張同林　上海社會科學院城市與人口發(fā)展研究所

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日本新型氫燃料電池汽車及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景

張同林上海社會科學院城市與人口發(fā)展研究所

摘要：因氫能具有資源豐富、來源廣泛、燃燒值高、清潔環(huán)保和可循環(huán)利用等一系列優(yōu)點，以氫氣為燃料的電動汽車被認為是最有可能實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、替代傳統(tǒng)汽車的新型交通工具，為此，多國政府和企業(yè)競相實施氫燃料電池汽車研發(fā)和示范計劃。2014年12月，日本豐田汽車公司推向市場的一款新型氫燃料電池汽車，以其嶄新的氫氣直接發(fā)電驅(qū)動技術(shù)原理、續(xù)航距離長、能源使用效率高以及實現(xiàn)有害氣體零排放等格外引人注目。對國內(nèi)外電動汽車和氫燃料電池汽車發(fā)展相關最新資訊、資料進行綜述，對日本新型氫燃料電池汽車發(fā)展情況和產(chǎn)業(yè)前景等進行簡要分析。

關鍵詞：氫動力；電動汽車；產(chǎn)業(yè)前景

1　世界氫燃料電池汽車發(fā)展概述

氫具有很高的能量密度，釋放的能量足以使汽車發(fā)動機運轉(zhuǎn)，且氫與氧氣在燃料電池中發(fā)生化學反應只生成水，沒有污染。氫燃料電池車是一種將車載儲氣罐中儲存的氫氣通過車載燃料電池發(fā)電后驅(qū)動電動機運行的電動汽車。以氫為能源的燃料電池技術(shù)是21世紀汽車產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)，它對汽車工業(yè)的革命性意義，相當于微處理器對于計算機產(chǎn)業(yè)的重要性。

氫燃料電池車本身工作沒有噪聲、沒有振動，其電極僅作為化學反應的場所和導電的通道，本身不參與化學反應，沒有損耗，壽命長。與傳統(tǒng)汽車相比，氫燃料電池車能量轉(zhuǎn)化效率高達60～80%，為內(nèi)燃機的2～3倍。氫燃料電池的燃料是氫和氧，生成物是清潔的水，它本身工作不產(chǎn)生CO和CO2，也沒有硫和微粒排出。因此，氫燃料電池汽車是真正意義上的零排放、零污染的車，氫燃料是完美的汽車能源。

隨著科技的進步，曾經(jīng)困擾氫燃料電池發(fā)展的諸如安全性、氫燃料的貯存技術(shù)等問題已經(jīng)逐步攻克并不斷完善，然而氫燃料電池車要走上商業(yè)化道路，成本問題依然是阻礙氫燃料電池車發(fā)展的最大瓶頸。氫燃料電池的成本是普通汽油機的100倍，這個價格是市場所難以承受的。目前歐美國家以及中國同濟大學制造氫燃料電池車的批量生產(chǎn)單車成本大約是普通汽車成本的10倍。盡管氫燃料電池轎車加一次氫可跑300多km，時速達140～150 km/h。但是氫燃料電池轎車比同類型內(nèi)燃機車重量超過200 kg，市場銷售價格貴5倍以上。即使在國際氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)處于領先地位的日本的本田FCX車的售價也在1 000萬日元（相當于50多萬元人民幣）以上。2014年豐田汽車公司推出的氫燃料電池汽車，解決了氫氣直接發(fā)電驅(qū)動汽車行進的難題，使氫氣的使用成本能比使用汽油更便宜。

2　日本新型FCV氫燃料電池車概況

2014年6月15日日本豐田汽車公司隆重推出一款新型氫（動力）燃料電池汽車（Fuel Cell Vehicle，F(xiàn)CV）。據(jù)報道，該款新型氫燃料電池汽車于2014年12月在日本市場上銷售。截止2015 年3月，該型車已經(jīng)預售出1 200輛，遠遠超出豐田公司預計銷售400輛的市場預期。

2.1性能與價格

該車（豐田FCHV-adv）的車體長度4890mm，寬1 815 mm，高1 535 mm。最大時速可超過160 km/h。氫氣充填壓力大約為700個大氣壓（70 MPa），比本田FCX氫動力車高出一倍。氫氣儲氣罐容積為156 L，比本田FCX氫動力車的171 L略小一些。在正常情況下，充氣時間只需花費3 min，較最好的電動汽車充電時間減少10min以上。該車充一次氫氣即可續(xù)航700 km，最大續(xù)航距離為830 km，比目前國際市場上最先進的本田公司的本田FCX氫動力車續(xù)航距離多210 km。

該車的市場零售價格為7 236 000日元（約合人民幣37萬6 000元），減去日本政府對環(huán)保車減稅和政府的CEV車的補貼2 252 900日元，實際銷售價格為4 983 100日元（約合人民幣25.91萬元，低于中國比亞迪汽車公司BYD Qin牌電動汽車約30萬元/輛的市場售價）。該車各項的技術(shù)性能指標是目前世界同類電動汽車產(chǎn)品中最先進。

2.2動力原理創(chuàng)新及其特點

與豐田之前推出的汽油混合動力電動車和純電動車型不同，F(xiàn)CV氫燃料電池汽車是通過車載氫氣儲氣罐中儲存的氫氣直接與氧氣反應、產(chǎn)生電能、驅(qū)動車輛運行的。該型氫動力燃料電池汽車的動力原理不同于傳統(tǒng)的汽油和氫氣內(nèi)燃機汽車，無需通過內(nèi)燃機內(nèi)的氫氣燃燒產(chǎn)生動力驅(qū)動汽車，而是通過氫氣與氧氣之間的直接電化學反應發(fā)電，產(chǎn)生驅(qū)動汽車運行的電能，動力原理的創(chuàng)新使該型燃料電池車的綜合能源使用效率達到80%以上，較汽油汽車高出近3倍，大大超過普通電動汽車60～80%的能源綜合使用效率，節(jié)能效果十分顯著。

此外，該型車不需要配備笨重的車載外部充電式蓄電池，不僅減輕了車體重量，減少蓄電池資源的消費需求，同時由于氫燃料電池電動車之產(chǎn)生水，不會排出任何汽車廢氣，從而使其成為真正實現(xiàn)CO2零排放的最清潔的車輛。而同樣搭載氫儲氣罐的內(nèi)燃機車輛仍會有少量有害的NOx產(chǎn)生，環(huán)保效果則相對差一些。

2.3主要技術(shù)設備及其功能

（1）燃料電池（圖1）

圖1　燃料電池

圖2　燃料電池將氫氣與氧氣結(jié)合進行發(fā)電原理

燃料電池技術(shù)是氫動力汽車的核心技術(shù)。它在汽車中實際上發(fā)揮著發(fā)電機的功能。這種燃料電池是一種通過利用氫氣與氧氣的發(fā)生電化學反應產(chǎn)生電能的發(fā)電裝置，它通過將車載儲氣罐中的氫氣與電池的負極連接、向燃料電池的負極供給氫氣，同時把空氣送到燃料電池的正極，從而使燃料電池產(chǎn)生電能。

燃料電池就是將那些高分子電解膜上涂有觸媒（亦即催化劑，一般由金屬鉑或者其他具有強烈吸引氫離子能力的金屬作為催化劑）的電極復合體（MEA）用分離器將它們集合到一起的、被稱為 “發(fā)電細胞”的物體組成的。它的單個發(fā)電細胞的電壓大約在1 V以下，將數(shù)百個發(fā)電細胞排列連接起來就會提高電壓，眾多發(fā)電細胞集合到一起就會變成蓄電池。通常，人們就把它稱為“FC”儲存，這就是所謂的燃料電池。

氫燃料電池的能源使用效率高，由于氫氣不經(jīng)過燃燒就會直接變成電能，從理論上講，氫氣擁有能量的83%就會變?yōu)殡娔埽@種能量轉(zhuǎn)換比汽油發(fā)動機的能量使用效率至少高出2倍以上。

（2）用燃料電池將氫氣與氧氣結(jié)合進行發(fā)電的原理（圖2）

將氫氣提供給電池的負極后，電池負極的催化劑將氫氣中活躍的電子釋放，從氫氣中分離出來的電子就會從電池的負極向正極流動，產(chǎn)生電能。氫氣處于釋放狀態(tài)時，從氫氣分離出來的電子就會通過高分子電解質(zhì)膜向正極方向移動，正極的催化劑就會將空氣中的氧氣與氫離子以及電子結(jié)合，從而產(chǎn)生水。

（3）車載電池（圖3）

圖3　車載電池

即用于實現(xiàn)充電和放電功能的電池，汽車減速是從發(fā)動機中收回能量并將其儲藏起來，加速時增強燃料電池的輸出功率?！柏S田FCHV-adv”搭載的是最大功率為21 kW的鎳氫電池。

（4）電動機（圖4）

“豐田FCHV-adv”使用的發(fā)動機是豐田公司自己開發(fā)的同步交流電動機，最大輸出功率為90kW，最大扭矩為260 N·m（26.5kg·m）,汽車減速是作為發(fā)電機發(fā)揮功能，將能量回收儲存。

圖4　電動機

（5）能量控制組件（見圖5）

“豐田FCHV-adv”使用的能量控制組件是由能夠?qū)⑷剂想姵禺a(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)化為驅(qū)動電動機做功用交流電的變壓器以及能夠與二次電池進行輸出入功率轉(zhuǎn)換的DC/DC轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。它能在汽車運行狀態(tài)下，對車載燃料電池功率的輸出以及二次電池的充放電進行精密的控制。

圖5　能量控制組件

（6）高壓氫氣儲氣罐（見圖6）

“豐田FCHV-adv”氫燃料電池汽車使用的車載高壓氫氣儲氣罐是豐田公司開發(fā)的用合成樹脂和碳纖維等材料制作的70 Mpa高壓儲氣罐（中國目前使用的是35 Mpa儲氣鋁內(nèi)膽碳纖維復合氣瓶）。儲氣罐儲存的性能世界領先；內(nèi)容積：122.4 L（前面容量60 L，后部62.4 L；儲氣罐重量5 kg）。

圖6　高壓氫氣儲氣罐

該型氫氣儲氣罐的內(nèi)膽采用的是能有效防止氫氣泄漏、具有高強度防止氫氣穿透功能的PA類合成樹脂（世界排名第三的合成樹脂生產(chǎn)廠商-宇部興業(yè)公司生產(chǎn)的“UBENYLON 1212IU”碳纖維尼龍合成樹脂以及尼龍6樹脂），中層使用的是碳纖維強化復合材料；外層使用的是經(jīng)過優(yōu)化設計和制造技術(shù)改良的玻璃纖維強化復合材料，并在抗擠壓、抗扭曲、抗穿透和抗膨脹等方面對儲氣罐的外層進行了最優(yōu)化超薄型設計。在提高儲氣罐內(nèi)容積同時，實現(xiàn)了儲氣罐的氫量化，進而通過提高儲氣罐的氫氣充填能力，擴大了汽車的續(xù)航距離。能承受行馳速度達到80 km/h汽車的強力沖撞。

2.4氫氣制造方法和使用成本

（1）利用天然氣分解法制造氫氣

出于降低氫氣生產(chǎn)成本、減少電能消耗以及氫氣的生產(chǎn)和儲存安全便利等多方面考慮，豐田汽車公司以日本城鄉(xiāng)普遍使用的都市家用天然氣作為氫氣的生產(chǎn)原料制造氫氣。其方法是：用催化劑將大型儲氣罐中的天然氣分別分解為氫氣、氧氣和CO2等氣體后，分別將不同的氣體裝入不同儲氣罐內(nèi)儲藏起來。氫氣可為氫燃料電池汽車提供燃料；氧氣可用于多種生產(chǎn)和生活等方面的用途；CO2氣體可制成干冰保存，可用于多種用途。這種制作方法簡單易行，生產(chǎn)成本較電解法生產(chǎn)氫氣成本較低、環(huán)保節(jié)能。

（2）氫氣和汽油的使用成本比較

根據(jù)日本燃料生產(chǎn)廠商巖谷產(chǎn)業(yè)株式會社2014年11月發(fā)表的氫氣充氣站的氫氣銷售價格，目前日本市場上氫氣售價為1 100日元/kg。

根據(jù)日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省公布的資料顯示，日本的氫氣售價為110～150日元/Nm3，氫燃料電池汽車每公里消耗氫氣的成本約為10～14日元（約為0.5～0.7元人民幣）；汽油的市場售價為140～170日元/L，汽車行馳每公里的成本為14～17日元（約為0.7～0.9元人民幣）。由此可見，氫燃料電池汽車的每公里運行成本大約為汽車的運行成本的72%，顯然比汽車要低。

3　豐田氫燃料電池車的產(chǎn)業(yè)前景

3.1氫燃料電池汽車市場潛力喜人

從目前豐田汽車公司推向市場的“未來”牌FCV氫燃料電池汽車的各種技術(shù)經(jīng)濟效果看，其不僅具有逐步代替燃油汽車的廣闊產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景和市場潛力，而且正在向產(chǎn)業(yè)化和市場化方向推進。

（1）完全實現(xiàn)有害氣體零排放，受到市場歡迎和消費者青睞。

截止2015年3月該型車已經(jīng)預售出1 200輛，遠遠超出豐田公司預計銷售400輛的市場預期，但由于生產(chǎn)技術(shù)和生產(chǎn)能力等方面限制，豐田公司不能及時滿足市場需求，消費者需要等一年左右才能領到車。

（2）續(xù)航能力被市場認同。

該車一次充氣的續(xù)航能力800 km，已達到世界汽車續(xù)航能力領先的技術(shù)水準；充氣時間僅為3 min，遠遠小于世界上最好電動車充電所需要的15min時間。

（3）實際售價正在被消費者接受。

該車市場零售價格雖然偏高，但是在減去日本政府對補貼2 252 900日元的實際銷售價格為4983 100日元（約合人民幣25萬9 100元），其售價易被市場和消費者所接受。

（4）具有使用成本優(yōu)勢。

燃料電池車每公里運行成本僅約為內(nèi)燃機燃油汽車的70%，具備實現(xiàn)汽車使用氫氣替代燃油的成本優(yōu)勢，不僅節(jié)能降耗效果明顯，而且從經(jīng)濟上易被消費者接受。

3.2實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化需解決的技術(shù)經(jīng)濟問題

氫燃料電池車發(fā)展取得喜人成果，但要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化需解決以下幾方面的技術(shù)經(jīng)濟問題。

（1）燃料電池壽命較短

多份技術(shù)資料顯示，目前FCV氫燃料電池汽車的核心技術(shù)設備燃料電池的使用壽命約為5 a，使用壽命較短，造價較貴，燃料電池替換成本較高，技術(shù)和安全上的擔心以及使用成本等方面的顧慮，易讓消費者望而卻步。

造成燃料電池壽命較短和成本較高的原因主要是：1）目前氫燃料電池汽車使用的燃料電池是在低溫條件下發(fā)揮功能的固體高分子形態(tài)的燃料電池（PEFC），汽車頻繁進行啟動、停止轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的熱膨冷縮易造成電池損壞；2）通過電解質(zhì)進行氫離子交換的合成樹脂容易老化和劣質(zhì)化也導致燃料電池性能逐漸降低，從而影響燃料電池壽命。

（2）生產(chǎn)成本和量產(chǎn)能力受鉑供給價格制約

用于固體高分子形態(tài)的燃料電池進行低溫反應的觸媒（催化劑）是稀有金屬鉑，它主要被用作排放和凈化氫氣的催化劑使用。目前，全世界金屬鉑年產(chǎn)量只有約250 t，鉑的稀缺性及其高昂售價嚴重制約著燃料電池的生產(chǎn)，受其制約，目前世界上多數(shù)汽車生產(chǎn)廠商的氫燃料電池汽車售價都超過1 000萬日元。主要技術(shù)原因是鉑作為催化劑的功能無法被其他金屬替代，尋找能夠代替鉑發(fā)揮相同作用的其他金屬材料是目前汽車科技攻關的世界性難題，也是降低氫燃料電池汽車生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)量，推進氫動力汽車真正實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的根本出路。

（3）充氣基礎設施建設滯后

氫氣充氣站較少、充氣不便、難以滿足氫燃料電池汽車使用者日益增長的補充燃料需求問題，是困擾消費者的市場購買行為的主要原因。為加速推廣和應用氫燃料電池汽車，必須加速充氣基礎設施建設滿足市場發(fā)展需求。然而，要在原有汽車加油站的基礎上大規(guī)模興建氫氣充氣配套相關設施，需要投入大量的基礎設施建設資金。據(jù)日本有關部門計算，新建一個氫氣充氣站大約需要3～5億日元（約合人民幣1 600～2 600萬元）投資。如果在日本進行大規(guī)模的氫氣充氣基礎設施建設，日本政府和相關企業(yè)都難以拿出數(shù)十萬億日元的投資資金，因此目前日本正在東京周圍以及幾個重要的大城市嘗試進行數(shù)十個充氣站的改擴建活動。充氣站建設的滯后嚴重影響氫燃料電池汽車的推廣應用，使其產(chǎn)業(yè)化和市場化發(fā)展舉步維艱。

（4）售價依然偏高、推廣普及難度較大

盡管豐田汽車公司通過率先采用合金材料替代稀有金屬鉑作為燃料電池催化劑而大幅度降低了新型氫燃料電池汽車的生產(chǎn)成本，但是該車的市場銷售價格依然達到723.6萬日元。這個價格相當于日本高檔皇冠（Royal）牌燃油汽車售價363萬日元的兩倍，相當于日本普通工薪階層職員兩年的實際純收入。過高的售價讓普通的工薪階層望而生畏，盡管日本政府通過加大補貼力度，將該車的售價降到498.3萬日元，該車的市場銷售有所起色，但是目前該車的市場銷售情況與真正實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化要求相比仍然有很大的距離，還有很長的路要走。

參考文獻

[1]日本豐田汽車公司網(wǎng)頁登載的氫燃料汽車相關資料。http://www. toyota.co.jp/jpn/tech/environment/technology_file/fuel_cell_hybrid.html

[2]“水素エネルギーの期待と課題”、http://www.itmedia.co.jp/ articles/1408/07/news019.html.

[3]“江大與新能源車企聯(lián)手攻克電動車產(chǎn)業(yè)國際難題”，《江南晚報》2015年4月21日。

[4]“亞洲兩大汽車重鎮(zhèn)——中國和日本，在爭奪電動汽車能源供應方式主導權(quán)——電池還是氫燃料電池。”，《鳳凰網(wǎng)》2015年10月29日。http://tech.ifeng.com/wys/special/zghrbzqclyzkzdz/。

[5]Joao Vitor Fernandes Serra著、朱磊譯《電動汽車技術(shù)、政策與市場》，機械工業(yè)出版社，2013年5月。

節(jié)能信息與動態(tài)

New Type Hydrogen Fuel Cell Vehicles in Japan and Its Industry Development Prospects

Zhang Tonglin
Shanghai Academy of Social Science City and Population Development Institute

Abstract:Hydrogen has some advantages, such as: rich resources, extensive supplies, high calorific value and recyclable use so that hydrogen fuel cell automobiles is considered to be new type transportation vehicle to achieve industrialization instead of traditional vehicles. Many countries and enterprises compete to implement hydrogen fuel cell vehicles research and demonstration programs. in Dec, 2014, Japanese toyota company introduces one new type hydrogen fuel cell vehicle, whose brand new and impressive advantages include direct hydrogen driven technology, long distance endurable power, high energy efficientybook=87,ebook=33and zero harmful emission. The article describes lastest relevant information and materials domestic and overseas electric vehicle and fuel cell vehicles and briefly analyzes development situation and industry prospect of japanese new type hydrogen fuel cell vehicles.

Key words:Hydrogen Power, Electric Vehicles, Industry Prospect

[作者簡介]

DOI:10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.02.007

張同林：（1961-），男，日本筑波大學博士，現(xiàn)任上海社會科學院城市與人口發(fā)展研究所區(qū)域發(fā)展研究室主任、副研究員。