清潔能源汽車動力多元化 燃料電池能否“氫”舞飛揚

目前新能源汽車的動力來源主要由鋰離子電池、燃料電池以及太陽能等構(gòu)成，鋰離子電池在當前的新能源動力市場上占據(jù)主導(dǎo)地位，但燃料電池也是一個不容忽視的發(fā)展方向。燃料電池是將燃料反應(yīng)得到的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，這里的燃料可以是氫氣，甲醇等。隨著以豐田Mirai為代表的氫燃料汽車的推出，氫燃料電池在汽車界的發(fā)展越來越受到世人的矚目。

燃料電池工作原理     圖片來源：網(wǎng)易

車用氫燃料電池的優(yōu)點十分明顯：

1. 電池質(zhì)量輕

鋰離子電池要比燃料電池重大約40-70％。即便是有著最一流電池管理技術(shù)的特斯拉，其動力電池總質(zhì)量也占到了車總重的1/3。

2. 加氫時間短

按照目前的技術(shù)，鋰離子電池充滿需要數(shù)小時。但是如果氫氣沒有了，加氫的話只要短短幾分鐘就可以完成。

質(zhì)量輕顯而易見，加氫時間相對于鋰電電池充電時間來說，是一種效率上的巨大提升，對于爭分奪秒的現(xiàn)代人來說，花幾個小時去為新能源汽車充電，無異于是一種煎熬。而目前解決鋰電池充電時間過長是一個非常棘手的難題，甚至要比如何提高能量密度、降低成本、延長壽命等還難。因為如果縮短鋰電充電時間，就意味著要大幅增加電流輸入，這不僅會對電池的壽命造成嚴重損害，瞬時增大的電流對電網(wǎng)的沖擊也是無法承受的。

以一輛能跑400公里的特斯拉電動車為例，即便用最快的充電方式也要75分鐘才能充滿，這種極快的充電方式不僅對電池壽命極其有害，需要的電流更高達192A（前40分鐘用192A充滿80%，后35分鐘需要低電流涵養(yǎng)電池）而192A相當于40臺家用壁掛式空調(diào)！如果電動汽車大規(guī)模普及，不僅發(fā)電規(guī)模翻幾十倍都跟不上，更會讓現(xiàn)有的電網(wǎng)系統(tǒng)瞬間崩潰，這可能嗎？試想一下，炎炎夏天空調(diào)運轉(zhuǎn)的負荷都讓電力部門壓力山大，比空調(diào)大幾十倍的電動車又該令我們的電網(wǎng)情何以堪？ 

雖然氫燃料電池優(yōu)勢明顯，但同樣存在著制約其在汽車領(lǐng)域大面積推廣應(yīng)用的困難和障礙，首先要克服的便是氫氣加注的難題，目前氫氣加注站遠不像加油站那樣普及，因為自然界中存在的氫氣無法直接利用，氫氣的來源主要是通過從天然氣分離或是電解水的方式獲取，獲取方法上都存在著一定的難度。

面對這一困難，本田公司提供了一套氫氣加注方案。近日，本田在東京安裝的全球第一座高壓水電解型制氫站（見下圖）開始了驗證實驗階段,這也許會成為燃料電池車普及的一座里程碑。這座高壓水電解型制氫站能夠制造出壓力達到70MPa的氫氣，且僅需使用水和太陽能電池板產(chǎn)生的電能，就能制造出氫，整個過程使用可再生能源，完全環(huán)保。

圖片來源：我有車網(wǎng)

但是，本田的加氫站能否在擁擠的城市大規(guī)模應(yīng)用，同樣是一個很大的問題。據(jù)估算，一個加氫站占地6平方米，如果氫燃料電池汽車普及的話，對氫氣的需求將是非常巨大的，在寸土寸金的大城市塞進大批加氫站將面臨巨大的土地資源和資金成本壓力。另外，由于受城市霧霾和建筑遮擋的因素影響，陽光利用率會降低，此類加氫站氫氣的生產(chǎn)量能否滿足正常需求還是個未知數(shù)。

另一個氫燃料電池汽車大規(guī)模應(yīng)用需要面對的困難，是氫燃料電池汽車成本高昂。隨著鋰電技術(shù)的不斷突破，目前市場上的純電動汽車成本正在逐步下降，售價也要明顯低于燃料電池汽車。特斯拉Model3售價為3.5萬美元，而豐田Mirai起始價格為5.75美元。同時，純電動車充電樁正在逐步普及，且從普及難易度和成本上來講，都要比加氫站要低很多。

因此，只有克服了氫氣加注和降低成本的兩大難題，氫燃料電池汽車也許才能真正迎來大規(guī)模普及的春天。

其實，關(guān)于燃料電池車和純電動汽車的爭論由來已久，特斯拉首席執(zhí)行官埃倫·馬斯克和其他人已經(jīng)發(fā)表了大量文章和輿論，試圖證明氫燃料電池不如純電動汽車。

但是，燃料電池汽車在使用成本上的優(yōu)勢是無法掩蓋的。氫燃料汽車的燃料成本與普通汽車幾乎一致，比純電動汽車更便宜（電池更換成本無比昂貴），總使用成本更低，因為沒有內(nèi)燃機，沒有變速箱，除車輪軸承和空調(diào)外無任何機械摩擦，壽命極高，維護極為簡單。

還是豐田以Mirai為例，日本石油最近公布的液化氫價格是1000日元/kg 約合53rmb/kg。Mirai的氫氣罐容量122.4L × 713.79大氣壓 ＝ 87,367.896L 約合87.4立方米，1kg氫氣=11.2立方米氫氣，所以加滿氫氣罐87.4 / 11.2 = 7.8kg，加滿氫氣罐的價格為7.8 x 1080 = 8424日元，約合 450元rmb，再按續(xù)航力650km計算，每公里的費用為450 / 650 =0.6923元rmb。差不多每公里7毛錢。實際上Mirai只能加5公斤氫氣，約合290元，即每公里5毛錢。

另外，豐田的FCV，使用的是“電解質(zhì)薄膜”燃料電池技術(shù)，簡單就是說是利用氫氣跟氧氣化學(xué)反應(yīng)過程中的電荷轉(zhuǎn)移來形成電流，除了催化劑使用鉑金外，沒有任何的消耗物，鉑金本身也不消耗，理論上這個“電解質(zhì)薄膜”燃料電池壽命長的難以想象。

盡管近日由于燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)生的輸出電壓問題，豐田開始召回所有約2,800輛零排放的Mirai汽車。但這絲毫不會影響豐田發(fā)展燃料電池汽車的信心和計劃，據(jù)豐田表示，在未來Miari2代汽車上將降低鉑金的使用量，屆時將會大幅拉低燃料電池的成本。

燃料電池被視為零排放汽車的技術(shù)，在日本，政府層面非常重視燃料電池汽車的發(fā)展。東京市計劃投資4億美元用于燃料電池車輛補貼和加氫站建設(shè)，以在2020年奧運會期間展示日本的燃料電池技術(shù)，該公司也希望到時將有100輛燃料電池客車在東京運行。

本田Claity汽車     圖片來源：日本通

不僅豐田公司，其他汽車制造商也加速氫燃料電池動力的研究。本田在2016年12月推出了Clarity燃料電池轎車，現(xiàn)代也提供了圖森燃料電池SUV。雷克薩斯和奧迪在最近一次的底特律車展上展示了氫概念車。通用和本田最近宣布合資開發(fā)下一代燃料電池系統(tǒng)。該合資公司計劃投資8500萬美元，并希望在2020年實現(xiàn)量產(chǎn)。下表是世界主要汽車廠商已推出燃料電池汽車以和2020年前的產(chǎn)品計劃：

資料來源：川財證券研究所

燃料電池汽車的快速發(fā)展，國內(nèi)企業(yè)同樣也給予了高度重視，紛紛投入資金和技術(shù)研發(fā)力量進行燃料電池及相關(guān)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的研究，并已經(jīng)取得了一些應(yīng)用性的成果，目前國內(nèi)開展氫燃料電池及相關(guān)項目研發(fā)的公司主要有：

雪人股份：該公司擁有十幾年的燃料電池技術(shù)儲備，是雙螺桿形式燃料電池壓縮機的開發(fā)者，其研發(fā)的燃料電池壓縮機及燃料電池系統(tǒng)，可以裝備于氫燃料電池車，擁有知名的AUTOROTOR 品牌。OPCON 目前產(chǎn)品已應(yīng)用于燃料電池巴士及汽車，為加拿大Ballard 以及奔馳、美國通用、沃爾沃、豐田、本田等眾多汽車生產(chǎn)商提供過燃料電池系統(tǒng)。 

同濟科技：與中科院上海有機化學(xué)研究所、上海神力科技公司組建中科同力化工材料公司，占36.23%股權(quán)。該公司從事質(zhì)子交換膜氫燃料電池關(guān)鍵材料與部件的研發(fā)，包括質(zhì)子交換樹脂和質(zhì)子交換膜、膜電極、極板材料等關(guān)鍵材料。除此之外，同濟科技還與其他公司一起共同建設(shè)了上海首座為氫燃料電池汽車服務(wù)加氫站。目前該加氫站儲氫量最大可達800公斤，一次能連續(xù)為6輛大巴、20輛小汽車加注氫氣，其規(guī)模在全球數(shù)一數(shù)二。

貴研鉑業(yè)：是一家主要從事貴金屬和相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)、綜合回收利用和銷售的公司，公司生產(chǎn)的鉑催化劑是氫燃料電池目前技術(shù)中的關(guān)鍵部件。公司旗下的貴研所開創(chuàng)了我國鉑族金屬研究事業(yè)，是我國在該領(lǐng)域知識創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新的主要力量。該通過承擔(dān)政府科研課題、與上汽集團合作等方式深耕燃料電池電極催化劑市場。

大洋電機：公司攜手巴拉德開拓國內(nèi)燃料電池市場。

福瑞特裝：該公司高壓儲氫瓶和加氫站設(shè)備產(chǎn)品預(yù)計上半年推向市場。

德威新材：公司2016年6月宣布，擬以自有資金1億元設(shè)立全資子公司德威互興氫能，涉足氫燃料電池領(lǐng)域。

據(jù)新華社報道，中車青島四方機車公司與佛山市高明區(qū)近日簽訂了有軌電車示范線項目首期供貨合同，將提供8列氫能源有軌電車等設(shè)備，這是國內(nèi)首個落地的氫能源有軌電車訂單。國內(nèi)首條以氫能源為動力的有軌電車線路全長17.4公里，首期為6.5公里，計劃投入使用。據(jù)了解，氫能源有軌電車由中車與加拿大巴拉德公司合作研發(fā)，加滿一次氫只需3分鐘，可持續(xù)行駛100公里，可實現(xiàn)全線無接觸網(wǎng)運營，沿途也無需設(shè)置充電站。

氫燃料電池汽車發(fā)電效率高、環(huán)保低污染等方面的突出優(yōu)勢同樣得到了業(yè)界高層人士的認可。在剛剛結(jié)束的全國政協(xié)十二屆五次會議期間，全國政協(xié)委員、協(xié)鑫集團副總裁柳崇禧在接受媒體采訪時表示，氫燃料電池的大規(guī)模發(fā)展即將來臨?！耙环矫?，原來的運輸成本相對較高，而如今這一問題已得到很好的解決，現(xiàn)在的運輸成本只有原來30%；另一方面，美國一些先進企業(yè)在國內(nèi)開始建廠，國內(nèi)也正在緊鑼密鼓地試制研發(fā)氫燃料電池車，預(yù)計兩年左右即將迎來跨越式的發(fā)展?！绷珈硎?，氫燃料將作為增程器為電池供電，以達到更長的續(xù)駛里程，而這類技術(shù)將率先在大型機械以及長途運輸領(lǐng)域得到應(yīng)用。

盡管氫燃料電池大規(guī)模應(yīng)用于汽車領(lǐng)域仍存在諸多難題待解，但隨著技術(shù)的不斷進步，以及越來越多的國內(nèi)外車企對于這一領(lǐng)域的系統(tǒng)布局，氫燃料電池汽車迎來大規(guī)模發(fā)展的時期已指日可見。