、欧盟、日本、韩国等着眼于未来长期经济和社会的发展，依据各自的国家能源战略推进氢能产业发展，氢燃料电池技术及其在汽车上的推广应用是这些国家氢能战略的重要组成部分，其普遍瞄准二十年以后的氢能经济。国外的一些企业如丰田、本田、戴姆勒、现代、通用等均有氢燃料电池乘用车发布或上市，部分车型如丰田Mirai、现代NEXO、本田Clarity等一次加氢行驶的里程可达600km以上（不同的车型版本及工况标准下续驶里程可能有差别），基本与燃油车相当 ^[1] 。在日本和韩国，燃料电池汽车的销售量均突破10000辆。其中，丰田Mirai是目前全球销量最好的氢燃料电池乘用车。

燃料电池客车因其行驶路线固定、使用方式集中的特点，更方便于燃料补给和检查维修，再加上燃料电池客车车型大，有足够的空间安装燃料电池和相关零部件，推广燃料电池客车已被各国认为是实现燃料电池商业化战略的最佳选择之一。北美、欧洲和亚洲的政府部门都大力支持燃料电池客车的开发和示范运行，这使燃料电池客车的数量增长很快。目前，美国和欧洲都在各个城市推出了燃料电池客车示范运行计划，其目的是在各个领域（经济效益、运行数据的采集、维修养护成本、性能、可靠性等）验证该技术。在亚洲，日本和韩国的商用车公司也在大力投入到氢燃料电池客车的研发中。

虽然轻型的燃料电池汽车在全球的局部市场上都有少量销售，但针对中型和重型汽车的燃料电池汽车技术和市场仍在开发中。为了支持燃料电池重卡的发展和推广，以及其他相关技术的进步，目前已有除中国以外的五个国家和地区在重卡领域采用了强制性的能源和二氧化碳排放标准。2020年，美国能源部（United States Department of Energy）推出了一项为期五年、耗资1亿美元的绿色氢燃料电池卡车计划；2019年，欧洲的燃料电池和氢能联合组织发布了根据17个欧洲主要工业参与者的意见而制定的“欧洲氢能路线图”，将为大约4200万辆大型汽车、170万辆卡车、25万辆公共汽车和超过5500辆列车提供燃料。丰田在氢燃料电池乘用车已有领先优势的基础上，不断在重卡领域加码，市场也由北美逐渐扩展至亚洲，这与近几年亚洲氢燃料电池汽车市场蓬勃发展有关。

1.1.1 燃料电池乘用车国外发展现状

1. 丰田集团

丰田汽车作为燃料电池汽车先进技术的代表，其产品已历经3代技术研发，并首次推出了量产并在全球出售的燃料电池车。丰田最早于1922年开始进行燃料电池汽车技术的研发，1993年开始申请相关专利，到2014年开始可以量产氢燃料电池汽车Mirai，此过程历经22年。丰田在氢燃料电池系统技术各个领域均有专利布局，技术非常全面，其专利申请量占据全球第一。经过不断完善，丰田在2019的东京车展上带来了第二代丰田Mirai Concept，如图1.1所示。相比第一代的Mirai，第二代Mirai在氢燃料电池的性能方面以及氢气的储备容量上都提高了不少，续驶里程也比第一代增加了30%。

该型号燃料电池乘用车的整车主要配置见表1.1。新一代Mirai的动力系统性能和功率密度进一步提升，采用了固态聚合物氢燃料电池，体积更小且体积比功率更高，燃料电池DC/DC变换器也比老款体积小21%，轻2.9kg，电堆峰值功率提升到128kW，体积比功率高达4.4kW/L，可以在9.0s内加速到100km/h。新一代Mirai还优化了整车布置，燃料电池系统由分散式布置改为一体化集成布置于前舱，储氢瓶增加为3个，氢气搭载量由第一代的4.6kg提升至5.6kg，续驶里程提升至750km。

2. 现代集团

现代汽车早在1998年就设立了燃料电池开发部门，启动开发氢燃料电池汽车，并于2000年在圣达菲车型基础上，研发出第一款氢燃料电池车。随后在2004年自主研发出燃料电池电堆，2010年启动燃料电池车量产车型核心零部件的模块化和通用化，2013年发布全球首款量产氢燃料电池汽车ix35 FCEV，2018年推出第二代氢燃料电池汽车NEXO，如图1.2所示。2021年1月，现代汽车首个海外氢燃料电池系统生产与销售基地“HTWO广州”正式宣布落户广东，以满足国内的氢燃料电池需求，涉及汽车、发电机、船舶、火车等行业。

该型号燃料电池SUV的整车主要配置见表1.2。NEXO搭载的燃料电池系统，最大功率135kW，峰值转矩395N·m，比上一代的电池堆体积更小，功率反而提高20%，可以让车辆在9.2s内完成0—100km/h的加速，最高车速可达179km/h。NEXO配备了3个储氢罐，氢气加满体积为52.2L，储氢系统质量111kg，比上一代车型减少了16.5kg，提高了氢重量在整体燃料储存系统重量里的比率。NEXO仅需5min即可加注完成约156L（6.3kg）的70MPa氢气，实现800km以上的综合续驶里程。

3. 奔驰汽车

早在1988年，戴姆勒工程师就提出将航空航天上的PEMFC应用到汽车上，1991年进入实践阶段，并在短短3年时间里开发出第一台真正意义上的PEM燃料电池汽车。2003—2008年，戴姆勒对燃料电池汽车的研究主要是供日常使用以及车队测试，其中就包括了第一款燃料电池乘用车A-Class F-CELL；2009年开始推出第二代燃料电池乘用车B-Class F-CELL，奔驰进入了小批量生产阶段，随后开始进行成本降低、技术迭代，直到2017年正式推出GLC F-Cell，如图1.3所示。但由于制造成本以及种种原因，奔驰母公司戴姆勒日前宣布，正式终止氢燃料电池乘用车开发计划。

该型号燃料电池SUV的整车主要配置见表1.3。奔驰GLC F-CELL是全球首款搭载燃料电池+蓄电池系统的插电式混合动力汽车，除氢燃料电池外，GLC F-Cell也可依靠蓄电池行驶。由400片燃料电池单体组成的金属极电堆峰值功率75kW，锂离子电池组容量13.5kW·h。与奔驰上一代燃料电池汽车相比，新一代燃料电池系统体积减小约30%，可以完全容纳在发动机舱内，但最高能有147kW的输出功率。GLC F-CELL车辆地板上的两个碳纤维外壳罐在70MPa下可容纳4.4kg氢气，平均每行驶100km所需的氢气量为0.97kg。

4. 本田汽车

本田从1999年开始研发燃料电池汽车，在使用巴拉德系统的同时也一直坚持自主研发燃料电池系统。本田的燃料电池汽车被认为可以与丰田的Mirai媲美，与其一直坚持自主研发有着密切联系。在1999—2003年间坚持每年推出一款新的燃料电池汽车，每一次都有着明显的进步，其在2003年推出的FCX-V4，技术参数已经与现在的燃料电池汽车非常接近。但在2003年后本田停止了对燃料电池汽车的持续更新，直到2007年才再次推出了一款燃料电池汽车Clarity，这个名字也一直沿用到现在。2007年之后，本田再次“断更”，直到2016年才重新推出了新的Clarity FUEL CELL，如图1.4所示。

该型号燃料电池轿车的整车主要配置见表1.4。动力方面，本田Clarity FUEL CELL通过将构成燃料电池堆的单电池功率提高1.5倍，在保持整个电堆功率的同时，减少30%的单电池数量，体积比传统燃料电池堆小33%，体积比功率提高60%，质量比功率提高35%。后座后面和后座下方的两个储氢瓶（70MPa）可容纳5kg氢气，续驶里程为750km。

1.1.2 燃料电池客车国外发展现状

1. 美国

美国在2006年专门启动了国家燃料电池公共汽车计划（National Fuel Cell City Bus Program，NFCBP），进行了广泛的车辆研发和示范工作，2011年美国燃料电池混合动力公共汽车实际道路示范运行单车寿命超过11000h；到2015年，运行的公交车平均累计运行时间已经达到9000h（仍然在运行），车辆寿命最长超过18000h；2016年，美国燃料电池公共汽车的使用寿命已达到20000～30000h，车辆性能达到传统柴油客车水平，实现每天19h的运行，故障间隔里程大于4000mile（1mile≈1.6km） ^[2] 。2019年，北美最大客车制造商New Flyer推出Xcelsior CHARGE H2 ^TM 燃料电池大型客车如图1.5所示。

Xcelsior CHARGE H2 ^TM 燃料电池重型运输客车40英尺型号的整车配置见表1.5。Xcelsior CHARGE H2 ^TM 客车是一款利用压缩气态氢为燃料的电动汽车，采用巴拉德公司的燃料电池技术。该车型续驶里程可达563km，可根据不同型号和运行条件在6～20min内完成加氢。

2. 欧洲

欧洲的燃料电池客车示范计划（HYFLEET-CUTE）于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Fuel Cell Citaro，累计运行130万mile。但是第一代纯燃料电池客车燃料电池的效率为38%～48%，寿命只有2000h，经济性较差 ^[3] 。在此基础上，欧洲燃料电池客车示范项目（CHIC）又于2011年在5个城市开展了26辆第二代燃料电池公共汽车Citaro Fuel Cell-Hybrid示范运行，如图1.6所示。

该型号氢燃料电池客车的整车主要配置见表1.6。第二代燃料电池客车总质量为13.2t，与前代相比减小约1t；电池设计寿命为6年，改进后的燃料电池和锂电池可节省50%氢消耗，燃料电池由两个模块组成，可提供120kW的功率，每个单元60kW；续驶里程为250km。其目标是实现燃料电池汽车性能达到目前燃油汽车的标准。

3. 日本

日本的商用车公司也在大力投入氢燃料电池客车的研发中。由丰田汽车持股50.1%的日野公司，从1997年开始着手研发燃料电池技术，到2002年9月正式推出了首台氢燃料电池公交车FCHV-BUS2。这是日野第一台氢燃料电池技术整车，这款车在2005年1月投入运营，累计运载超过百万人次。在2015年，日野联手丰田又推出了第二代燃料电池客车。这台车的燃料电池系统参考了丰田Mirai的“丰田燃料电池系统”（TFCS）。2021年，丰田在东京奥运会上投入100辆燃料电池客车SORA，如图1.7所示。

该型号燃料电池客车的整车主要配置见表1.7。SORA搭载了与丰田首款氢燃料汽车Mirai相同的TFCS，其动力总成包括两个114kW的燃料电池组和双电机驱动，电机最大功率为113kW，峰值转矩为335N·m。为SORA提供动力源的是总容量达600L的10个氢气罐，同时配备了一块镍氢电池以应对紧急情况。此外，SORA还搭载了大容量外部供电系统，用于紧急情况时的动力输出，最大功率9kW，燃料满载的情况下可供应235kW·h。

4. 韩国

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。基于现代汽车在氢燃料电池技术方面的领先优势，2020年9月27日，现代汽车宣布向沙特阿拉伯出口氢燃料电池客车Elec City FCEV，如图1.8所示。这是现代汽车首次面向中东地区展开氢燃料电池车业务的出口贸易。

该型号燃料电池客车的整车主要配置见表1.8。该款氢燃料电池客车车身尺寸为10995mm×2490mm×3420mm，配备了180kW的燃料电池系统，该系统由两个90kW的氢燃料电池组成，配有耐用的氢扩散层和电解质膜。180kW的最大输出功率可提供充足的驱动力，即使在丘陵路况下也是如此。车顶有5个氢气罐，总共可储存34kg氢气，并配备有78.4kW·h的电池，适合交通拥堵区段较多的路线或长途行驶路线，以及坡路区段等耗电率较高的行驶路线，一次充电可行驶约474km。另外，采用ZF新中央电机，确保品质的同时提高了运营效率。

1.1.3 燃料电池卡车国外发展现状

1. 肯沃斯卡车

2018年，丰田汽车北美分公司与美国卡车厂商（Kenworth）合作开发的氢燃料电池重型卡车——肯沃斯T680氢燃料电池牵引车亮相，并投入到美国加利福尼亚洛杉矶港的货物运输之中，如图1.9所示。

该型号燃料电池重卡的整车主要配置见表1.9。肯沃斯T680氢燃料电池牵引车使用6个35MPa的5kg氢燃料罐，非常适合短途旅行和航运港口运营。在肯沃斯T680型氢燃料电池牵引车上，氢燃料电池共有740组，要比已经批量生产的丰田Mirai轿车多1倍。肯沃斯T680型氢燃料电池牵引车搭载了类似丰田Mirai轿车的2套氢燃料电池，最高车速可达105km/h。

2. 现代集团

2020年7月，现代汽车打造的全球首款量产燃料电池重型卡车——XCIENT Fuel Cell，首批10台车辆已启程运往瑞士，这些氢燃料电池重卡在瑞士主要用于运输冷藏品。2021年，现代汽车对XCIENT燃料电池的设计和性能进行了升级，如图1.10所示。为了顺利推动XCIENT Fuel Cell的普及，现代还牵头构建“氢燃料电池重卡生态圈”，主要从产品研发、燃料生产、加氢站网络构建等多个方面发力。

该型号燃料电池重卡的整车主要配置见表1.10。2021 XCIENT Fuel Cell配备了180kW氢燃料电池系统（两个90kW燃料电池堆），针对这款重卡车型进行了全新改装。燃料电池系统的耐用性以及车辆的整体燃料效率得到了改进，以更好地满足商业车队客户的需求。搭载的7个大型氢罐提供约31kg的总燃料存储量，加满氢气需要8～20min，具体取决于环境温度，其最大续驶里程约为400km。