一文解讀燃料電池的優(yōu)勢及發(fā)展

在國際上，燃料電池在或早或晚的時(shí)候，幾乎被那些主流汽車品牌都研究了一個(gè)遍，但是最后生下來把燃料電池車量產(chǎn)并“圈地”試用的，眼下只有豐田和本田這兩個(gè)日本汽車品牌。

燃料電池離我們有多遠(yuǎn)？可能情況并不像我們想的那么樂觀

一周前，車云菌參加了一個(gè)關(guān)于燃料電池的論壇，在聽了業(yè)內(nèi)專家對燃料電池這個(gè)行業(yè)的分析并觀摩了行業(yè)成果后，左右權(quán)衡了一個(gè)星期，寫了下面這些文字。

燃料電池能解決現(xiàn)階段“新能源”的痛點(diǎn)嗎？

如果說現(xiàn)在的電動車能像汽油車一樣，在幾分鐘之內(nèi)就能充滿電的話，那可能滿大街跑的電動車就會讓我們目接不暇了。但事實(shí)上，正是因?yàn)殡妱榆嚦潆娝俣嚷?、續(xù)航里程較短且市區(qū)內(nèi)的充電樁并不那么方便使用的原因，我們現(xiàn)在才要在電動車之外，繼續(xù)提出一個(gè)燃料電池車的技術(shù)路線。

豐田燃料電池車Mirai的構(gòu)造圖豐田燃料電池車Mirai的構(gòu)造圖

在國際上，燃料電池（本文以后提及的所有燃料電池，均默認(rèn)為氫燃料電池）在或早或晚的時(shí)候，幾乎被那些主流汽車品牌都研究了一個(gè)遍，但是最后生下來把燃料電池車量產(chǎn)并“圈地”試用的，眼下只有豐田和本田這兩個(gè)日本汽車品牌。

相比于傳統(tǒng)的燃油車（關(guān)于燃料電池的工作原理在網(wǎng)上資料很多，車云菌這里就不贅述了），燃料電池車最大的優(yōu)勢就是清潔、安靜和高效率（一般燃料電池系統(tǒng)的效率可達(dá)40%-60%），其使用氫氣（H2）作為燃料，通過化學(xué)反應(yīng)生成電來驅(qū)動車輛，而最終生成物只有純水（只要排水管道足夠干凈，這些水都可以直接飲用）。

相比于純電池車，燃料電池車也可以像傳統(tǒng)燃油車一樣，在加氣站迅速加滿氫氣燃料而不需要慢慢地等電池充滿；同時(shí)，只要?dú)夤薜娜莘e足夠大，耐壓標(biāo)準(zhǔn)足夠高，燃料電池儲滿高壓氫氣一口氣跑500公里以上都不是問題；此外，相比于電池車在達(dá)到使用年限后，在眼下還沒有找到出路的電池回收問題，燃料電池技術(shù)卻可以保證整個(gè)系統(tǒng)的回收再利用。

不過、既然燃料電池有這么多的好處，那為什么沒有大行其道呢？這其中一定有緣由！

1、現(xiàn)階段燃料電池系統(tǒng)技術(shù)復(fù)雜，體積較大

在燃料電池中，質(zhì)子交換膜和基板是燃料電池的兩個(gè)核心組成部分（這兩個(gè)零部件直接決定了燃料電池的壽命），由于燃料氫氣需要依靠這兩個(gè)部分來發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生產(chǎn)出驅(qū)動電機(jī)的“電子”，這就意味著燃料電池從開始工作到順利生產(chǎn)出“電”來，中間存在一個(gè)時(shí)間遲滯（目前國產(chǎn)的燃料電池，可以把這個(gè)滯后控制在10秒左右），考慮到車輛不可能在踩下油門踏板10秒鐘之后才起步，所以燃料電池車必須像電動車一樣，搭載一塊相對小一點(diǎn)兒的儲能電池。

質(zhì)子交換膜質(zhì)子交換膜

碳基復(fù)合板碳基復(fù)合板

這就意味著，凡是電動車上必須的設(shè)備（包括給電池系統(tǒng)降溫的散熱器），燃料電池車上也都必須有，這就決定了燃料電池車的技術(shù)相對更加復(fù)雜。而且，由于燃料電池的燃料氣罐不能像電池車的電池組那樣容易控制形狀，因此燃料電池車必須給高壓氣罐設(shè)計(jì)一個(gè)適合儲存的安全位置（通常做法是設(shè)計(jì)在后排乘客的屁股底下）。

2、燃料電池的制造成本在逐步降低，但依然很高

由于燃料電池對貴重金屬（鉑金）的需求較高，且國內(nèi)能生產(chǎn)燃料電池兩個(gè)核心組成部分的企業(yè)很少（國內(nèi)只有山東東岳實(shí)現(xiàn)了質(zhì)子交換膜的關(guān)鍵技術(shù)突破，國際上有3M和杜邦等公司可以生產(chǎn)高標(biāo)準(zhǔn)的膜產(chǎn)品），所以從國際和國內(nèi)兩個(gè)角度來講，現(xiàn)階段燃料電池的制造成本降不下來，直接導(dǎo)致燃料電池的發(fā)電成本也居高不下。

氫璞的燃料電池電堆氫璞的燃料電池電堆

2006年，奔馳在北京投放的燃料電池大巴，單車造價(jià)超過1000萬人民幣，而眼下國內(nèi)一輛商用燃料電池車的電池系統(tǒng)價(jià)格達(dá)到了80-90萬人民幣，折算下來，預(yù)計(jì)國內(nèi)燃料電池行業(yè)每千瓦的成本也在1000-2000美金左右，相比較豐田公司的燃料電池成本在100-200美金/千瓦的水平，國內(nèi)燃料電池的技術(shù)水準(zhǔn)和制造工藝依然有很大的提升空間。

3、眼下國內(nèi)缺少適宜乘用車使用的燃料電池技術(shù)

對燃料電池來說，根據(jù)基板材質(zhì)的不同，可以分為幾個(gè)不同的種類。

碳基復(fù)合板——以碳為主要材質(zhì)做成的基板，此類基板組成的燃料電池（下圖）有穩(wěn)定、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好的特點(diǎn)，但由于碳基板相對較厚（為保證強(qiáng)度），所以相應(yīng)的燃料電池組尺寸也同步增大，這就導(dǎo)致了能量密度的降低，使這類基板組成的燃料電池系統(tǒng)，只能用于一些對體積要求不高的商用車（客車或貨車）。

金屬復(fù)合板——以金屬材質(zhì)構(gòu)構(gòu)成的基板，具有強(qiáng)度高，單片薄和低溫啟動速度快的特點(diǎn)，這就允許燃料電池組（下圖）更易實(shí)現(xiàn)輕量化，更高的能量密度（比碳基板提高至少50%）和反應(yīng)速度。但是由于金屬復(fù)合板在燃料電池的工作環(huán)境中不耐腐蝕，壽命短，發(fā)熱穩(wěn)定性不好，工作時(shí)表面電阻大，所以以金屬復(fù)合板構(gòu)成的燃料電池系統(tǒng)對技術(shù)的要求更高。

鈦板——用金屬鈦制成的燃料電池基板，融合了以上碳復(fù)合基板和金屬復(fù)合板燃料電池的諸多優(yōu)點(diǎn)，但唯獨(dú)在成本這一方面上做不到喜大普奔，所以用鈦板打造的燃料電池系統(tǒng)，只能用在不差錢的行業(yè)上，比如驅(qū)動一架造價(jià)不菲的無人機(jī)（絕非大疆之流）。

眼下，豐田和本田給自己燃料電池車使用的燃料電池組均屬于金屬復(fù)合板，而國內(nèi)此類燃料電池系統(tǒng)的生產(chǎn)工藝、成本控制和性能方面，與這兩個(gè)日系品牌的產(chǎn)品還存在不小的差距，所以目前國內(nèi)相對較為成熟的燃料電池系統(tǒng)（碳基復(fù)合板為主），都只能應(yīng)用在一些大型商用車上，而少有給乘用車使用的燃料電池組。不過車云菌在此次燃料電池會議上得知，國內(nèi)像氫鏷這樣在燃料電池領(lǐng)域居于技術(shù)前沿的公司，有望在未來幾年生產(chǎn)出具有競爭力的金屬復(fù)合板燃料電池。

4、氫氣的制取和運(yùn)輸都是難題

任何一種能源能被社會廣泛接受，從人性的層面來說，都是“產(chǎn)業(yè)鏈成本”的勝利，化石燃料能大行其道，是其在勘探、開采、提煉、運(yùn)輸、消費(fèi)和使用層面的綜合成本達(dá)到了“業(yè)內(nèi)最低”，因此，想討論燃料電池的可行性，就必須系統(tǒng)性的討論它的系統(tǒng)成本。

雖然燃料電池在使用層面的環(huán)保成本很低，但燃料氫氣的制取卻是橫亙在我們眼前的一座大山。雖然我們可以通過煤制氫、化工制氫、水電和風(fēng)電制氫這些“邊際辦法”來獲得一部分氫氣，可一旦燃料電池系統(tǒng)（車）在社會中的使用量達(dá)到一定量級，大工業(yè)化制氫是唯一的解決辦法。可一旦我們?yōu)榱藲錃舛茪?，那么相比于化石燃料來說，燃料電池產(chǎn)業(yè)的系統(tǒng)成本是不是還具有優(yōu)勢，我們就不得而知了。

目前大型客車使用的35兆帕儲氫罐目前大型客車使用的35兆帕儲氫罐

此外，氫氣的運(yùn)輸和保存，是個(gè)必須要認(rèn)真研究的問題。就一輛氫燃料電池車來說，眼下我國對氫氣罐制定的國標(biāo)是35兆帕標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)壓力標(biāo)準(zhǔn)對燃料電池組來說并不能幫助后者獲得具有競爭力的續(xù)航能力（能量密度），但是更進(jìn)一步的70兆帕國標(biāo)，目前還是空白。

此外，氫氣是一種非常特別的氣體，第一是因?yàn)樗囊兹夹裕涸诳諝庵?，只要?dú)錃獾捏w積濃度介于4.1%～74.2%之間，這時(shí)就可能會發(fā)生爆炸，所以氫氣在運(yùn)輸和加注過程中，對泄漏的控制肯定要比汽油嚴(yán)格得多，這就意味著加氫站不能像充電樁那樣建好就不用管了，而必須有專人照看和維護(hù)。

其次，氫氣（H2）是一種分子體積非常小的氣體，這就允許它具有極強(qiáng)的滲透性。常溫下氫氣可透過橡皮和乳膠管緩慢泄露，在高溫下可透過鈀、鎳、鋼等金屬薄膜泄露出去，所以相比較于加油站的加油機(jī)和儲油罐來說，想把燃油換成氫氣（還不是液態(tài)氫氣），需要的改動不是一星半點(diǎn)的工作。

國內(nèi)燃料電池車的未來在哪里？

說句不大客氣的話，如果沒有政策補(bǔ)貼存在的話，國內(nèi)的燃料電池研究和電動車研發(fā)，可能都要晚很多年才會出現(xiàn)。

根據(jù)眼下政策補(bǔ)貼策略和國內(nèi)燃料電池技術(shù)的特點(diǎn)，若干年內(nèi)國內(nèi)推進(jìn)燃料電池商用車的示范應(yīng)用還是可行的，因?yàn)橐粊磉@樣燃料電池汽車的生態(tài)閉環(huán)可以限定在一個(gè)很小的范圍內(nèi)“試運(yùn)行”，政策補(bǔ)貼在這個(gè)小圈子內(nèi)也可以發(fā)揮最大的效果，且預(yù)料之外的特殊情況比較少。

從長久來看，燃料電池乘用車產(chǎn)業(yè)，將會遇到比電動車更為直接的“先有雞還是先有蛋”的問題——燃料電池車的加氫設(shè)備相比于汽油車的加油設(shè)備和電動車的充電樁來說，對操作人員技術(shù)水平和設(shè)備工藝的要求都高，因此加氫站的運(yùn)營商更樂意看到燃料電池車達(dá)到一定數(shù)量之后才肯投入，而對于燃料電池車的消費(fèi)者來說，肯定是周圍生活區(qū)域內(nèi)存在可以使用的加氫站之后，才會考慮買燃料電池車。

因此，想解決這個(gè)“先有站還是先有車”的兩難問題，在未來行政手段和產(chǎn)業(yè)鏈的市場運(yùn)作是必不可少的兩把推手；當(dāng)然，貫穿其中的，必須是越來越低的燃料電池全產(chǎn)業(yè)鏈成本（包含制氫和使用成本）。只有不斷降低的綜合成本，才有可能讓這個(gè)產(chǎn)業(yè)在傳統(tǒng)化石燃料和純電動技術(shù)中間，穩(wěn)固住自己的陣地。