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(huì)經(jīng)濟(jì)的向好發(fā)展，人們生活水平持續(xù)提高，汽車的保有量在逐年上漲，私家車幾乎成為每個(gè)家庭的“標(biāo)配”，與此同時(shí)，汽車尾氣造成的負(fù)面影響也愈發(fā)明顯，城市空氣質(zhì)量差，溫室效應(yīng)、臭氧層破壞和酸雨等大氣環(huán)境問題日益嚴(yán)重，環(huán)境污染問題已經(jīng)成為人們的重點(diǎn)關(guān)注對象。雖然汽車尾氣會(huì)對環(huán)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(guī)的汽油或柴油內(nèi)燃機(jī)，改用氫做為動(dòng)力源，燃料電池和電動(dòng)機(jī)取代一般的引擎，通過液態(tài)氫氣與空氣中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，為汽車提供動(dòng)能，氫氣的燃燒產(chǎn)物是水，氫燃料電池汽車從真正意義上實(shí)現(xiàn)了零污染。為進(jìn)一步推動(dòng)這種新能源汽車的發(fā)展，世界各國陸續(xù)頒布了扶持政策，加大研究力度，目前該技術(shù)尚未成熟，氫燃料電池汽車商業(yè)化和量化生產(chǎn)仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

一、國內(nèi)外氫燃料電池汽車的發(fā)展現(xiàn)狀

氫燃料電池汽車這個(gè)重要發(fā)現(xiàn)有望成為新型清潔能源汽車的首選，它真正實(shí)現(xiàn)了零排放、無污染，而且能源可再生，汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展指日可待。就目前形勢而言，國外發(fā)達(dá)國家的對其研究已經(jīng)進(jìn)入技術(shù)與市場的示范階段，然而我國起步相對較晚，正處于技術(shù)創(chuàng)新瓶頸期，產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)薄弱，再加上國內(nèi)專業(yè)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(fā)展緩慢。

(1)國外氫燃料電池汽車的發(fā)展現(xiàn)狀

國外發(fā)達(dá)國家對清潔能源汽車相關(guān)產(chǎn)業(yè)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(fā)技術(shù)和使用情況居于視界首位，已基本實(shí)現(xiàn)將傳統(tǒng)汽車改造為氫燃料電池汽車的生產(chǎn)模式，并在汽車安全性研究中取得重大突破，陸續(xù)推出了幾款先進(jìn)可靠的氫燃料電池汽車。豐田汽車公司研發(fā)的Mirai、日產(chǎn)的 Xtrial、奔馳的F-Cell、通用的Equinax以及現(xiàn)代的LX35作為典型代表，我們對其各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行分析如下。

表1 主流氫燃料電池汽車的性能指標(biāo)

表格顯示，綜合性能較好的一款車是豐田汽車公司研發(fā)的Mirai，特別是燃料電池鉑用量方面，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(guān)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(nèi)氫燃料電池汽車的發(fā)展現(xiàn)狀

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

豐田汽車公司研發(fā)的Mirai雖處于世界領(lǐng)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(shí)間內(nèi)還是難以被人們所接受，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展還需要一段時(shí)間。

二、氫燃料電池汽車發(fā)展的制約因素

國外對氫燃料電池汽車的研究技術(shù)雖然已相對成熟，但消費(fèi)者認(rèn)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(chǔ)存及補(bǔ)給難度較高，目前市面上加氫站建設(shè)不完善?？偠灾雽?shí)現(xiàn)氫燃料電池汽車商業(yè)化發(fā)展還需持續(xù)不斷創(chuàng)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(shù)，相當(dāng)于同規(guī)格的純電動(dòng)車蓄電池成本的兩倍，不僅制造技術(shù)難度大，而且電池中鉑催化劑、電解質(zhì)膜和雙極板的成本也相對較高。目前的技術(shù)研究都使用價(jià)格較高的鉑作為催化劑，能夠平價(jià)替代的金屬還未試驗(yàn)成功，這就是影響氫燃料電池發(fā)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(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，最后產(chǎn)生水，所以要求氫燃料中的電解質(zhì)膜必須具備氧化還原的穩(wěn)定性，這種高質(zhì)量的電解質(zhì)膜的價(jià)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(jìn)行，并要達(dá)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(zhì)膜和雙極板的成本高，幾乎占到整臺(tái)車成本的80%左右。

(2)加氫站太少，氫氣補(bǔ)給困難

想要普及氫燃料電池汽車，加氫站的建設(shè)必不可少。就我國目前的研發(fā)技術(shù)水平而言，建設(shè)一座加氫站需投入200～250萬美元，相比日本和美國這些發(fā)達(dá)國家，我國在加氫站的建設(shè)上具備一定的優(yōu)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(shù)量也日益增多如，下圖所示，在2019年年底，全球的加氫站數(shù)量已經(jīng)達(dá)到了369座，歐洲國家建設(shè)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(dāng)時(shí)的我國已建成26座加氫站，并陸續(xù)投入使用。就目前加氫站的整體數(shù)量而言，如若想要普及氫燃料電池汽車還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

圖1 2015-2019年全球加氫站數(shù)量(單位：座)

(3)氫氣制取困難、儲(chǔ)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(guī)模利用這種清潔能源,就必須要研究開發(fā)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(gè)過程需要耗費(fèi)大量的電能。為確保氫燃料電池汽車的電池可以穩(wěn)定持續(xù)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(fù)雜,成本更高。另外,氫氣的儲(chǔ)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(xù)航里程,又要使氫氣罐在達(dá)到壓力標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)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(chǎn)量增速逐年減緩。從氫氣的制取到儲(chǔ)存整個(gè)過程中技術(shù)要求高,耗費(fèi)能量多,如果無法解決這些難題,氫燃料電池汽車的實(shí)用性著實(shí)不強(qiáng)。

(4)消費(fèi)者對燃料電池汽車的安全性存在質(zhì)疑

暫且不說氫燃料電池汽車的成本居高不下,消費(fèi)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(fā)生劇烈碰撞時(shí),燃料汽車很難保證不會(huì)自然甚至爆炸的情況。就目前而言,汽車企業(yè)盡可能將燃料電池和儲(chǔ)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(shè)計(jì)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(shù),況且在車輛正式開售之前,豐田公司就對該型號車輛進(jìn)行了一系列安全測試,但是僅通過理論數(shù)據(jù)的支撐,還不足以說服消費(fèi)者,氫燃料電池汽車的認(rèn)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(shí)現(xiàn)量產(chǎn)化、商業(yè)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(fā)展

近幾年環(huán)境遭到嚴(yán)重污染,再加上石油能源枯竭,世界各國紛紛開始推動(dòng)氫燃料電池這種零污染的清潔能源汽車發(fā)展,我國陸續(xù)出臺(tái)多個(gè)扶持政策,將氫燃料電池作為新能源汽車重要的研發(fā)路線,雖起步較晚,但近兩年國家能源投資集團(tuán)和國家電網(wǎng)等多家實(shí)力雄厚的央企積極參與研究,達(dá)成創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟,預(yù)計(jì)在2050年將氫能的使用量提高到能源體系的10%,并將實(shí)施全面布局,構(gòu)建加氫站網(wǎng)絡(luò),普及氫燃料電池汽車的,完成商業(yè)化生產(chǎn),提高車輛年產(chǎn)量。新事物的出現(xiàn)在最開始時(shí)候總是要接受一系列的質(zhì)疑,早期燃油車剛剛問世時(shí)也因技術(shù)不成熟、安全系數(shù)低、燃油存放有隱等問題被消費(fèi)者排斥,但隨著科學(xué)技術(shù)水平不斷提高,研發(fā)的深度和廣度不斷拓展,燃油機(jī)從最初的排斥到后期消費(fèi)者追捧,新事物總是在質(zhì)疑聲中趨于完善,氫燃料電池汽車也不例外,再加上當(dāng)今時(shí)代科技迅速發(fā)展作為基礎(chǔ)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(huì)比燃油車來得更快，在不久的將來一定會(huì)受到廣大消費(fèi)者的青睞,甚至?xí)〈加推嚒?/p>

結(jié)語

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