浅谈氢燃料电池汽车的未来发展

2020-09-02刘凤

福建质量管理 2020年15期

刘凤

(上海捷氢科技有限公司上海 201805)

引言

汽车是目前使用率最高的出行工具之一，随着社会经济的向好发展，人们生活水平持续提高，汽车的保有量在逐年上涨，私家车几乎成为每个家庭的“标配”，与此同时，汽车尾气造成的负面影响也愈发明显，城市空气质量差，温室效应、臭氧层破坏和酸雨等大气环境问题日益严重，环境污染问题已经成为人们的重点关注对象。虽然汽车尾气会对环境造成一定的影响，但因噎废食也不可取，只有最大限度的降低污染程度，才能真正的为人们谋幸福。氢燃料电池汽车正是有效解决这一难题的举措，它打破常规的汽油或柴油内燃机，改用氢做为动力源，燃料电池和电动机取代一般的引擎，通过液态氢气与空气中的氧气发生化学反应产生电能，直接驱动电动机，为汽车提供动能，氢气的燃烧产物是水，氢燃料电池汽车从真正意义上实现了零污染。为进一步推动这种新能源汽车的发展，世界各国陆续颁布了扶持政策，加大研究力度，目前该技术尚未成熟，氢燃料电池汽车商业化和量化生产仍面临诸多挑战。

一、国内外氢燃料电池汽车的发展现状

氢燃料电池汽车这个重要发现有望成为新型清洁能源汽车的首选，它真正实现了零排放、无污染，而且能源可再生，汽车工业可持续发展指日可待。就目前形势而言，国外发达国家的对其研究已经进入技术与市场的示范阶段，然而我国起步相对较晚，正处于技术创新瓶颈期，产业化基础薄弱，再加上国内专业人才匮乏，一系列问题难以突破，致使我国氢燃料电池汽车发展缓慢。

(1)国外氢燃料电池汽车的发展现状

国外发达国家对清洁能源汽车相关产业的研究较早，目前日本和欧美国家在氢燃料电池汽车的研发技术和使用情况居于视界首位，已基本实现将传统汽车改造为氢燃料电池汽车的生产模式，并在汽车安全性研究中取得重大突破，陆续推出了几款先进可靠的氢燃料电池汽车。丰田汽车公司研发的Mirai、日产的 Xtrial、奔驰的F-Cell、通用的Equinax以及现代的LX35作为典型代表，我们对其各项性能指标进行分析如下。

表1 主流氢燃料电池汽车的性能指标

表格显示，综合性能较好的一款车是丰田汽车公司研发的Mirai，特别是燃料电池铂用量方面，远远低于其他车型。铂是一种金属催化剂，较为贵重，氢燃料电池汽车想要压缩成本，降低铂的用量是关键，这也就是Mirai作为氢燃料电池汽车最具市场竞争力的原因之一。

(2)国内氢燃料电池汽车的发展现状

我国也相当重视对氢燃料电池汽车的研究。得到政府的鼎力支持，国内长安、奇瑞、上汽、一汽为代表的汽车公司也开始尝试对传统的汽车进行改造，但受限于氢燃料电池的关键技术难以突破，目前研发出来的清洁能源汽车综合性能较差，还不具备商业化生产的水平，仅处于试运行阶段。

丰田汽车公司研发的Mirai虽处于世界领先水平，但其销量却不容乐观，截止到2018年，仅售出8900余辆。由此可见，氢燃料电池汽车在短时间内还是难以被人们所接受，实现产业化发展还需要一段时间。

二、氢燃料电池汽车发展的制约因素

国外对氢燃料电池汽车的研究技术虽然已相对成熟，但消费者认可度却极低，销量极不理想，主要原因是氢燃料电池成本过高、氢气储存及补给难度较高，目前市面上加氢站建设不完善。总而言之，要想实现氢燃料电池汽车商业化发展还需持续不断创新，不断突破。

(1)氢燃料电池成本高

氢燃料电池汽车最大的成本是电池技术，相当于同规格的纯电动车蓄电池成本的两倍，不仅制造技术难度大，而且电池中铂催化剂、电解质膜和双极板的成本也相对较高。目前的技术研究都使用价格较高的铂作为催化剂，能够平价替代的金属还未试验成功，这就是影响氢燃料电池发展的主要因素之一。氢燃料电池汽车的原理是是将氢气和氧气的化学能转化为电能，最后产生水，所以要求氢燃料中的电解质膜必须具备氧化还原的稳定性，这种高质量的电解质膜的价格约为每平米约600美元，成本颇高。再者制造氢燃料电池中的石墨双极板对温度的要求极高，需在2500℃以上进行，并要达到不透性的要求。由此可见，氢燃料电池汽车中的铂催化剂、电解质膜和双极板的成本高，几乎占到整台车成本的80%左右。

(2)加氢站太少，氢气补给困难

想要普及氢燃料电池汽车，加氢站的建设必不可少。就我国目前的研发技术水平而言，建设一座加氢站需投入200～250万美元，相比日本和美国这些发达国家，我国在加氢站的建设上具备一定的优势，成本略低于其他国家。近年来各国对氢燃料电池汽车的研究越来越重视，加氢站的数量也日益增多如，下图所示，在2019年年底，全球的加氢站数量已经达到了369座，欧洲国家建设成功的加氢站占到全球总量的三分之一以上，亚洲仅居其次，当时的我国已建成26座加氢站，并陆续投入使用。就目前加氢站的整体数量而言，如若想要普及氢燃料电池汽车还是远远不够的。

图1 2015-2019年全球加氢站数量(单位：座)

(3)氢气制取困难、储存条件高

氢气是一种二次能源，虽然它是最丰富的元素之一，但自然氢的存在量极少,因此要大规模利用这种清洁能源,就必须要研究开发各种制氢的方法,通常我们都采取煤、石油及天然气为原料通过高温加压、氧化还原等方式制取氢气,目前加氢站主要以电解水的方式获得氢气,整个过程需要耗费大量的电能。为确保氢燃料电池汽车的电池可以稳定持续工作,这对氢气的纯度要求极高。高纯度氢气的制取过程更为复杂,成本更高。另外,氢气的储存也仍需深究,由于氢气密度小,而氢燃料电池汽车车身具有局限性,既要保证燃料电池汽车的续航里程,又要使氢气罐在达到压力标准的同时尽可能的轻量化,氢气罐的要求了,成本自然也就水涨船高。如图2所示我国在氢气的制取产量增速逐年减缓。从氢气的制取到储存整个过程中技术要求高,耗费能量多,如果无法解决这些难题,氢燃料电池汽车的实用性着实不强。

(4)消费者对燃料电池汽车的安全性存在质疑

暂且不说氢燃料电池汽车的成本居高不下,消费者对其的安全性也心存疑虑,作为主要原料的氢气具有易燃易爆的特性,一旦氢燃料泄漏或者车身发生剧烈碰撞时,燃料汽车很难保证不会自然甚至爆炸的情况。就目前而言,汽车企业尽可能将燃料电池和储氢罐置于车身相对最安全的部位,以 Mirai 汽车为例，丰田公司在设计中将燃料电池和氢气罐放置在座椅和后备箱底部,最大限度的提升了氢燃料电池汽车的安全系数,况且在车辆正式开售之前,丰田公司就对该型号车辆进行了一系列安全测试,但是仅通过理论数据的支撑,还不足以说服消费者,氢燃料电池汽车的认可度仍没有得到大幅度提升。由此可见氢燃料电池汽车要想实现量产化、商业化甚至完全替代燃油车,还有很长的路要走。

三、氢燃料电池汽车未来的发展

近几年环境遭到严重污染,再加上石油能源枯竭,世界各国纷纷开始推动氢燃料电池这种零污染的清洁能源汽车发展,我国陆续出台多个扶持政策,将氢燃料电池作为新能源汽车重要的研发路线,虽起步较晚,但近两年国家能源投资集团和国家电网等多家实力雄厚的央企积极参与研究,达成创新战略联盟,预计在2050年将氢能的使用量提高到能源体系的10%,并将实施全面布局,构建加氢站网络,普及氢燃料电池汽车的,完成商业化生产,提高车辆年产量。新事物的出现在最开始时候总是要接受一系列的质疑,早期燃油车刚刚问世时也因技术不成熟、安全系数低、燃油存放有隐等问题被消费者排斥,但随着科学技术水平不断提高,研发的深度和广度不断拓展,燃油机从最初的排斥到后期消费者追捧,新事物总是在质疑声中趋于完善,氢燃料电池汽车也不例外,再加上当今时代科技迅速发展作为基础辅助,氢燃料电池汽车从初期萌芽阶段到成熟完善阶段定会比燃油车来得更快，在不久的将来一定会受到广大消费者的青睐,甚至会取代燃油汽车。