纯电动汽车与氢燃料电池汽车发展现状及前景

孙田田　王林　郭巧巧　王鑫国

【摘 要】纯电动汽车与氢燃料电池汽车是被市场看好的未来重要的新能源汽车。本文阐述了纯电动汽车与氢燃料电池汽车的技术现状及各自发展所面临的问题，并对其发展前景进行了探讨。如果电池容量及快充技术在高效清洁制氢技术之前获得突破，那么电动汽车将成为未来主流新能源汽车，否则氢燃料电池汽车将超越电动汽车成为未来主流新能源汽车。

【关键词】纯电动汽车；氢燃料电池汽车；发展现状；前景

【Abstract】Pure electric vehicles and hydrogen fuel cell vehicles are favored by the market as important new energy vehicles in the future. This paper expounds the pure electric vehicles and hydrogen fuel cell vehicles present situation and problems of the development of technology， and its development prospect are discussed in this paper. If the battery capacity and fast filling technology obtain breakthrough before efficient clean hydrogen production technology， electric vehicles will become mainstream in the future of new energy vehicles， otherwise hydrogen fuel cell vehicles will surpass electric vehicles and become the mainstream of new energy vehicles in the future.

【Key words】Pure electric vehicles； Hydrogen Fuel Cell Vehicles； Developing status； Prospect

人们对汽车的需求不断增加带动了汽车工业的高速发展，并促进了全球经济的发展。同时，汽车产量和保有量的持续上升也引起了广泛的能源问题和环境问题。新能源汽车具有无污染、低噪声、能量利用率高的特点，是解决未来能源问题及城市化过程中的汽车问题的重要途径[1]。

目前，基于全球新能源汽车基础设施建设的不完善，各种混合动力汽车只是过渡产品。而纯电动汽车与氢燃料电池汽车是被市场看好的未来重要的真正的新能源汽车。这两种新能源汽车均使用非常规车用燃料作为动力来源，采用新型车载动力装置，综合了车辆的动力控制以及驱动方面的先进技术。纯电动汽车是以车载电池为动力，用电机驱动车轮行驶。由于其对环境影响相对于传统汽车较小，其前景被广泛看好，是当前新能源汽车的主体。而氢燃料电池汽车使用聚合物交换膜燃料电池。在这一系统中，氢气高压下通过铂催化剂，分解成两个氢离子和两个电子。这些电子形成强大的电力会驱动汽车的电动机运转，而氢离子会和氧气结合成水，以水的形式排出[2]。从最终的驱动上来看，纯电动汽车和氢燃料电池汽车均使用了电能驱动的电动机。但是，两者的使用性能有着很大的差别，各自的优缺点也很明显。因此，本文从多个角度对纯电动汽车与氢燃料电池汽车的发展现状及前景进行了探讨。

1 纯电动汽车与氢燃料电池汽车的技术现状

1.1 纯电动汽车的发展历程及技术现状

纯电动汽车比燃油汽车出现的更早。早在1873年，英国人就制造了世界上最早的可供实用的电动汽车，这比德国人发明汽油汽车早了10年以上。由于燃油汽车技术的迅速发展，而电动车在能源技术和行驶里程的研发上一直未能取得有效突破，从20世纪20年代至60年代末，电动车的发展进入了停滞期。进入70年代，石油危机的爆发以及人类对生存环境的日益关注，电动车才再度成为技术发展的热点[1]。近十年来，能源和环境对各国的压力越来越大，特别是新兴发展中国家的城市汽车尾气污染问题越来越严重。因此，世界各国政府和全球汽车工业行业正在加大对电动汽车开发的投资力度，加快电动汽车的商品化步伐。

对于电动汽车，电池是汽车的心脏，而电池质量和容量是电动汽车能否普及的核心技术问题。因此，车载电池技术的进步大小决定了电动汽车的发展水平。目前汽车厂商和电池厂商在不断地提升电动汽车的电池质量和电容量。最具竞争力的电动汽车生产厂商特斯拉（TESLA），其生产的电动汽车的电池采用了松下生产的NCA系列钴酸锂电池，单颗电池容量为3100毫安时。TESLA采用了电池组的策略，85kWh的特斯拉MODEL S的电池组一共使用了8142个钴酸锂锂电池，行驶里程可超过450公里，但其重量高达900Kg，接近车身重量的一半。钴酸锂电池优点突出，如结构稳定、容量比高、综合性能好，但是其安全性稍差而且成本非常高。该电池组成本约为250美元/千瓦时，能够提供233瓦·时/千克的能量密度。

我国作为世界上最大的汽车生产和消费大国，年生产和消费各类汽车超过两千万辆。最近几年，在国家政策的支持下，电动汽车发展迅猛。在电动汽车领域，以比亚迪的电动汽车技术最有代表性，其销量在2015年前十月已超过4万台，同比增长222%。在2015年5月至9月，比亚迪新能源汽车连续五个月全球销量第一，超越三菱、日产以及特斯拉等国外品牌，市场份额达到11%。比亚迪电动汽车采用自主研发的磷酸铁锂电池，它的放电效率高，通常充放电效率可达到90%以上。如比亚迪E6，续航里程可达300公里。而比亚迪采用磷酸铁锂电池的根本原因在于它的安全性高于其它常用的车载电池，理论寿命也较长，可以达到7年以上，实际使用寿命大约为5年左右。目前比亚迪最新研究的磷酸铁锰锂电池突破了传统的磷酸铁锂电池的能量密度限制，成本控制上比普通的磷酸铁锂更加优秀，而且已经应用在了新款比亚迪E6电动车上，续航能力得到了大幅度的提升，达到400公里。

除了电池的续航里程这个技术指标外，电池的充放电时间也是电动汽车行业最为关注的一个指标之一。通常汽油车加满一箱汽车只需数分钟，而电动汽车充电则需要数小时，甚至十几个小时，效率相对较低，这是目前正在攻克的一个难关。但已经有最新的成果出现，即石墨烯电池，它可以在十几分钟至一个小时内将电池的电量充至80%以上，效率大大提高。

由于电动汽车的动力控制、驱动和汽车互联网等方面的先进技术已经相对比较成熟，因此，随着电池技术的进步以及成本的降低，纯电动汽车将逐步进入每个人的生活。

1.2 氢燃料电池汽车的发展历程及技术现状

1968年，通用汽车公司生产出了世界第一辆可使用的氢燃料电池汽车，该燃料电池汽车以厢式货车为基础制造，装载了最大功率为150kW的燃料电池组，续航里程为200km。但由于该车的结构复杂，自身部件体积过大，以及当时环境和能源问题并不突出，因此停止了后续的开发工作。而到了20世纪90年代，作为解决环境污染和能源供需问题的重要途径之一的燃料电池电动汽车技术受到了空前重视，主要汽车厂商和生产国几乎都投入了大量的人力和物力研发燃料电池电动汽车[3]。

目前，在氢燃料电池汽车领域，日本走在了世界前列。最近，丰田推出了售价5.75万美元的Mirai燃料电池汽车FCV，而氢动力先驱本田也将近期推出了一款量产氢动力汽车Clarity。氢燃料电池汽车作为只排放水的新能源汽车，其技术复杂性更甚于纯电动汽车，其技术先进性主要体现在储氢系统及燃料电池推上。本田氢燃料电池汽车采用了70MPa压力的碳纤维氢燃料罐，并实现了燃料电池堆的突破，使得其燃料电池堆的体积比之前车型小了33%，功率输出则达到100kW以上，输出密度则提高到3.1kW/L，较以往提升了60%左右。FCV量产车的续航有望达到700公里，补充一次燃料仅需3分钟，和普通燃油汽车加一次油的时间相当。由于日本汽车厂商新能源汽车的技术比较成熟，因此，日本国内已在今年开始逐步建立加氢站，推广氢能源汽车，并开始在北美推广该类型新能源汽车。但是，制氢技术及大规模储氢技术是氢能源汽车的瓶颈所在，是制约其快速发展的关键因素。

在氢燃料电池汽车方面，我国目前没有形成系统的研发体系和工业体系，关键技术和关键材料仍在探索中。储氢系统以及燃料电池堆的研发进步并不明显。

2 纯电动汽车与氢燃料电池汽车发展所面临的问题

2.1 新能源汽车的配套基础设施建设滞后

以我国力推的电动汽车为例，到2014年底全国的示范城市推广的新能源汽车数量是9.1万辆，但是充电桩只有3.1万个，充电桩和新能源车的比例明显不足。2015年11月18日，国家发展改革委等四部门联合发布《电动汽车充电基础设施发展指南（2015～2020年）》表示，到2020年，新增集中式充换电站超过1.2万座，分布式充电桩超过480万个，以满足全国500万辆电动汽车充电需求。而美国作为电动汽车发展比较快的区域，其充电桩也只有5万多个，同样不能满足电动汽车的充电需求。而对于产量少的氢燃料电池汽车，加氢站就更少，全美仅有50座加氢站，远远不能满足氢能源汽车的需要。

2.2 电能和氢气来源清洁度有待提高

电动汽车使用过程中虽然没有污染物排放，但其间接污染也是不容忽视的。目前，充电所需的电能主要还是以火力发电为主，水力和核能等清洁能源发电所占的比例很少。而火力发电仍然会对环境造成较大的污染[4]。

对于氢能源汽车所需的氢气，目前最好的方法是通过电解水来制造氢气，即用电将水分解成氧气和氢气。目前最好的电解水系统的能量转化率只有80%，效率并不高。甲烷转化要更划算，但却会造成污染。因为蒸汽需要加热到700到1000摄氏度，然后与甲烷结合生成氢气和一氧化碳，以及少量二氧化碳。美国有95%的氢气通过这种方法来制造。为了获得氢气所消耗的能量比直接使用电能更多。因此，氢气制取技术需要革命性的技术出现才能为将来氢能源汽车的普及铺平道路。

2.3 新能源汽车过度依赖国家补贴

目前国内外新能源汽车存在的问题之一就是补贴的依赖程度还比较高，补贴需要更具合理性。我国的汽车市场规模庞大，但发展基础薄弱，能否实现全产业链的协调发展，其中政策的制定是系统的工程，没有补贴不行，补贴时间过长也不行。最近国家对新能源汽车政策补贴的退坡给出了时间表，具体为：从2017年到2020年，除燃料电池汽车外其他车型补助标准适当退坡。2017～2018年补助标准在2016年基础上下降20%，2019～2020年补助标准在2016年基础上下降40%。企业的当务之急是，实现核心技术的突破，降低成本，提高产品的安全性和可靠性，改变单纯依靠补贴的盈利模式[5]。

3 纯电动汽车与氢燃料电池汽车发展前景展望

从世界范围来看，由于近年来电动汽车的技术突破，使得各国政府在推广新能源汽车方面都把注意力放在了电动汽车上，而氢燃料电池仅有少数几个国家在力推，如日本政府力推氢能源汽车，补贴力度很大。而且各大汽车厂商的研发重点也是电动汽车，如通用、奥迪、奔驰和宝马等。因此，随着充电桩的建设加速，未来十年至二十年应该是纯电动汽车的春天，将迎来最好的发展机遇。但是如果电池容量及电池快充技术在未来数年内没有大的突破，则氢燃料电池汽车则有机会赶超纯电动汽车，毕竟，氢燃料电池汽车充满氢气只需3分钟，却可以行使超过700公里，未来可能超过一千公里。纯电动汽车和氢燃料电池汽车谁将成为未来的主流车型取代燃油汽车，取决于各自技术突破的速度以及政策支持。如果电池容量及快充技术在高效清洁制氢技术之前获得突破，那么纯电动汽车将成为未来主流新能源汽车，否则氢燃料电池汽车将超越电动汽车成为未来主流新能源汽车。

从技术发展成熟度和中国国情来看，混合动力汽车可以作为大面积充电网络还没建立起来之前的过渡产品，而纯电动汽车应是我国目前大力发展的方向。但是我国也应加快氢能源汽车基础研究以及完善相应的工业体系，避免未来出现氢能源汽车大规模替代燃油汽车时处于被动地位。

【参考文献】

[1]孟欣.纯电动汽车的应用及发展概述[J].科技广场，2010，7：147-149.

[2]肖九梅.氢燃料电池汽车及其电池现状[J].电力电子，2013，3：50-54.

[3]毛宗强，甘颖.氢燃料电池汽车新进展[J].太阳能，2112，8：17-22.

[4]孙宇轩.关于新能源汽车发展的现状及趋势[J].产业经济，2015，27：21.

[5]陈全世.我国新能源汽车产业的发展与挑战[J].时代汽车，2015，10：13-23.

[责任编辑：王楠]