氫燃料電池汽車(chē)的發(fā)展與展望

邱晨曦

摘 要：氫燃料電池汽車(chē)作為一種新能源汽車(chē)，其零污染，零排放的特性，引起了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。目前，世界各國(guó)已經(jīng)陸續(xù)頒發(fā)了一系列與氫燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)相關(guān)的扶持政策，鼓勵(lì)企業(yè)、高校以及相關(guān)研究機(jī)構(gòu)加大研究力度，加快布局搶占先機(jī)。雖然氫燃料電池汽車(chē)的優(yōu)勢(shì)眾多，但在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化過(guò)程中仍然會(huì)面臨著許多阻礙。文章主要針對(duì)目前氫燃料電池汽車(chē)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并對(duì)氫燃料電池汽車(chē)未來(lái)的發(fā)展提出合理化建議。希望通過(guò)以上的論述，能對(duì)氫燃料電池汽車(chē)的發(fā)展起到促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：氫燃料電池;汽車(chē);發(fā)展研究

中圖分類(lèi)號(hào)：U473 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2019）23-25-04

Development and Prospect of Hydrogen Fuel Cell Vehicles

Qiu Chenxi

（ Fuzhou Vocational and Technical College， Fuzhou Fujian 350108 ）

Abstract： As a new energy vehicle， hydrogen fuel cell vehicles have attracted the attention of all countries in the world due to their zero pollution and zero emission characteristics. At present， countries around the world have successively issued a series of support policies related to the hydrogen fuel cell vehicle industry， encouraging enterprises， universities and related research institutions to increase research efforts and speed up the layout to seize opportunities. Although hydrogen fuel cell vehicles have many advantages， they still face many obstacles in the process of industrialization and commercialization. This paper mainly analyzes the current development status of hydrogen fuel cell vehicles and puts forward reasonable suggestions for the future development of hydrogen fuel cell vehicles. It is hoped that through the above discussion， it can promote the development of hydrogen fuel cell vehicles.

Keywords： Hydrogen fuel cell; Automotive; Development research

CLC NO.： U473 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2019）23-25-04

前言

隨著人們生活水平的不斷提高，汽車(chē)的保有量在逐年上漲，石油能源枯竭與環(huán)境污染問(wèn)題也日趨凸顯，汽車(chē)排放的廢氣造成的環(huán)境污染、溫室效應(yīng)以及海平面上升等問(wèn)題已經(jīng)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。雖然汽車(chē)的使用會(huì)對(duì)社會(huì)帶來(lái)一系列的負(fù)面影響，但作為目前人們出行使用最頻繁的工具之一，人們沒(méi)辦法因此而選擇棄之不用[1]。最好的方式就是開(kāi)發(fā)一種零污染，零排放的新能源汽車(chē)。氫燃料電池汽車(chē)作為新能源汽車(chē)的一種[2]，它以氫做為動(dòng)力源，通過(guò)與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，可以直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，為汽車(chē)提供動(dòng)能，且產(chǎn)生電能的過(guò)程反應(yīng)產(chǎn)物是水，可真正意義上的實(shí)現(xiàn)零污染、零排放。為了推動(dòng)氫燃料電池汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，世界各國(guó)已經(jīng)陸續(xù)頒發(fā)了一系列與氫燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)相關(guān)的扶持政策，鼓勵(lì)企業(yè)、高校以及相關(guān)研究機(jī)構(gòu)加大研究力度，加快布局搶占先機(jī)。然而由于技術(shù)尚未成熟，氫燃料電池汽車(chē)的產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化仍然面臨著許多阻礙[3]。

1 國(guó)內(nèi)外氫燃料電池汽車(chē)的發(fā)展現(xiàn)狀

氫燃料電池汽車(chē)由于具有零排放，零污染、效率高以及能源可再生等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是汽車(chē)工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要發(fā)現(xiàn)。目前，國(guó)際的氫燃料電池汽車(chē)已經(jīng)步入了技術(shù)與市場(chǎng)的示范階段。我國(guó)由于氫燃料電池汽車(chē)起步較晚，正面臨著技術(shù)創(chuàng)新難以突破、產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)薄弱以及科研人員缺乏等問(wèn)題。這一系列的問(wèn)題，大大阻礙了我國(guó)氫燃料電池汽車(chē)的發(fā)展。

1.1 國(guó)外氫燃料電池汽車(chē)的發(fā)展現(xiàn)狀

由于國(guó)外在氫燃料電池汽車(chē)領(lǐng)域起步較早，目前已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)將傳統(tǒng)汽車(chē)平臺(tái)改造成為氫燃料電池汽車(chē)平臺(tái)的生產(chǎn)模式，日本和歐美在氫燃料電池汽車(chē)研發(fā)水平方面處于世界領(lǐng)先位置，在氫燃料電池汽車(chē)的安全性、可靠性等方面取得了重大突破，并陸續(xù)推出了先進(jìn)的氫燃料電池汽車(chē)。如豐田汽車(chē)公司研發(fā)的Mirai、日產(chǎn)的Xtrial、奔馳的F-Cell、通用的Equinax以及現(xiàn)代的LX35等，都是氫燃料電池汽車(chē)的典型代表[4]。目前這些主流氫燃料電池汽車(chē)的性能指標(biāo)如表1所示。

表1 ?主流氫燃料電池汽車(chē)的性能指標(biāo)

相較而言，豐田汽車(chē)公司研發(fā)的Mirai綜合性能較好，特別是在氫燃料電池催化劑鉑的用量方面，遠(yuǎn)低于其他車(chē)型，鉑最為一種貴重金屬催化劑，降低鉑的用量可大大降低燃料電池汽車(chē)的成本，提高氫燃料電池汽車(chē)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

1.2 國(guó)內(nèi)氫燃料電池汽車(chē)的發(fā)展現(xiàn)狀

在我國(guó)，隨著政府對(duì)氫燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的大力扶持，以奇瑞、長(zhǎng)安、一汽以及上汽為代表的汽車(chē)公司也相繼對(duì)傳統(tǒng)的汽車(chē)平臺(tái)進(jìn)行改造，但是由于尚未掌握燃料電池的關(guān)鍵技術(shù)，目前生產(chǎn)制造的氫燃料電池汽車(chē)綜合性能相對(duì)較差，仍處于試運(yùn)行階段[5]。

盡管豐田汽車(chē)公司的氫燃料電池汽車(chē)研發(fā)技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平，截止到2017年底豐田Mirai占到全球氫燃料電池乘用車(chē)銷(xiāo)量九成以上，但也僅僅銷(xiāo)售5300輛，就目前的發(fā)展情況來(lái)看，氫燃料電池汽車(chē)在短期內(nèi)難以產(chǎn)業(yè)化[6]。

2 阻礙氫燃料電池汽車(chē)發(fā)展的因素

盡管?chē)?guó)外的氫燃料電池汽車(chē)技術(shù)較為領(lǐng)先，但是距離實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化還有很長(zhǎng)的路要走，阻礙燃料電池汽車(chē)發(fā)展的因素還有很多，主要有氫燃料電池成本過(guò)高、加氫站太少、氫氣補(bǔ)給困難、氫氣制取困難以及消費(fèi)者認(rèn)可度較低等因素。

2.1 氫燃料電池成本高

氫燃料電池不僅制造技術(shù)要求高，且采用的鉑催化劑、電解質(zhì)膜和雙極板的成本較高。目前氫燃料電池組中都使用鉑作為催化劑，這種金屬價(jià)格高，在尋找到其替代品之前，這將會(huì)一直是阻礙氫燃料電池發(fā)展的重要因素。由于要求氫燃料電池中的電解質(zhì)膜必須具有較強(qiáng)的氧化和還原穩(wěn)定性，所以電解質(zhì)膜的價(jià)格較高，目前氫燃料電池所用的電解質(zhì)膜每平米約600美元。氫燃料電池中的雙極板采用的是石墨材料，制造石墨雙極板需要在2500℃以上進(jìn)行，且要求石墨雙極板要達(dá)到不透性要求，導(dǎo)致其加工過(guò)程成本過(guò)高。以豐田Mirai為例，當(dāng)每年生產(chǎn)氫燃料電池的系統(tǒng)生產(chǎn)能力達(dá)到50萬(wàn)個(gè)時(shí)，催化劑、膜和雙極板的成本將占到整個(gè)氫燃料電池成本的80%左右[7]。

2.2 加氫站太少，氫氣補(bǔ)給困難

氫燃料電池汽車(chē)的發(fā)展，免不了加氫站的建設(shè)，建設(shè)加氫站成本過(guò)高也是制約燃料電池汽車(chē)發(fā)展的主要因素之一。目前在國(guó)內(nèi)建設(shè)一座加氫站的投資在200～250萬(wàn)美元之間[8];日本建設(shè)一座中型加氫站投資在500～550萬(wàn)美元;在美國(guó)約需要280～350萬(wàn)美元[9]，從加氫站的投資建設(shè)來(lái)看，我國(guó)在建設(shè)成本上具有一定優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，全球加氫站的數(shù)量不斷增長(zhǎng)，2015-2018年全球加氫站數(shù)量如圖1所示，2018年年底，全球的加氫站數(shù)量達(dá)到了369座，其中歐洲為152座，亞洲為136座，北美為78座。截至2018年年底，我國(guó)已建成或在運(yùn)營(yíng)的加氫站有26座[10]。從整體上來(lái)看，全球的加氫站數(shù)量依然只是滄海一粟，過(guò)少的加氫站非常不利于氫燃料電池汽車(chē)的普及和推廣。

圖1 ?2015-2018年全球加氫站數(shù)量（單位：座）

2.3 氫氣制取困難、儲(chǔ)存條件高

氫氣不是自然存在的能源，而是必須通過(guò)轉(zhuǎn)換得到，氫氣制取可通過(guò)煤氣化、天然氣重整以及水電解等方式，但這些過(guò)程都會(huì)消耗能源和電力[11]。目前加氫站的氫氣來(lái)源主要還是以電解水的方式制得，整個(gè)制氫過(guò)程需要消耗大量的電能。由于要使燃料電池穩(wěn)定工作，氫氣的純度將至關(guān)重要，高純度氫氣的制取過(guò)程不僅復(fù)雜，且必須消耗大量的能量，這就使氫氣的獲取成本大大提升。除此之外，由于氫氣密度小，要保證燃料電池汽車(chē)的續(xù)航里程，就必須采用高壓容器對(duì)氫氣進(jìn)行壓縮儲(chǔ)存，氫氣在壓縮過(guò)程要消耗能量，且氫氣罐在達(dá)到壓力標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)還要使氫氣罐盡可能的輕量化，這就使得氫氣罐制造的成本大大提高。因此，從氫氣制取提純，到壓縮儲(chǔ)存整個(gè)環(huán)節(jié)的成本過(guò)高，會(huì)致使氫燃料電池汽車(chē)性?xún)r(jià)比大大下降。據(jù)中國(guó)氫能聯(lián)盟數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，如圖2所示，2018年我國(guó)的氫氣產(chǎn)量約為2100萬(wàn)噸，位居世界第一，從2012-2018年來(lái)看，我國(guó)氫氣產(chǎn)量雖然呈逐年遞增趨勢(shì)，但增速較緩。

圖2 ?2012-2018年中國(guó)氫氣產(chǎn)量

2.4 消費(fèi)者對(duì)燃料電池汽車(chē)的安全性存在質(zhì)疑

氫燃料電池汽車(chē)要想實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)化、商業(yè)化甚至完全替代燃油車(chē)，消費(fèi)者的認(rèn)可度將是最直接的決定性因素。就目前的調(diào)研來(lái)看，消費(fèi)者對(duì)氫燃料電池汽車(chē)的認(rèn)可度偏低，主要是對(duì)氫燃料電池汽車(chē)的安全性存在疑慮。為何大家會(huì)“談氫色變”，主要源于原料氫氣易燃易爆特性，一旦氫燃料電池汽車(chē)發(fā)生氫氣泄漏或者劇烈碰撞時(shí)，燃料電池汽車(chē)能否保證不發(fā)生劇烈燃燒甚至爆炸現(xiàn)象。目前，汽車(chē)企業(yè)在氫燃料電池汽車(chē)的設(shè)計(jì)過(guò)程中也考慮到了氫氣的安全性問(wèn)題，都盡可能的將氫氣罐和燃料電池設(shè)計(jì)在車(chē)的最安全部位。以豐田汽車(chē)公司研發(fā)的Mirai為例，其燃料電池和儲(chǔ)氫罐設(shè)計(jì)在了座椅和后備箱的底部，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示，一旦發(fā)生事故，該部位可最大限度的對(duì)燃料電池和儲(chǔ)氫罐進(jìn)行保護(hù)。除此之外，汽車(chē)制造企業(yè)在將氫燃料電池汽車(chē)推向市場(chǎng)之前都會(huì)進(jìn)行一系列的安全測(cè)試，通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)明氫燃料電池汽車(chē)的安全性，但就大部分消費(fèi)者而言，由于目前氫燃料電池汽車(chē)市場(chǎng)的占有率太少，缺乏實(shí)際的數(shù)據(jù)支撐，這些理論數(shù)據(jù)更像是包裝的外殼，不具有說(shuō)服力。因此，氫燃料電池汽車(chē)的推廣還存在很大阻力。

圖3 ?氫燃料電池汽車(chē)結(jié)構(gòu)示意圖

3 氫燃料電池汽車(chē)未來(lái)的發(fā)展

由于石油能源的枯竭和環(huán)境污染問(wèn)題日益凸顯，目前世界各國(guó)都在快速推進(jìn)氫燃料電池汽車(chē)的發(fā)展，在國(guó)家政策及行業(yè)的不斷推動(dòng)下，制約氫燃料電池汽車(chē)發(fā)展的因素也將得到改善[12]。就我國(guó)而言，根據(jù)白皮書(shū)公布的目標(biāo)，預(yù)計(jì)到2050年氫能在我國(guó)能源體系中的占比將得到10%左右[13]，加氫站網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建完成，燃料電池汽車(chē)產(chǎn)量將達(dá)到520萬(wàn)輛/年，燃料電池車(chē)輛保有量達(dá)到1000萬(wàn)輛。氫燃料電池汽車(chē)規(guī)模壯大是歷史發(fā)展的必然趨勢(shì)，氫燃料電池汽車(chē)的發(fā)展軌跡將會(huì)與燃油車(chē)的發(fā)展類(lèi)似，需要進(jìn)行不斷的改進(jìn)和創(chuàng)新。早在100年之前燃油車(chē)也因?yàn)榧夹g(shù)不成熟、安全性不夠以及燃油添加困難等弊端被消費(fèi)者所排斥，但是隨著研發(fā)的不斷深入，科技水平也隨之不斷提高，阻礙燃油車(chē)發(fā)展的主要因素隨之被一一解決，燃油車(chē)也開(kāi)始受到消費(fèi)者的認(rèn)可甚至是追捧。如今正處于科技迅猛發(fā)展的時(shí)代，氫燃料電池汽車(chē)從起步到成熟的階段將會(huì)比燃油車(chē)來(lái)得更快，在不久的將來(lái)氫燃料電池汽車(chē)必將受到廣大消費(fèi)者的認(rèn)可，甚至可能完全替代燃油車(chē)成為主流。

4 結(jié)論

盡管目前氫燃料電池汽車(chē)在發(fā)展過(guò)程中仍然有很多瓶頸，但是隨著氫燃料電池汽車(chē)技術(shù)的不斷成熟;國(guó)家政策及行業(yè)的不斷推動(dòng);消費(fèi)者認(rèn)可度的不斷提升;氫燃料電池汽車(chē)完全有可能替代燃油車(chē)成為主流。

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