編譯/辛妍

國外燃料電池汽車發(fā)展
——性能、優(yōu)勢、挑戰(zhàn)及應(yīng)對

編譯/辛妍

五年前，各大主要汽車展上都是電池電動車占主導(dǎo)地位。但是現(xiàn)在，電動汽車已經(jīng)行駛在世界各地的公路上，并且銷售速度相對穩(wěn)定，似乎汽車展上的營銷魔咒也發(fā)生了改變，變成了氫燃料電池。

氫燃料電池汽車與電池電動汽車（純電動汽車，BEV）類似，因為它們也是使用高電壓電動機推動車輛。然而，不同于電池電動汽車，燃料電池汽車配備了氫燃料罐（或燃料箱）和燃料電池系統(tǒng)，以產(chǎn)生電力來驅(qū)動電動機。因此，燃料電池汽車使用車載燃料罐中存儲的氫氣，加油（加注氫氣）只需要幾分鐘；而電池汽車是依靠存儲在高壓電池中的電能供電。所以，燃料電池汽車能夠提供電池電動汽車那樣的環(huán)境效益，但它們行駛范圍更長，而加油時間更短。

2014年11月的洛杉磯車展開幕之前，豐田公司在Newport海灘的新聞發(fā)布會上揭開了Mirai燃料電池轎車的神秘面紗，成為了當(dāng)時最大的綠色汽車新聞。這款300英里里程范圍的汽車將會于2015年秋季在美國的加利福尼亞州上市。豐田公司估計，到2015年底，美國公路上將有200名駕駛著Mirai的司機，而到2017年底，這一數(shù)字將累計達到3000。

本文將首先介紹燃料電池汽車的性能及優(yōu)勢，隨后指出其發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)及和各國的一些推廣支持政策，最后介紹最新的相關(guān)技術(shù)發(fā)展，以期讓讀者更好地了解燃料電池汽車，并為我國發(fā)展燃料電池汽車提供借鑒。

燃料電池汽車的主要性能

燃料電池汽車（fuel cell vehicle，F(xiàn)CV）或者燃料電池電動汽車（fuel cell electric vehicle，F(xiàn)CEV）是一種使用燃料電池為其車載電動機供電的汽車。燃料電池不需要充電，而是可以通過加注氫氣實現(xiàn)再充滿。使用氫的燃料電池汽車只排放水和熱，沒有尾氣污染物，因此被認為是零排放車輛。但實際上，除非氫燃料電池中使用的氫是通過可再生能源生產(chǎn)的，否則生產(chǎn)氫氣就一定會產(chǎn)生污染物。

同時，燃料電池汽車也相當(dāng)注重安全性。通過滿足由汽車工程師協(xié)會（Society of Automotive Engineers）和其他標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展組織設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)，汽車制造商致力于讓燃料電池電動汽車與傳統(tǒng)汽車同樣安全，甚至是更安全。燃料電池電動汽車有必要的安全系統(tǒng)，設(shè)計用于在意外發(fā)生時保護乘客和急救人員。最重要的是，燃料電池電動汽車與常規(guī)車輛一樣，要達到國家公路交通安全管理局（National Highway Traffic and Safety Administration）設(shè)立的安全要求。

燃料電池汽車從外面看起來很像傳統(tǒng)車輛，但里面卻包含著在今天的車輛中無法找到的高科技組件。最明顯的區(qū)別燃料電池組，它能將存儲在車中的氫氣與空氣中的氧氣轉(zhuǎn)化為電能，驅(qū)動用來推動車輛的電動機。典型的燃料電池汽車的主要組件包括電動機（Electric Motor，能比內(nèi)燃機更安靜、平穩(wěn)和高效地驅(qū)動車輛，而且需要較少的維護）、燃料電池組（Fuel Cell Stack，將氫氣和氧氣轉(zhuǎn)換為電，為電動馬達提供電力）、高輸出電池（High-output Battery，存儲由再生制動產(chǎn)生的能量，并為電動馬達提供補充電力）、儲氫罐（Hydrogen Storage Tank，儲存在極高壓力下壓縮的氫氣以增加行駛里程范圍）和功率控制單元（Power Control Unit，控制電流）。氫燃料電池汽車的主要性能描述歸納總結(jié)如下表。

燃料電池汽車的優(yōu)勢

燃料電池汽車在兩個關(guān)鍵領(lǐng)域領(lǐng)先創(chuàng)新：一是能源基礎(chǔ)設(shè)施，可促進氫社會；二是可持續(xù)的移動性，可克服全球環(huán)境和能源問題。

為什么當(dāng)今燃料經(jīng)濟非常重要呢？首先，它可以省錢，選擇能夠滿足需求的最有效的車輛，每年可以最多節(jié)約1400美元的燃油費用；其次，它可以減少氣候變化，因為燃燒汽油和柴油所產(chǎn)生的二氧化碳都會導(dǎo)致全球氣候變化；再次，它可以降低石油依賴度成本，因為對石油的依賴會使經(jīng)濟容易受到石油市場操縱和價格沖擊的影響；最后，它能夠提高能源的可持續(xù)性。因為石油是一種不可再生資源，因此我們不可能無限期維持現(xiàn)有的利用率，現(xiàn)在明智地使用它能夠讓我們有時間找到更具持續(xù)性的替代技術(shù)和燃料。

正因為如此，燃料電池汽車具有內(nèi)在的優(yōu)勢。

首先，使用燃料電池汽車可以減少溫室氣體排放量。以汽油和柴油為動力的車排放主要成分為二氧化碳的溫室氣體（GHGs），導(dǎo)致全球氣候變化。以純氫為動力的燃料電池汽車不排放溫室氣體，排放的只有熱和水。取決于不同的生產(chǎn)方法，生產(chǎn)燃料電池汽車所需的氫會產(chǎn)生溫室氣體，但是遠少于傳統(tǒng)的汽油和柴油車輛排放。即使燃料來自最骯臟的氫氣來源——天然氣，與汽油動力汽車相比，今天的早期燃料電池汽車也能減少超過30%的溫室氣體排放量。而未來的可再生燃料標(biāo)準(zhǔn)（例如現(xiàn)在加利福尼亞州的要求）將會讓氫氣更清潔。

表1：氫燃料電池汽車的主要性能描述

其次，推廣燃料電池汽車能夠減少對石油的依賴。之所以如此，是因為氫可以產(chǎn)自國內(nèi)資源，如天然氣和煤炭，以及水、沼氣和農(nóng)業(yè)廢棄物等可再生資源。這將減小本國經(jīng)濟對其他國家的依賴性，并且更不易受到日益動蕩的石油市場中的油價沖擊。

再次，使用燃料電池汽車會產(chǎn)生較少的空氣污染物。在美國，空氣中的煙霧和有害顆粒物等很大一部分是來自于公路車輛排放的污染物。而以純氫為動力的燃料電池汽車不會排放有害污染物。如果氫氣產(chǎn)生自化石燃料，會產(chǎn)生一些污染物，但遠小于傳統(tǒng)汽車尾氣排放量。

氫燃料電池汽車具有雙重優(yōu)勢，它既有傳統(tǒng)汽車的行駛范圍和加油過程，同時又有以電力為動力的駕駛的娛樂性和環(huán)境優(yōu)勢。因此，燃料電池汽車不僅僅是環(huán)保車，它也非常有駕駛樂趣，并能提供便利性和高性能。

除了私家車和公司用車，目前還有超過100輛燃料電池公共汽車部署在全世界，加拿大惠斯勒（Whistler）、美國舊金山、德國漢堡、中國上海、英國倫敦、巴西圣保羅以及其他一些城市都有。與柴油公共汽車和天然氣公共汽車相比，燃料電池公共汽車的燃油經(jīng)濟性高出約30%～141%。

燃料電池汽車所面臨的巨大挑戰(zhàn)

2014年，氣候博客人、前美國能源部官員Joseph Romm用三篇文章來批評氫燃料電池汽車。他說，燃料電池汽車仍然沒有解決以下問題：車輛的高成本、燃料的高成本，以及缺乏燃料輸送基礎(chǔ)設(shè)施。實際上，要讓燃料電池汽車成為消費者眼中成功的、有競爭力的選擇，必須要克服下面所列出的各方面的挑戰(zhàn)。

首先是車輛成本。目前，雖然燃料電池汽車比傳統(tǒng)汽車和混合動力車都要昂貴，但實際上成本已經(jīng)大大降低，并且正在接近美國能源部制定的2017年的目標(biāo)（即30美元/kW）。為了能讓燃料電池汽車與傳統(tǒng)技術(shù)競爭，制造商必須不斷降低生產(chǎn)成本，特別是燃料電池組和氫存儲的成本。

其次是如何實現(xiàn)車上的氫存儲。有些燃料電池汽車能夠存儲足夠的氫，從而讓行駛里程范圍與汽油車輛無異（大約300到400英里，約合480到640公里）。但是，要在不損害客戶對空間、性能、安全或成本的期望的情況下，讓不同品牌和型號的車輛都實現(xiàn)這一點，并不容易。理論上，燃料電池汽車比傳統(tǒng)汽車能效更高，與等重量的汽油相比，氫氣包含高三倍的能量。但是，與等體積的汽油相比，氫氣所包含的能量只有其1/3，因此很難存儲足夠的氫來讓燃料電池汽車與加滿汽油的車跑得一樣遠，至少在尺寸、重量和成本限制下是如此。目前，已經(jīng)在探索各種氫存儲方法，各有優(yōu)缺點（見表2）。

再次，是燃料電池耐用性和可靠性。燃料電池系統(tǒng)尚未如同內(nèi)燃發(fā)動機一樣持久耐用，特別是在一定的溫度和濕度范圍內(nèi)更是如此。專家認為，要讓燃料電池汽車能夠與汽油車競爭，電池的預(yù)期壽命要達到15萬英里才行，而目前才只有7.5萬英里。

另外，還有如何讓消費者獲得氫氣。當(dāng)前氫氣生產(chǎn)、輸送和分配的基礎(chǔ)設(shè)施尚無法支持燃料電池汽車的廣泛使用。在燃料電池電動汽車成為現(xiàn)實之前，加油站需要投資，使之具有加注氫氣罐的能力。但是，由于目前道路上的這類客戶極少，因此現(xiàn)有的加油站不大可能進行這項投資。目前，全美國也就總共只有12個氫燃料加注站。因此，氫燃料基礎(chǔ)設(shè)施問題何時真正得到解決是個大問題。

最后，就是公共教育。在燃料電池技術(shù)的好處實現(xiàn)之前，必須讓消費者先接受這一技術(shù)。如同任何新的車輛技術(shù)，當(dāng)燃料電池汽車第一次進入市場的時候，消費者可能會在可靠性和安全性方面有顧慮。此外，他們必須熟悉一種新的燃料。而公共教育可以加速這一進程。

圖1：不僅僅是環(huán)保車輛的燃料電池汽車

事實上，與氫燃料汽車相關(guān)的運輸、存儲和生產(chǎn)成本都還過高，這是氫燃料汽車推廣的巨大障礙。更有甚者，Joseph Romm認為，不論是現(xiàn)在還是將來，用可再生能源來產(chǎn)生氫氣在經(jīng)濟上都是不可行的。而綠色技術(shù)媒體（GreenTech Media）在2014年也得出了類似的結(jié)論。因此，要推廣燃料電池汽車，確實是任重而道遠。

各國致力于發(fā)展燃料電池汽車

美國

2003年，美國總統(tǒng)喬治·布什提出氫燃料倡議（Hydrogen Fuel Initiative，HFI），該倡議旨在進一步開發(fā)利用氫燃料電池和基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)，以加快燃料電池汽車的商業(yè)推廣。到2008年，美國已經(jīng)對該項目投資達10億美元。

雖然在2009年的時候美國能源部長朱棣文（Steven Chu）斷言，在未來的10到20年，氫氣車輛都不會可行，但是，在2012年，朱指出，隨著天然氣價格的下降和氫氣改進技術(shù)的發(fā)展，燃料電池汽車在經(jīng)濟上將更加可行。因此，美國政府繼續(xù)致力于支持燃料電池汽車。

2013年，美國能源部（Department of Energy，DOE）宣布高達400萬美元的計劃，用于繼續(xù)發(fā)展先進的氫存儲系統(tǒng)。2013年5月，能源部推出H2USA方案，重點推進美國的氫基礎(chǔ)設(shè)施。也在是2013年，加利福尼亞州州長Jerry Brown簽署AB 8法案，要在未來10年內(nèi)每年撥款2000萬美元，建設(shè)多達100個氫氣燃料加注站。2014年5月，加利福尼亞州能源委員會出資4660萬美元建設(shè)28個氫氣燃料加注站。

表2：氫存儲方法比較

美國加利福尼亞州大學(xué)歐文分校（University of California Irvine）先進電力和能源項目（Advanced Power and Energy Program，APEP）的研究發(fā)現(xiàn)，在適當(dāng)?shù)牡攸c建立68個站，就可以處理至少10000輛燃料電池汽車。而這些站正在逐漸成為現(xiàn)實。到2015年底，加利福尼亞州的9個現(xiàn)役氫燃料補給站中的3個，以及17個新建的站將向一般公眾開放，并且有28個站預(yù)計要到2016年底交付，意味著短期內(nèi)氫燃料補給站的總數(shù)將達到48個。為在美國推廣其燃料電池汽車，豐田汽車公司將繼續(xù)支持發(fā)展便捷、可靠的氫燃料補給基礎(chǔ)設(shè)施。上述48個氫燃料補給站中的19個將使用豐田公司提供的730萬美元的貸款支持，由FirstElement Fuels建造。豐田公司還宣布要為美國東北部地區(qū)發(fā)展氫燃料補給基礎(chǔ)設(shè)施做出更多的努力。在2016年，Air Liquide將與豐田公司合作，目標(biāo)是要在紐約、新澤西、馬薩諸塞、康涅狄格和羅德島這五個州共建設(shè)12個補給站。由于東北部的五個州氣候寒冷，因此，冬季會嚴重限制電池電動汽車的行駛范圍，在這些地區(qū)燃料電池汽車應(yīng)該更有優(yōu)勢。

除此之外，為推廣燃料電池汽車，客戶購買燃料電池汽車也會享受許多優(yōu)惠政策。比如在加利福尼亞州，許多購買燃料電池汽車的客戶可以得到聯(lián)邦和州政府提供的高達13000美元的獎勵，意味著如果購買豐田Mirai，其購買價格可以降至45000美元以下。另外，在加利福尼亞州，Mirai有資格獲得“白色標(biāo)簽”，從而能夠在只有單一乘員的情況下，使用拼車車道（carpool lane），這對于交通高峰時段無疑是個很大的激勵政策。而為了推廣豐田Mirai，豐田汽車公司打算在前三年提供免費的氫加油，目前現(xiàn)代對它的途勝（Tucson）燃料電池休旅車的承租人就采用了這種方法。并且，豐田公司將為所有的燃料電池組件提供8年或者10萬英里保修。

日本

氫燃料電池汽車要想成功，就需要在他們銷售的每個區(qū)域都有足夠數(shù)量的公共氫氣加注站。針對要在多個國家建立電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施，汽車制造商已經(jīng)開展了宣傳活動。但是，由于氫燃料加注站的成本要高得多，因此，類似的努力就會更加困難。盡管如此，作為其“氫經(jīng)濟”愿景的一部分，日本國家政府已經(jīng)表現(xiàn)出對燃料電池汽車強有力且持續(xù)的支持與承諾。

2015年7月1日，日本三個最大的汽車制造商——本田、日產(chǎn)、豐田——發(fā)表聯(lián)合聲明，表示將聯(lián)合努力，以支持建造新的氫氣加油站。在聲明中，這三家企業(yè)討論了細節(jié)內(nèi)容，所采取的措施將包括承銷一些建設(shè)氫氣加油站的基礎(chǔ)設(shè)施公司所產(chǎn)生的運營成本?；诖?，汽車制造商將涵蓋項目中所涉及的加油站1/3的運營成本，每個加油站的份額大約為1100萬日元（約合9萬美元）。在每個財年，運營商必須重新申請資助。但到目前為止，汽車制造商尚未表示獲得支持的加油站的數(shù)量是否有限制。聲明指出，在燃料電池汽車確立市場地位，并且氫氣加油站基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)步入正軌前，該項目將一直運行。汽車制造商們認為，這預(yù)計會到大約2020年。

日本的氫加油基礎(chǔ)設(shè)施項目將在政府的巨大努力下展開，以促進燃料電池的各種用途。日本首相安倍晉三（Shinzo Abe）將國家氫加油站網(wǎng)絡(luò)看作是其“氫社會”的一部分，在“氫社會”中，燃料電池不僅為汽車提供動力，還為家庭和辦公樓宇等提供電力。在氫燃料加注站方面，日本已經(jīng)于2014年建成第一個商業(yè)氫燃料加注站，并有40個新站在計劃中。東京市政府計劃在2020年前，在其管轄范圍內(nèi)資助建造35個站，而2020年正是東京主辦夏季奧運會的年份。

除了美國和日本，目前德國已經(jīng)草擬了氫氣加油網(wǎng)絡(luò)計劃，計劃要建設(shè)50個氫氣加注站。同時，草案要求所有的氫氣都要產(chǎn)生自可再生能源，從而讓汽車從井到車輪（wells-towheels）的碳足跡能與電動汽車相比。

燃料電池汽車最新相關(guān)技術(shù)

不同類型的燃料電池包括聚合物電解質(zhì)膜（polymer electrolyte membrane，PEM）燃料電池、直接甲醇燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池、改良甲醇燃料電池和再生燃料電池。而目前車輛中最常見的燃料電池是聚合物電解質(zhì)膜電池。

2012年，英國研制成功的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池能在較低的溫度下操作，比其它燃料電池更小，更輕，使得它們更適合用于小汽車和貨車。英國的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池系統(tǒng)可將汽車總擁有成本降到低于36美元/kW，從而讓燃料電池電動汽車足以在成本上與內(nèi)燃機動力汽車競爭。如果使用該技術(shù)，到2050年可以將燃料電池電動汽車的市場總份額從原有預(yù)期的25%提高到34%，相當(dāng)于在全球增加了200萬輛燃料電池電動汽車，這等同于300億美元的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池市場價值，以及全球2.6億噸的二氧化碳節(jié)余。

在2015年4月，一直致力于開發(fā)酶方法的弗吉尼亞理工大學(xué)（Virginia Tech）生物系統(tǒng)工程系的教授Percival Zhang研究成功了一種直接從植物中制造氫氣的新方法。Zhang的方法是“無細胞”的，也就意味著不需要像發(fā)酵一樣使用微生物。相反，該方法使用酶，把復(fù)雜的糖類（比如那些在植物材料中找到的糖）分解成組件成分。目前，他的實驗表明，這一過程能夠有效地將玉米秸稈（這是美國最富的農(nóng)業(yè)廢物產(chǎn)品）轉(zhuǎn)化為氫燃料。張和他的同事們已經(jīng)證明，相比于傳統(tǒng)的發(fā)酵方法，該過程能讓每單位的糖多產(chǎn)生三倍的氫。目前這項技術(shù)仍處在初期階段，僅使用一兩毫升的反應(yīng)器在小規(guī)模內(nèi)得到了驗證。但張教授說，這種方法與現(xiàn)在使用微生物從有機材料中生產(chǎn)氫的過程（包括纖維素乙醇）幾乎一樣快，并且一樣有能效。張教授的下一個目標(biāo)是提高生產(chǎn)規(guī)模，將其從幾毫升提高到一升，并且他希望三年內(nèi)能夠在加油站中應(yīng)用這一過程。如果可能，這一方法將會成為經(jīng)濟實惠的方式，這或許能夠為依靠農(nóng)業(yè)廢棄物的氫氣加氣站鋪平道路。張教授甚至設(shè)想，如果該過程被證實可行的話，未來汽車可以有一個車載反應(yīng)器，將糖轉(zhuǎn)化為燃料。但是，目前該技術(shù)也存在一些問題。首先，其潛在的成本尚不確定，要真正變成大規(guī)模的可用商業(yè)化可行過程還有很長的路要走。其次，這一過程取決于酶，而張教授的技術(shù)中需要的酶的成本相當(dāng)高。并且，目前尚不清楚大規(guī)模時該酶是否足夠穩(wěn)定。但無論如何，該方法為經(jīng)濟實惠的提取氫帶來了希望。

雖然燃料電池汽車和為其加注氫的基礎(chǔ)設(shè)施目前都還處于早期部署階段，但燃料電池汽車卻有可能對交通運輸系統(tǒng)產(chǎn)生革命性的影響。如果氫燃料能夠成為一種可行的低碳能源載體，那么要提高能源安全，實現(xiàn)能源來源的多樣化，同時減少溫室氣體排放，氫動力燃料電池汽車可能是重要的長期的解決方案。要真正將燃料電池技術(shù)從一個實驗室項目轉(zhuǎn)變成一個現(xiàn)實世界的解決方案，以實現(xiàn)車輛的零排放，這不僅是汽車制造商的任務(wù)，也是整個社會的任務(wù)。無疑，未來還有很長的路要走。