淺談氫燃料電池汽車的未來發展

劉 鳳

(上海捷氫科技有限公司 上海 201805)

引言

汽車是目前使用率最高的出行工具之一，隨著社會經濟的向好發展，人們生活水平持續提高，汽車的保有量在逐年上漲，私家車幾乎成為每個家庭的“標配”，與此同時，汽車尾氣造成的負面影響也愈發明顯，城市空氣質量差，溫室效應、臭氧層破壞和酸雨等大氣環境問題日益嚴重，環境污染問題已經成為人們的重點關注對象。雖然汽車尾氣會對環境造成一定的影響，但因噎廢食也不可取，只有最大限度的降低污染程度，才能真正的為人們謀幸福。氫燃料電池汽車正是有效解決這一難題的舉措，它打破常規的汽油或柴油內燃機，改用氫做為動力源，燃料電池和電動機取代一般的引擎，通過液態氫氣與空氣中的氧氣發生化學反應產生電能，直接驅動電動機，為汽車提供動能，氫氣的燃燒產物是水，氫燃料電池汽車從真正意義上實現了零污染。為進一步推動這種新能源汽車的發展，世界各國陸續頒布了扶持政策，加大研究力度，目前該技術尚未成熟，氫燃料電池汽車商業化和量化生產仍面臨諸多挑戰。

一、國內外氫燃料電池汽車的發展現狀

氫燃料電池汽車這個重要發現有望成為新型清潔能源汽車的首選，它真正實現了零排放、無污染，而且能源可再生，汽車工業可持續發展指日可待。就目前形勢而言，國外發達國家的對其研究已經進入技術與市場的示范階段，然而我國起步相對較晚，正處于技術創新瓶頸期，產業化基礎薄弱，再加上國內專業人才匱乏，一系列問題難以突破，致使我國氫燃料電池汽車發展緩慢。

(1)國外氫燃料電池汽車的發展現狀

國外發達國家對清潔能源汽車相關產業的研究較早，目前日本和歐美國家在氫燃料電池汽車的研發技術和使用情況居于視界首位，已基本實現將傳統汽車改造為氫燃料電池汽車的生產模式，并在汽車安全性研究中取得重大突破，陸續推出了幾款先進可靠的氫燃料電池汽車。豐田汽車公司研發的Mirai、日產的 Xtrial、奔馳的F-Cell、通用的Equinax以及現代的LX35作為典型代表，我們對其各項性能指標進行分析如下。

表1 主流氫燃料電池汽車的性能指標

表格顯示，綜合性能較好的一款車是豐田汽車公司研發的Mirai，特別是燃料電池鉑用量方面，遠遠低于其他車型。鉑是一種金屬催化劑，較為貴重，氫燃料電池汽車想要壓縮成本，降低鉑的用量是關鍵，這也就是Mirai作為氫燃料電池汽車最具市場競爭力的原因之一。

(2)國內氫燃料電池汽車的發展現狀

我國也相當重視對氫燃料電池汽車的研究。得到政府的鼎力支持，國內長安、奇瑞、上汽、一汽為代表的汽車公司也開始嘗試對傳統的汽車進行改造，但受限于氫燃料電池的關鍵技術難以突破，目前研發出來的清潔能源汽車綜合性能較差，還不具備商業化生產的水平，僅處于試運行階段。

豐田汽車公司研發的Mirai雖處于世界領先水平，但其銷量卻不容樂觀，截止到2018年，僅售出8900余輛。由此可見，氫燃料電池汽車在短時間內還是難以被人們所接受，實現產業化發展還需要一段時間。

二、氫燃料電池汽車發展的制約因素

國外對氫燃料電池汽車的研究技術雖然已相對成熟，但消費者認可度卻極低，銷量極不理想，主要原因是氫燃料電池成本過高、氫氣儲存及補給難度較高，目前市面上加氫站建設不完善?？偠灾雽崿F氫燃料電池汽車商業化發展還需持續不斷創新，不斷突破。

(1)氫燃料電池成本高

氫燃料電池汽車最大的成本是電池技術，相當于同規格的純電動車蓄電池成本的兩倍，不僅制造技術難度大，而且電池中鉑催化劑、電解質膜和雙極板的成本也相對較高。目前的技術研究都使用價格較高的鉑作為催化劑，能夠平價替代的金屬還未試驗成功，這就是影響氫燃料電池發展的主要因素之一。氫燃料電池汽車的原理是是將氫氣和氧氣的化學能轉化為電能，最后產生水，所以要求氫燃料中的電解質膜必須具備氧化還原的穩定性，這種高質量的電解質膜的價格約為每平米約600美元，成本頗高。再者制造氫燃料電池中的石墨雙極板對溫度的要求極高，需在2500℃以上進行，并要達到不透性的要求。由此可見，氫燃料電池汽車中的鉑催化劑、電解質膜和雙極板的成本高，幾乎占到整臺車成本的80%左右。

(2)加氫站太少，氫氣補給困難

想要普及氫燃料電池汽車，加氫站的建設必不可少。就我國目前的研發技術水平而言，建設一座加氫站需投入200～250萬美元，相比日本和美國這些發達國家，我國在加氫站的建設上具備一定的優勢，成本略低于其他國家。近年來各國對氫燃料電池汽車的研究越來越重視，加氫站的數量也日益增多如，下圖所示，在2019年年底，全球的加氫站數量已經達到了369座，歐洲國家建設成功的加氫站占到全球總量的三分之一以上，亞洲僅居其次，當時的我國已建成26座加氫站，并陸續投入使用。就目前加氫站的整體數量而言，如若想要普及氫燃料電池汽車還是遠遠不夠的。

圖1 2015-2019年全球加氫站數量(單位：座)

(3)氫氣制取困難、儲存條件高

氫氣是一種二次能源，雖然它是最豐富的元素之一，但自然氫的存在量極少,因此要大規模利用這種清潔能源,就必須要研究開發各種制氫的方法,通常我們都采取煤、石油及天然氣為原料通過高溫加壓、氧化還原等方式制取氫氣,目前加氫站主要以電解水的方式獲得氫氣,整個過程需要耗費大量的電能。為確保氫燃料電池汽車的電池可以穩定持續工作,這對氫氣的純度要求極高。高純度氫氣的制取過程更為復雜,成本更高。另外,氫氣的儲存也仍需深究,由于氫氣密度小,而氫燃料電池汽車車身具有局限性,既要保證燃料電池汽車的續航里程,又要使氫氣罐在達到壓力標準的同時盡可能的輕量化,氫氣罐的要求了,成本自然也就水漲船高。如圖2所示我國在氫氣的制取產量增速逐年減緩。從氫氣的制取到儲存整個過程中技術要求高,耗費能量多,如果無法解決這些難題,氫燃料電池汽車的實用性著實不強。

(4)消費者對燃料電池汽車的安全性存在質疑

暫且不說氫燃料電池汽車的成本居高不下,消費者對其的安全性也心存疑慮,作為主要原料的氫氣具有易燃易爆的特性,一旦氫燃料泄漏或者車身發生劇烈碰撞時,燃料汽車很難保證不會自然甚至爆炸的情況。就目前而言,汽車企業盡可能將燃料電池和儲氫罐置于車身相對最安全的部位,以 Mirai 汽車為例，豐田公司在設計中將燃料電池和氫氣罐放置在座椅和后備箱底部,最大限度的提升了氫燃料電池汽車的安全系數,況且在車輛正式開售之前,豐田公司就對該型號車輛進行了一系列安全測試,但是僅通過理論數據的支撐,還不足以說服消費者,氫燃料電池汽車的認可度仍沒有得到大幅度提升。由此可見氫燃料電池汽車要想實現量產化、商業化甚至完全替代燃油車,還有很長的路要走。

三、氫燃料電池汽車未來的發展

近幾年環境遭到嚴重污染,再加上石油能源枯竭,世界各國紛紛開始推動氫燃料電池這種零污染的清潔能源汽車發展,我國陸續出臺多個扶持政策,將氫燃料電池作為新能源汽車重要的研發路線,雖起步較晚,但近兩年國家能源投資集團和國家電網等多家實力雄厚的央企積極參與研究,達成創新戰略聯盟,預計在2050年將氫能的使用量提高到能源體系的10%,并將實施全面布局,構建加氫站網絡,普及氫燃料電池汽車的,完成商業化生產,提高車輛年產量。新事物的出現在最開始時候總是要接受一系列的質疑,早期燃油車剛剛問世時也因技術不成熟、安全系數低、燃油存放有隱等問題被消費者排斥,但隨著科學技術水平不斷提高,研發的深度和廣度不斷拓展,燃油機從最初的排斥到后期消費者追捧,新事物總是在質疑聲中趨于完善,氫燃料電池汽車也不例外,再加上當今時代科技迅速發展作為基礎輔助,氫燃料電池汽車從初期萌芽階段到成熟完善階段定會比燃油車來得更快，在不久的將來一定會受到廣大消費者的青睞,甚至會取代燃油汽車。

結語

我國現階段氫燃料電池汽車仍處于發展瓶頸期,研發技術水平還有很大的提升空間,再加上國家政策和各大企業鼎力支持,氫燃料電池汽車的發展前景不可估量。