純電動(dòng)汽車與氫燃料電池汽車發(fā)展現(xiàn)狀及前景

孫田田　王林　郭巧巧　王鑫國(guó)

【摘 要】純電動(dòng)汽車與氫燃料電池汽車是被市場(chǎng)看好的未來(lái)重要的新能源汽車。本文闡述了純電動(dòng)汽車與氫燃料電池汽車的技術(shù)現(xiàn)狀及各自發(fā)展所面臨的問(wèn)題，并對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)行了探討。如果電池容量及快充技術(shù)在高效清潔制氫技術(shù)之前獲得突破，那么電動(dòng)汽車將成為未來(lái)主流新能源汽車，否則氫燃料電池汽車將超越電動(dòng)汽車成為未來(lái)主流新能源汽車。

【關(guān)鍵詞】純電動(dòng)汽車；氫燃料電池汽車；發(fā)展現(xiàn)狀；前景

【Abstract】Pure electric vehicles and hydrogen fuel cell vehicles are favored by the market as important new energy vehicles in the future. This paper expounds the pure electric vehicles and hydrogen fuel cell vehicles present situation and problems of the development of technology， and its development prospect are discussed in this paper. If the battery capacity and fast filling technology obtain breakthrough before efficient clean hydrogen production technology， electric vehicles will become mainstream in the future of new energy vehicles， otherwise hydrogen fuel cell vehicles will surpass electric vehicles and become the mainstream of new energy vehicles in the future.

【Key words】Pure electric vehicles； Hydrogen Fuel Cell Vehicles； Developing status； Prospect

人們對(duì)汽車的需求不斷增加帶動(dòng)了汽車工業(yè)的高速發(fā)展，并促進(jìn)了全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。同時(shí)，汽車產(chǎn)量和保有量的持續(xù)上升也引起了廣泛的能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題。新能源汽車具有無(wú)污染、低噪聲、能量利用率高的特點(diǎn)，是解決未來(lái)能源問(wèn)題及城市化過(guò)程中的汽車問(wèn)題的重要途徑[1]。

目前，基于全球新能源汽車基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不完善，各種混合動(dòng)力汽車只是過(guò)渡產(chǎn)品。而純電動(dòng)汽車與氫燃料電池汽車是被市場(chǎng)看好的未來(lái)重要的真正的新能源汽車。這兩種新能源汽車均使用非常規(guī)車用燃料作為動(dòng)力來(lái)源，采用新型車載動(dòng)力裝置，綜合了車輛的動(dòng)力控制以及驅(qū)動(dòng)方面的先進(jìn)技術(shù)。純電動(dòng)汽車是以車載電池為動(dòng)力，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪行駛。由于其對(duì)環(huán)境影響相對(duì)于傳統(tǒng)汽車較小，其前景被廣泛看好，是當(dāng)前新能源汽車的主體。而氫燃料電池汽車使用聚合物交換膜燃料電池。在這一系統(tǒng)中，氫氣高壓下通過(guò)鉑催化劑，分解成兩個(gè)氫離子和兩個(gè)電子。這些電子形成強(qiáng)大的電力會(huì)驅(qū)動(dòng)汽車的電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，而氫離子會(huì)和氧氣結(jié)合成水，以水的形式排出[2]。從最終的驅(qū)動(dòng)上來(lái)看，純電動(dòng)汽車和氫燃料電池汽車均使用了電能驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)。但是，兩者的使用性能有著很大的差別，各自的優(yōu)缺點(diǎn)也很明顯。因此，本文從多個(gè)角度對(duì)純電動(dòng)汽車與氫燃料電池汽車的發(fā)展現(xiàn)狀及前景進(jìn)行了探討。

1 純電動(dòng)汽車與氫燃料電池汽車的技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 純電動(dòng)汽車的發(fā)展歷程及技術(shù)現(xiàn)狀

純電動(dòng)汽車比燃油汽車出現(xiàn)的更早。早在1873年，英國(guó)人就制造了世界上最早的可供實(shí)用的電動(dòng)汽車，這比德國(guó)人發(fā)明汽油汽車早了10年以上。由于燃油汽車技術(shù)的迅速發(fā)展，而電動(dòng)車在能源技術(shù)和行駛里程的研發(fā)上一直未能取得有效突破，從20世紀(jì)20年代至60年代末，電動(dòng)車的發(fā)展進(jìn)入了停滯期。進(jìn)入70年代，石油危機(jī)的爆發(fā)以及人類對(duì)生存環(huán)境的日益關(guān)注，電動(dòng)車才再度成為技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)[1]。近十年來(lái)，能源和環(huán)境對(duì)各國(guó)的壓力越來(lái)越大，特別是新興發(fā)展中國(guó)家的城市汽車尾氣污染問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重。因此，世界各國(guó)政府和全球汽車工業(yè)行業(yè)正在加大對(duì)電動(dòng)汽車開(kāi)發(fā)的投資力度，加快電動(dòng)汽車的商品化步伐。

對(duì)于電動(dòng)汽車，電池是汽車的心臟，而電池質(zhì)量和容量是電動(dòng)汽車能否普及的核心技術(shù)問(wèn)題。因此，車載電池技術(shù)的進(jìn)步大小決定了電動(dòng)汽車的發(fā)展水平。目前汽車廠商和電池廠商在不斷地提升電動(dòng)汽車的電池質(zhì)量和電容量。最具競(jìng)爭(zhēng)力的電動(dòng)汽車生產(chǎn)廠商特斯拉（TESLA），其生產(chǎn)的電動(dòng)汽車的電池采用了松下生產(chǎn)的NCA系列鈷酸鋰電池，單顆電池容量為3100毫安時(shí)。TESLA采用了電池組的策略，85kWh的特斯拉MODEL S的電池組一共使用了8142個(gè)鈷酸鋰鋰電池，行駛里程可超過(guò)450公里，但其重量高達(dá)900Kg，接近車身重量的一半。鈷酸鋰電池優(yōu)點(diǎn)突出，如結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、容量比高、綜合性能好，但是其安全性稍差而且成本非常高。該電池組成本約為250美元/千瓦時(shí)，能夠提供233瓦·時(shí)/千克的能量密度。

我國(guó)作為世界上最大的汽車生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，年生產(chǎn)和消費(fèi)各類汽車超過(guò)兩千萬(wàn)輛。最近幾年，在國(guó)家政策的支持下，電動(dòng)汽車發(fā)展迅猛。在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，以比亞迪的電動(dòng)汽車技術(shù)最有代表性，其銷量在2015年前十月已超過(guò)4萬(wàn)臺(tái)，同比增長(zhǎng)222%。在2015年5月至9月，比亞迪新能源汽車連續(xù)五個(gè)月全球銷量第一，超越三菱、日產(chǎn)以及特斯拉等國(guó)外品牌，市場(chǎng)份額達(dá)到11%。比亞迪電動(dòng)汽車采用自主研發(fā)的磷酸鐵鋰電池，它的放電效率高，通常充放電效率可達(dá)到90%以上。如比亞迪E6，續(xù)航里程可達(dá)300公里。而比亞迪采用磷酸鐵鋰電池的根本原因在于它的安全性高于其它常用的車載電池，理論壽命也較長(zhǎng)，可以達(dá)到7年以上，實(shí)際使用壽命大約為5年左右。目前比亞迪最新研究的磷酸鐵錳鋰電池突破了傳統(tǒng)的磷酸鐵鋰電池的能量密度限制，成本控制上比普通的磷酸鐵鋰更加優(yōu)秀，而且已經(jīng)應(yīng)用在了新款比亞迪E6電動(dòng)車上，續(xù)航能力得到了大幅度的提升，達(dá)到400公里。

除了電池的續(xù)航里程這個(gè)技術(shù)指標(biāo)外，電池的充放電時(shí)間也是電動(dòng)汽車行業(yè)最為關(guān)注的一個(gè)指標(biāo)之一。通常汽油車加滿一箱汽車只需數(shù)分鐘，而電動(dòng)汽車充電則需要數(shù)小時(shí)，甚至十幾個(gè)小時(shí)，效率相對(duì)較低，這是目前正在攻克的一個(gè)難關(guān)。但已經(jīng)有最新的成果出現(xiàn)，即石墨烯電池，它可以在十幾分鐘至一個(gè)小時(shí)內(nèi)將電池的電量充至80%以上，效率大大提高。

由于電動(dòng)汽車的動(dòng)力控制、驅(qū)動(dòng)和汽車互聯(lián)網(wǎng)等方面的先進(jìn)技術(shù)已經(jīng)相對(duì)比較成熟，因此，隨著電池技術(shù)的進(jìn)步以及成本的降低，純電動(dòng)汽車將逐步進(jìn)入每個(gè)人的生活。

1.2 氫燃料電池汽車的發(fā)展歷程及技術(shù)現(xiàn)狀

1968年，通用汽車公司生產(chǎn)出了世界第一輛可使用的氫燃料電池汽車，該燃料電池汽車以廂式貨車為基礎(chǔ)制造，裝載了最大功率為150kW的燃料電池組，續(xù)航里程為200km。但由于該車的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，自身部件體積過(guò)大，以及當(dāng)時(shí)環(huán)境和能源問(wèn)題并不突出，因此停止了后續(xù)的開(kāi)發(fā)工作。而到了20世紀(jì)90年代，作為解決環(huán)境污染和能源供需問(wèn)題的重要途徑之一的燃料電池電動(dòng)汽車技術(shù)受到了空前重視，主要汽車廠商和生產(chǎn)國(guó)幾乎都投入了大量的人力和物力研發(fā)燃料電池電動(dòng)汽車[3]。

目前，在氫燃料電池汽車領(lǐng)域，日本走在了世界前列。最近，豐田推出了售價(jià)5.75萬(wàn)美元的Mirai燃料電池汽車FCV，而氫動(dòng)力先驅(qū)本田也將近期推出了一款量產(chǎn)氫動(dòng)力汽車Clarity。氫燃料電池汽車作為只排放水的新能源汽車，其技術(shù)復(fù)雜性更甚于純電動(dòng)汽車，其技術(shù)先進(jìn)性主要體現(xiàn)在儲(chǔ)氫系統(tǒng)及燃料電池推上。本田氫燃料電池汽車采用了70MPa壓力的碳纖維氫燃料罐，并實(shí)現(xiàn)了燃料電池堆的突破，使得其燃料電池堆的體積比之前車型小了33%，功率輸出則達(dá)到100kW以上，輸出密度則提高到3.1kW/L，較以往提升了60%左右。FCV量產(chǎn)車的續(xù)航有望達(dá)到700公里，補(bǔ)充一次燃料僅需3分鐘，和普通燃油汽車加一次油的時(shí)間相當(dāng)。由于日本汽車廠商新能源汽車的技術(shù)比較成熟，因此，日本國(guó)內(nèi)已在今年開(kāi)始逐步建立加氫站，推廣氫能源汽車，并開(kāi)始在北美推廣該類型新能源汽車。但是，制氫技術(shù)及大規(guī)模儲(chǔ)氫技術(shù)是氫能源汽車的瓶頸所在，是制約其快速發(fā)展的關(guān)鍵因素。

在氫燃料電池汽車方面，我國(guó)目前沒(méi)有形成系統(tǒng)的研發(fā)體系和工業(yè)體系，關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵材料仍在探索中。儲(chǔ)氫系統(tǒng)以及燃料電池堆的研發(fā)進(jìn)步并不明顯。

2 純電動(dòng)汽車與氫燃料電池汽車發(fā)展所面臨的問(wèn)題

2.1 新能源汽車的配套基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后

以我國(guó)力推的電動(dòng)汽車為例，到2014年底全國(guó)的示范城市推廣的新能源汽車數(shù)量是9.1萬(wàn)輛，但是充電樁只有3.1萬(wàn)個(gè)，充電樁和新能源車的比例明顯不足。2015年11月18日，國(guó)家發(fā)展改革委等四部門聯(lián)合發(fā)布《電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展指南（2015～2020年）》表示，到2020年，新增集中式充換電站超過(guò)1.2萬(wàn)座，分布式充電樁超過(guò)480萬(wàn)個(gè)，以滿足全國(guó)500萬(wàn)輛電動(dòng)汽車充電需求。而美國(guó)作為電動(dòng)汽車發(fā)展比較快的區(qū)域，其充電樁也只有5萬(wàn)多個(gè)，同樣不能滿足電動(dòng)汽車的充電需求。而對(duì)于產(chǎn)量少的氫燃料電池汽車，加氫站就更少，全美僅有50座加氫站，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足氫能源汽車的需要。

2.2 電能和氫氣來(lái)源清潔度有待提高

電動(dòng)汽車使用過(guò)程中雖然沒(méi)有污染物排放，但其間接污染也是不容忽視的。目前，充電所需的電能主要還是以火力發(fā)電為主，水力和核能等清潔能源發(fā)電所占的比例很少。而火力發(fā)電仍然會(huì)對(duì)環(huán)境造成較大的污染[4]。

對(duì)于氫能源汽車所需的氫氣，目前最好的方法是通過(guò)電解水來(lái)制造氫氣，即用電將水分解成氧氣和氫氣。目前最好的電解水系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化率只有80%，效率并不高。甲烷轉(zhuǎn)化要更劃算，但卻會(huì)造成污染。因?yàn)檎羝枰訜岬?00到1000攝氏度，然后與甲烷結(jié)合生成氫氣和一氧化碳，以及少量二氧化碳。美國(guó)有95%的氫氣通過(guò)這種方法來(lái)制造。為了獲得氫氣所消耗的能量比直接使用電能更多。因此，氫氣制取技術(shù)需要革命性的技術(shù)出現(xiàn)才能為將來(lái)氫能源汽車的普及鋪平道路。

2.3 新能源汽車過(guò)度依賴國(guó)家補(bǔ)貼

目前國(guó)內(nèi)外新能源汽車存在的問(wèn)題之一就是補(bǔ)貼的依賴程度還比較高，補(bǔ)貼需要更具合理性。我國(guó)的汽車市場(chǎng)規(guī)模龐大，但發(fā)展基礎(chǔ)薄弱，能否實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)調(diào)發(fā)展，其中政策的制定是系統(tǒng)的工程，沒(méi)有補(bǔ)貼不行，補(bǔ)貼時(shí)間過(guò)長(zhǎng)也不行。最近國(guó)家對(duì)新能源汽車政策補(bǔ)貼的退坡給出了時(shí)間表，具體為：從2017年到2020年，除燃料電池汽車外其他車型補(bǔ)助標(biāo)準(zhǔn)適當(dāng)退坡。2017～2018年補(bǔ)助標(biāo)準(zhǔn)在2016年基礎(chǔ)上下降20%，2019～2020年補(bǔ)助標(biāo)準(zhǔn)在2016年基礎(chǔ)上下降40%。企業(yè)的當(dāng)務(wù)之急是，實(shí)現(xiàn)核心技術(shù)的突破，降低成本，提高產(chǎn)品的安全性和可靠性，改變單純依靠補(bǔ)貼的盈利模式[5]。

3 純電動(dòng)汽車與氫燃料電池汽車發(fā)展前景展望

從世界范圍來(lái)看，由于近年來(lái)電動(dòng)汽車的技術(shù)突破，使得各國(guó)政府在推廣新能源汽車方面都把注意力放在了電動(dòng)汽車上，而氫燃料電池僅有少數(shù)幾個(gè)國(guó)家在力推，如日本政府力推氫能源汽車，補(bǔ)貼力度很大。而且各大汽車廠商的研發(fā)重點(diǎn)也是電動(dòng)汽車，如通用、奧迪、奔馳和寶馬等。因此，隨著充電樁的建設(shè)加速，未來(lái)十年至二十年應(yīng)該是純電動(dòng)汽車的春天，將迎來(lái)最好的發(fā)展機(jī)遇。但是如果電池容量及電池快充技術(shù)在未來(lái)數(shù)年內(nèi)沒(méi)有大的突破，則氫燃料電池汽車則有機(jī)會(huì)趕超純電動(dòng)汽車，畢竟，氫燃料電池汽車充滿氫氣只需3分鐘，卻可以行使超過(guò)700公里，未來(lái)可能超過(guò)一千公里。純電動(dòng)汽車和氫燃料電池汽車誰(shuí)將成為未來(lái)的主流車型取代燃油汽車，取決于各自技術(shù)突破的速度以及政策支持。如果電池容量及快充技術(shù)在高效清潔制氫技術(shù)之前獲得突破，那么純電動(dòng)汽車將成為未來(lái)主流新能源汽車，否則氫燃料電池汽車將超越電動(dòng)汽車成為未來(lái)主流新能源汽車。

從技術(shù)發(fā)展成熟度和中國(guó)國(guó)情來(lái)看，混合動(dòng)力汽車可以作為大面積充電網(wǎng)絡(luò)還沒(méi)建立起來(lái)之前的過(guò)渡產(chǎn)品，而純電動(dòng)汽車應(yīng)是我國(guó)目前大力發(fā)展的方向。但是我國(guó)也應(yīng)加快氫能源汽車基礎(chǔ)研究以及完善相應(yīng)的工業(yè)體系，避免未來(lái)出現(xiàn)氫能源汽車大規(guī)模替代燃油汽車時(shí)處于被動(dòng)地位。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：王楠]