目前國內(nèi)純電動車已經(jīng)發(fā)展到了第四階段，預(yù)計在 2025年純電動車達到第五階段，那時的純電動汽車綜合性價比將會超過燃油車，達到純電動車“大發(fā)展”的時代。

每當(dāng)我們聊到這些新能源話題時，都會談?wù)撾妱榆嚒⒒旌蟿恿?、燃油車這三者誰更經(jīng)濟更環(huán)保。也總會有網(wǎng)友的評論就好像彈幕一樣在我腦海中浮現(xiàn)“電動車都是騙人的”、“混動車省油不省錢”、“燃油車終將被淘汰！”。

最近我還看到這樣一句評論“氫燃料電池車才是未來！”

沒錯，燃料電池車也是國家推廣的新能源路線之一，那么氫燃料電池車能否完全取代電動車、燃油車成為真正意義上的未來呢？今天熊主任從氫燃料電池車的原理、氫燃料電池車可行性經(jīng)濟性、未來發(fā)展前景三大方面來分析。

第一部分，燃料電池車（FCEV）的工作原理。

1，氫燃料電池反應(yīng)堆棧工作原理：

說到氫燃料，想必大家都能聯(lián)想到火箭推進器的一種燃料類型——液態(tài)氫液態(tài)氧。我在兒時佳片有約看過的電影《火星任務(wù)》中有個片段，就是飛行器遭遇微流體星，燃料泄露，點火爆炸導(dǎo)致飛行器損壞的大場面。還有就是6天沖破20億，被譽為中國科幻電影的里程碑——《流浪地球》，氫氣是貫穿整部電影的核心線索，開場對白就有“氫氣是什么”。

之所以用氫做燃料，一方面是氧化反應(yīng)后只產(chǎn)生沒有污染的水（化學(xué)方程式2H?+O?=2H?O）。另一方面就是氫氣的能量密度極高，氫氣的能量密度最高可達到143MJ/Kg，是汽油的3.25倍，是三元鋰電池的130倍。這么說可能不是很好理解，我們就簡單拿氫燃料電池、汽油、純電動轎車對比：

氫燃料電池車加注1kg氫氣，大約可以行駛100km；燃油車加注1kg汽油大約可以行駛20km；純電動車1kg電池單體儲存的電量僅能行駛1~2km！

備注：燃油緊湊轎車百公里7L油耗計算、緊湊純電動車汽車百公里能耗15kWh，電池單體密度150~300Wh/kg計算

我在和朋友們聊天時了解到，一部分人會認(rèn)為氫燃料電池車是以氫氣燃燒產(chǎn)生動力驅(qū)動車輛行駛的，其實不然，氫燃料電池是一種通過氫氣與氧氣的化學(xué)反應(yīng)從而產(chǎn)生電能的裝置，是一種利用化學(xué)能發(fā)電的裝置。（當(dāng)然也會存在純粹靠燃燒氫氣產(chǎn)生動力的車輛，那種就不是氫燃料電池了，可以定義為“氫內(nèi)燃機”，這類不在此次討論范圍。）

如上圖所示，氫燃料電池中，“質(zhì)子交換膜”兩側(cè)的鉑催化劑層將氫分子和氧分子分別分解為帶電離子狀態(tài)。因為氫分子體積非常小，攜帶電子的氫可以透過質(zhì)子交換膜的微孔游離到對面去，但帶電子的氫質(zhì)子在穿過“質(zhì)子交換膜”孔洞的過程中，電子被剝離，只有帶正電的氫質(zhì)子達到了薄膜的另一端。而電子只能通過“導(dǎo)線”在兩塊極板之間移動，電荷的移動就是產(chǎn)生了電流。隨后2個氫離子和1個氧離子結(jié)合成為水，這就是氫燃料電池車唯一的排放物——水（H?O）。

當(dāng)然只靠一片質(zhì)子交換膜產(chǎn)生的電能是非常有限，例如豐田首款量產(chǎn)氫燃料電池車Mirai其氫燃料電池模組可輸出114kW的發(fā)電功率，它就是由370片薄片燃料電池疊堆組成的，因此被稱為“氫燃料電池堆?！?。

2，氫燃料電池車工作原理和結(jié)構(gòu)：

上為氫燃料電池車的工作原理圖和結(jié)構(gòu)圖。加氫站加注氫氣到高壓儲氫罐=>>燃料電池反應(yīng)堆棧利用氫氣和空氣中的氧氣反應(yīng)發(fā)電=>>通過升壓轉(zhuǎn)換器提升電壓給動力控制單元=>>驅(qū)動電動機轉(zhuǎn)動牽引車輛。其中還是有一個儲能電池，它是可以儲存燃料電池產(chǎn)生的多余的 電能，也可以在燃料電池輸出不能滿足電機動力需求時提供穩(wěn)定的電力，相當(dāng)于緩沖/穩(wěn)定電能的作用。當(dāng)然也可以用來能量回收，在剎車的過程中將動能轉(zhuǎn)換成電能儲存到電池里。

3，對比內(nèi)燃機增程式電動車、純電車，氫燃料電池車的優(yōu)點：

通過了解氫燃料電池車的結(jié)構(gòu)圖，大家應(yīng)該會聯(lián)想到，氫燃料電池車的結(jié)構(gòu)是和增程式電動車有點類似的！沒錯，它們都有電池、電機、電控這3大件。不同之處是增程式電動車增程器是使用燃油內(nèi)燃機，依舊會排放尾氣。而氫燃料電池車發(fā)電裝置是使用的清潔能源，只會產(chǎn)生沒有污染的水。

同樣“零排放”的純電動車和氫燃料電池車對比，最大的區(qū)別是，后者只需要加氫3分鐘即可獲得500km以上的續(xù)航。而純電動車的充電速度。。。呃~怎么說呢~充電1小時都鮮有達到500km的，并且很多電動車綜合續(xù)航還無法達到500km。未來5~10年，純電動車或?qū)⑦_到350kw的充電速度，換算到3分鐘大概可以充100km。

氫燃料電池車如此完美的擁有了0污染、氫氣加注速度快的優(yōu)點，這是燃油車和純電動車望塵莫及的。貌似這2點就足以支撐“氫燃料電池車才是未來”的理論！你們看，豐田首款量產(chǎn)氫燃料電池車Mirai的命名，Mirai即為“未來”的意思。

第二部分，氫燃料電池車可行性和經(jīng)濟性

看了第一部分原理分析和優(yōu)點，什么各種完美，又什么未來的，是不是感覺熊主任把燃料電池車（FCEV）吹上天了?。磕敲吹诙糠诌€是著手實際談一下氫燃料電池車的技術(shù)可行性和經(jīng)濟性。

1，技術(shù)可行性：

在國內(nèi)氫燃料電池研發(fā)相對日韓是比較滯后的，主要原因是研發(fā)起步晚，致使氫燃料電池車整個體系，從制氫、儲氫、燃料電池堆等技術(shù)上都沒有足夠產(chǎn)業(yè)支持。

（1）氫氣的來源的技術(shù)難點

國內(nèi)主流的制氫方法有：

① 電解水制氫法：技術(shù)成熟、過程簡單，但是成本較高、耗電巨大；

② 甲醇裂解制氫法：甲醇(CH₃OH)原料來源廣泛，制氫投資低，但是生產(chǎn)規(guī)模有限。目前也有加注甲醇的燃料電池車，就是在車上完成制氫、氫發(fā)電的過程；

③ 焦?fàn)t氣中取純氫法：這是個大規(guī)模制氫的方法，技術(shù)成熟成本也低。焦?fàn)t氣主要含有H₂（55~60%）、CH₄（23~27%）、CO（5~8%）等，是煉焦工業(yè)的副產(chǎn)品，具有污染；

④ 天然氣制氫法：也是大規(guī)模制氫法，但是工藝復(fù)雜、原料利用率低，并且我國的天然氣也是比較缺乏的資源（天然氣通式是CnH(2n+2)，n≥1。甲烷（CH4)占大部分，少量乙烷(C2H6)，丙烷(C3H8)和丁烷）。

從以上的制氫方法來看，雖然制氫方法很多，但是都不能同時兼顧環(huán)保、高效、成本低、規(guī)模大的制氫技術(shù)優(yōu)點。

（2）儲氫罐的技術(shù)難點

氫的儲存方法分為高壓氣態(tài)儲存、低溫液態(tài)儲存、固態(tài)儲存三種。目前新能源車應(yīng)用的是高壓氣態(tài)儲存，全球范圍量產(chǎn)車達到了70MPa的水平，正在往80MPa級別發(fā)展。高壓氣態(tài)存氫罐是由碳纖維、玻璃、陶瓷等組成的薄壁容器。而我國目前70Mpa高壓儲氫容器處于探索階段，還沒有生產(chǎn)能力，主要依靠于日本進口。

通過查詢相關(guān)資料，目前國內(nèi)投放市場的氫燃料電池車以公交車為主，其儲氫罐為35MPa級別。這是什么意思？意思就是我國的量產(chǎn)氫燃料電池車還是受儲氫罐的技術(shù)限制的，還處于公共交通領(lǐng)域的試點階段。35MPa的儲氫罐技術(shù)還不能塞進乘用車?yán)?，或者塞進乘用車?yán)m(xù)航還不能達到目前的電動車的續(xù)航水平。

這個說法不難驗證，比如豐田Mirai，車身長度4890mm，軸距2780mm，屬于中型車的尺寸，2只70MPa的儲氫罐容納122.4L氫氣，可提供500km的續(xù)航里程。但是它的后排乘坐空間和后備箱空間就比較雞肋了！本田Clarity儲氫罐的容積達到了141L，續(xù)航589km，車身長度4915mm比本田Mirai尺寸還大，同樣也被儲氫罐侵占了很多后備箱空間。很明顯，雖然氫氣的能量密度很高，但是受制于整套燃料電池系統(tǒng)龐大的體積，圓柱狀的儲氫罐塞進車內(nèi)嚴(yán)重侵占乘坐和儲物空間，使燃料電池乘用車的實用性大打折扣。

如果換成國產(chǎn)的35MPa級別的儲存罐，塞進轎車?yán)?，您覺得還能有多少乘坐空間，或者續(xù)航降低多少呢？

（3）氫燃料反應(yīng)堆棧的材料、壽命等技術(shù)難點

好的，終于說到燃料電池本身了，上篇原理也講過了。氫燃料反應(yīng)堆棧核心的材料是“質(zhì)子交換膜”和“鉑催化劑電極”。

①質(zhì)子交換膜：

常用的質(zhì)子交換膜為全氟磺酸質(zhì)子交換膜，全氟物質(zhì)的合成和磺化都非常困難，而且在成膜過程中的水解、磺化容易使聚合物變性、降解，使得成膜困難，導(dǎo)致成本較高。資料顯示美國科慕Nafion質(zhì)子交換膜價格為120美元/kW，例如一臺燃料電池車電池堆棧為100KW，那么僅質(zhì)子交換膜成本就高達1.2萬美元。這單價可比80美元/KWh三元鋰電池的原材料成本要高一些。當(dāng)然燃料電池是發(fā)電裝置，三元鋰電池是儲電裝置，只能在限定條件下對比，也不能直接對比。

質(zhì)子交換膜工作時對溫度和含水量要求很高，工作溫度為70~90℃，超過此溫度會使其含水量急劇降低，導(dǎo)電性迅速下降，甚至損壞質(zhì)子交換膜。溫度過低氫氣活動性變差，發(fā)電效率低。所以燃料電池也要通過復(fù)雜的溫度和濕度控制循環(huán)系統(tǒng)以保證電池堆棧的壽命和效率。

東岳集團是唯一一家通過AFCC技術(shù)鑒定的中國企業(yè)。目前，東岳集團質(zhì)子交換膜生產(chǎn)規(guī)模將可2.5萬輛燃料電池汽車所需。

②鉑催化劑電極：

鉑是一種貴重金屬，俗稱白金，它的化學(xué)符號Pt。鉑有良好導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，并且有很高的化學(xué)穩(wěn)定性，耐腐蝕性極強，催化活性高。鉑除用于珠寶飾物外，大量用于化學(xué)反應(yīng)的催化劑。

氫燃料電池使用鉑催化劑，最大的問題就是鉑原材極為稀有。一般花上5-6個月的時間，處理10噸礦石，才能從原料中鑄成“一盎司的鉑錠”（合31.1克）。而獲得相同數(shù)量的黃金，只須花3-5周時間，就能從3噸礦石中提煉出。全球鉑的產(chǎn)量僅為黃金的1/30，并且我國也不是鉑的主要原產(chǎn)地（80%以上產(chǎn)于南非）。

數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)代NEXO每輛車的鉑金用量為56克。技術(shù)較為先進的本田Mirai則需要15克鉑。目前全球每年的鉑產(chǎn)量僅為90噸左右。就算全部用來生產(chǎn)氫燃料電池最多也只能滿足600萬輛的產(chǎn)能（以15克/輛計算）。而2017年全球汽車銷量超過9000萬輛。2018年僅中國汽車銷量就達到了2800萬輛。就鉑可憐的產(chǎn)量就想讓氫燃料電池車成為“未來”，我表示“呵呵”！

③氫燃料反應(yīng)堆棧的壽命和功率密度：

剛才說的是氫燃料電池的成本高，如果再和大家聊聊氫燃料電池壽命的話，估計會有更多的小伙伴要抓狂了。都說電動車鋰電池的壽命怎么不行（幾年或是幾百次循環(huán)壽命），很多媒體都說鋰電池貴，“換電池比買新車都貴”。那么氫燃料電池堆棧的壽命是多少呢？

目前國內(nèi)技術(shù)生產(chǎn)的氫燃料電池壽命普遍只有3000小時（效率在40%左右），沒錯！單位是小時！小時！ 較為先進能突破5000小時的技術(shù)還處于研發(fā)階段。反應(yīng)發(fā)電3000小時換一次昂貴的電池堆棧，這可就不是一般的壕了！

影響氫燃料電池壽命的原因之一就是“催化劑中毒”的問題。從氫來源一節(jié)我們了解到，碳氫燃料制氫是一種成本低的大規(guī)模的工業(yè)制氫法。其中一個難以克服的就是氫氣純度問題，即使經(jīng)過了凈化，其中仍然存在0.2%的一氧化碳（CO），如此微量的一氧化碳會在鉑催化劑電極上積聚，逐步減緩燃料電池的反應(yīng)，最終使燃料電池失效。

氫燃料電池堆棧有很多技術(shù)參數(shù)，有功率、效率、功率密度、冷啟動溫度、壽命、成本等。這邊也不一一介紹了，想了解國內(nèi)氫燃料電池堆棧技術(shù)參數(shù)發(fā)展路線的請看下圖。

2，經(jīng)濟性：

汽車做為交通工具，綜合經(jīng)濟性大體分為：購車、用車、養(yǎng)車、殘值這四個方面。養(yǎng)車成本、殘值（保值率），這就不談，因為無法預(yù)見。

（1）購車成本：

燃料電池車（FCEV）的售價高是和其產(chǎn)量低有一定關(guān)系（基本處于手工打造階段），最主要還是其他系統(tǒng)復(fù)雜，燃料電池系統(tǒng)成本高，導(dǎo)致售價較高。豐田mirai在美售價5.7W美元（合約38萬人民幣）起，而同樣續(xù)航500km的特斯拉model3電動車美國售價僅為3.5W美元（合約24萬人民幣）起。在國內(nèi)氫燃料電池乘用車享有國家補貼20W元，還享有相應(yīng)的地方補貼。但國內(nèi)的氫燃料電池苦于各種技術(shù)難點，即使面對高額的補貼，鮮有企業(yè)涉足。就更談不上性價比了。

（2）使用成本：

燃油車需要加油，電動車需要充電。氫燃料電池車當(dāng)然是需要加注氫氣了。

電動車這幾年發(fā)展比較快，也可能是和油價格上漲有關(guān)。目前一輛小轎車加油成本大約0.5元/公里，純電小轎車使用家庭充電樁成本僅為0.1元/公里。而氫燃料電池車一公里需要多少錢的氫氣呢？這個答案非常的扣人心弦，我可以很明確的告訴大家——肯定大于0.1元/公里，并且和汽油車的費用相當(dāng)。

在日本加氫站的氫氣售價為1000日元/kg（約合人民幣52元）。國內(nèi)新聞報道武漢首座加氫站，號稱國內(nèi)目前最大的加氫站，運營成本也在50元/kg。1kg氫氣可以驅(qū)動轎車行駛約100km，合約每公里的費用即為0.5元。這個使用成本是和汽油車一樣的啊！也不難預(yù)測，未來氫燃料電池車的使用燃料成本應(yīng)該會低于汽油車，一方面氫氣大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)、燃料電池效率提升。最主要的還是油價格必然會保持整體上漲！

可以說氫燃料電池車想走近家庭，從經(jīng)濟性角度還是比較困難的。即使未來8~10年燃料電池車整體水平提高了。但在家庭日常通勤需求內(nèi)，續(xù)航500km以內(nèi)的乘用車依舊會以電動車為主導(dǎo)，超過500km續(xù)航以上的，或因需要大量的動力電池成本，燃料電池車才會有明顯的優(yōu)勢。

第三部分，氫燃料電池車發(fā)展前景

看了第二部分關(guān)于氫燃料電池車技術(shù)可行性和經(jīng)濟性的分析，大家應(yīng)該對于氫燃料電池車現(xiàn)狀有所了解。尤其在國內(nèi)的相關(guān)的技術(shù)還處于“嬰兒”階段。2017年國內(nèi)累計運行在1千輛左右，加氫設(shè)施12座，2018年公告車型80款 ，年產(chǎn)超1500輛?？梢哉f2017年是燃料電池車商用化的元年。比純電汽車產(chǎn)業(yè)進化進程晚了約10年。

中國能源政策的基本內(nèi)容是：堅持“節(jié)約優(yōu)先、立足國內(nèi)、多元發(fā)展、保護環(huán)境、科技創(chuàng)新、深化改革、國際合作、改善民生”的能源發(fā)展方針。

從燃料電池車（FCEV）的特點和目前國內(nèi)汽車市場現(xiàn)狀。燃料電池車在乘用車市場應(yīng)該是很難比肩純電動車的。但在純電動車適應(yīng)不佳工況，比如高寒、重載、持續(xù)行駛，這就是燃料電池車應(yīng)該重點發(fā)展的領(lǐng)域。你看某電動車為了去“燃油車能去的地方”居然被爆出百公里消耗40L柴油的新聞。如果換成氫燃料電池車，每次加氫只需要幾分鐘，并且燃料電池內(nèi)部的工作溫度就是70~90℃，這個是不是和內(nèi)燃機工作溫度很相近了?。±碚撋先∨皇鞘裁磫栴}了吧！

再例如貨車這類重載車，如果使用純電動力，不光充電速度慢續(xù)航短，就自身的電池重量就夠負擔(dān)了，再載滿貨，估計不是在充電就是在開往充電站的路上。此類重載車輛若使用氫燃料電池，成本上雖然比柴油機要高，但是對環(huán)保貢獻是非常大的，氫氣能量密度高、加氫速度快的優(yōu)點也能體現(xiàn)出來。

純內(nèi)燃機車若是被新能源取代，那么純電車應(yīng)該是代替汽油車，氫燃料電池車是代替的柴油車。這么劃分貌似就很明顯了。

還有一種存在，比如現(xiàn)在的“理想制造ONE”和概念車“比亞迪漢”這類需求，不是追求的性價比。追求的是沒有里程憂慮或者追求強大性能的時候。這類車熊主任覺得可以依舊放入容量足夠大的動力電池組，驅(qū)動性能強大的電動機，而氫燃料電池系統(tǒng)可以用來“增程發(fā)電”，實現(xiàn)充電、加氫雙能量來源。當(dāng)然電氫混合車價和“五菱宏光”完全不在同一個市場需要內(nèi)。

考慮到氫燃料電池系統(tǒng)的體積，國內(nèi)技術(shù)很難做到轎車內(nèi)，未來8~10年最多應(yīng)用到大型SUV或者皮卡中，最小也得是中大型轎車。或許10年后的今天，我們才會開始討論哪款燃料電池車更好，更具性價比吧。而實現(xiàn)二氧化碳完全0排放最理解的預(yù)計是2050年了。