推廣普及氫燃料電池汽車急需解決的問題

前言

燃料電池是一種能量轉化裝置，通（tōng）過反應過程轉化（huà）產生（shēng）能量。氫燃料電池是使用氫這種化學（xué）元素（sù），製造成儲存能量的電池。其基（jī）本原理是電解水的逆反應（yīng），把氫（qīng）和氧分別供給（gěi）陽極和陰極，氫通過陽極向外擴散和電解質發生反應後放（fàng）出電能。氫燃料電池（chí）車早在上個世紀60年代（dài）歐（ōu）美就開始研發，2014年日本豐田開始量產，但這麽多年一直沒有大規模發展開來。

近幾年來大力提倡氫氣燃料是因為，普遍認為國內純電動車用的電來自（zì）於（yú）二次能源，而（ér）一次能源的火電的原料為不（bú）可再生的煤炭和石油，火電本身不環保，又麵臨資源枯竭（jié）的危機。那麽氫燃料電池車成本如何，其安全性又如何？是否有（yǒu）量產的可能性。本論文（wén）通（tōng）過（guò）文獻研究試圖解明這些問題。

1、作（zuò）為燃料為（wéi）什麽氫氣備受矚（zhǔ）目

日本的叫做“未來”的混合動力燃料（liào）電池車，以氫（qīng）氣為（wéi）燃料這一點引起了（le）舉世矚目。氫氣作為能源備受矚目的原因有三（sān）點，一沒（méi）有資源枯竭的危機，二容易獲取（qǔ），三綠色（sè）環保。氫氣作為能源從可持續發展的角度來講非常重要，因為氫氣是最為廣泛地存在於宇宙中，在地球上取之不盡（jìn）用之不竭的物質。不會像石油等化石燃料那樣令人擔（dān）憂其（qí）終究會枯竭。第二點是容易獲（huò）取，能夠安定地供給。氫氣幾乎不作為單體存在於自然界，它往（wǎng）往以和氧（yǎng）氣結合的水，或者和（hé）碳（tàn）素結合的碳化氧的（de）形態大（dà）量存在。第三點是對維護地球環境非常重要（yào）。氫（qīng）氣通過和氧氣反（fǎn）應（yīng）可以產生電，但反應的結果隻產（chǎn）生對環境無害的水。

氫氣燃料的開發不僅（jǐn）僅是對能源自給率隻有8.3%（2016年日本資源能源廳數據）的日本具有能源安全保障的作用，對於一次性能源的60%以上都依（yī）賴於煤、石油的中國同樣具有非常重要的（de）意義。新能源的（de）開發不僅影響出行方式，還影響國家（jiā）的能源構成，更（gèng）影（yǐng）響到國家的能源戰（zhàn）略。但眾所周知，氫燃料電池車雖然具備綠色環保、加氫時（shí）間短、續（xù）航裏程長等優點，但氫氣在製造過程中也會產生二（èr）氧化（huà）碳等加劇環境負荷的物體，所以（yǐ）從整體來說，也不能完全斷定氫氣能源百分之百對環境無害。

2、氫氣燃料電池車量（liàng）產麵臨（lín）的問題

2.1 燃料電池車價格偏高

日本2014年實現了“未來”混合動（dòng）力燃料電池車（chē）的批量生產和販賣，但和其它車型相比，價格偏貴，這讓許多（duō）消費者望而卻步。“未來”的出廠價為每台723.6萬元（包（bāo）含稅費），扣除日本政府支付的新（xīn）能源車購買補助金的話，消費者實際（jì）支付500萬日元左右（相當於（yú）人民幣26萬元左右（yòu））就可購得。但即使這樣（yàng），和200萬日元至300萬（wàn）日元（yuán）的同類家用車相比價格還是偏高。對私家車保有率（lǜ）逐年減低的日本人來（lái）說，這個價格使許多消費者猶豫不決。

2.2 增加生產台數（shù）所（suǒ）麵臨的課題

燃（rán）料電池車的實用化比純電動車慢，其原因是（shì）在車輛上裝（zhuāng）載燃料電池在技術上和成本上（shàng）尚有（yǒu）難關，需要長時間的研發。即使（shǐ）實用（yòng）化了，其生產數量也不會比燃油車多，因為燃料電池量產化生產技術還存在很（hěn）多需要解決（jué）的課題。以“未來”為（wéi）例，“未來（lái）”年產量在豐田販賣的轎車中（zhōng）都占比很低。豐田2015年1月公布的生（shēng）產計（jì）劃為，2015年生產700台，2016年生產2000台，2017年生產3000台，增產速度比較緩慢。而在豐田年產超過一萬輛的車種有很多。

作為燃料電池車不（bú）能大量生產（chǎn）的攔路虎（hǔ）之（zhī）一，可以首推燃（rán）料電池電堆，電堆裏有難（nán）以處理和不容易製造的精密部件如固體高分子膜等，固體高分子膜比廚房用的保鮮膜還要薄，稍稍有點褶皺或刮傷都會被視為殘次品。

2.3 氫氣充（chōng）氣站（zhàn）有待完善

氫氣燃料電池（chí）車量產化必須解（jiě）決的關鍵問題是（shì）氫氣加氣站問題，即使（shǐ）是續航裏程和行駛環境等問題都解決了的話，如果氫氣充氣站等基礎設施不（bú）完善（shàn）的話，也（yě）很難推廣普及。

日本燃（rán）料電池實用化推進協議會（FCCJ）於2010年3月重新界定了（le）日本普及燃料電池車及氫氣充氣站的規劃，明確了增（zēng）加燃料電池車之前要（yào）先增設氫氣充氣站。但氫氣充氣站完善（shàn）的最大瓶頸是費用問題，據推算在（zài）日本設置一處氫氣充氣站的費用是5億日元，相當於（yú）設置一處汽油加油站的5倍。其成本高是因為氫氣（qì）充氣站的構造（zào）複雜，占地麵積也（yě）比汽（qì）油加油站多，選址條件嚴（yán）格，可以用於設置的場地比較（jiào）少的緣故。

投資（zī）回收（shōu）難，燃（rán）料電池車普及之前，靠賣氫氣很難收回投（tóu）資，也很難（nán）獲利。日本的經濟產業省（shěng）2014年6月曾經計劃，2015年（nián）以4大經（jīng）濟圈（首都圈、中京圈、關西（xī）圈、福岡圈）為中心，建設100處氫氣充氣站。但據日本燃料電（diàn）池（chí）實用化推進協議會（FCCJ）網（wǎng）站公（gōng）布的數據，2016年1月，日本國內的商用氫（qīng）氣充氣站隻有（yǒu）35處，隻達到了2014年計劃的3分之（zhī）1。

3、燃料電池車價格偏高的原因

3.1 燃料電池車價格偏高

“未來（lái）”混合（hé）動力燃料電池車的價（jià）格偏高，主要是由於燃料電池車的特殊性引起的。燃料電池（chí）車的動力傳（chuán）動係中的燃料電池和電機等，使用的都是價位高的零部件，這是抬高（gāo）了成本的（de）主因。

3.2 燃料電池價位偏高

燃料電池在動力（lì）傳動係中是特（tè）別高價的（de）零（líng）件。燃料電池價格高的原因一是其構造特殊，二是電池堆中使用了昂（áng）貴的原材料。電池堆中昂貴的原材（cái）料包括觸媒（méi）、質子交（jiāo）換（huàn）膜（mó）和（hé）分離器（separator）。觸媒和質子交換膜在（zài）持續發揮其性能的同時，還要求其具有抵禦電堆內部嚴酷環境的性能。發（fā）電過程（chéng）中的電堆內部，因化學反應產生的熱量會升溫至80度（dù），同時（shí）會產生氫離子遊離形成的強酸性水、空氣極生成（chéng）的過氧化氫等。觸媒是組件中價位最高（gāo）的零部件，因其必須使用昂（áng）貴的白金，目前還沒有找到替代材料。盡管日本的各個（gè）研究部門為（wéi）減少白金（jīn）的（de）使用量做著各種嚐（cháng）試（shì），但目前尚未（wèi）找到可以替代白金的比較便宜的替代材料，白金的使用是觸媒高價（jià）的主因。像白金那樣的兼具良好傳媒性能和安定的化學性能的材料還尚（shàng）未被發現，但安定的化學性能是耐強酸性水（shuǐ）所必須具備的性能。

質子（zǐ）交換膜要求具有保持氫離子的高傳導性能、耐強（qiáng）酸性水、耐過氧化氫（qīng）及耐80度（dù）左右高溫的性能。但具有（yǒu）上述性能的高（gāo）分子材料，數量極其有（yǒu）限，因而價格昂貴。具有代表性的固體高分子膜是全氟磺酸質子交換膜，現在市場上除了美國的杜邦公司的Nafion膜、Dow化學公司（sī）的（de）Dow膜之外，還有日本Asahi Chemical公（gōng）司的Aciplex膜和Asahi Glass公司的lemion膜等，但都存在成本和性能問題。

比全氟磺酸質子交換膜成本低的固體高分子膜的開發也有進展，但至今為止還沒有超越全氟磺酸質子交換膜性能的新材料。

分離器（separator）是難以選材和難以成形的零部件。分離器（qì）在（zài）遮斷（duàn）組件間（jiān）流（liú）動的氣（qì）體（tǐ）、確保組件內的通路通暢的同時，還要通電、散熱、耐強酸。能滿足上述條件的材料極其有限，即使有也成本高，難以加工。現在已經研發出低成本且製造容易（yì）的金屬製（zhì）和碳素製的分離器，“未來”的電堆中已使用鈦金屬分（fèn）離器。

3.3 電動機價位（wèi）偏高

電動（dòng）機也是（shì）價位高的零部件。汽車驅動用電動機主要使用永久磁石同期電動機，永久磁石同期電動機是易於維修保養的交流電動機的一種，在確保高出力的同時，具（jù）有可（kě）進一步小型化、輕量化的優點。

永久磁石同期電動機價格高是因為其構造（zào）特殊。在（zài）其內部的（de）旋轉部分，即轉子上使用了釹磁石。釹是目前能發揮最強磁性的，可使永久磁（cí）石同期電動（dòng）機實現小型化、輕量化（huà）的重要材料，但這種材料非常稀貴。釹（Nd）和鏑（Dy）被稱作稀土，大部分（fèn）都埋藏於中國境內，日本等國為（wéi）了尋求替代釹（nǚ）磁石的永久磁石正在加大研（yán）發力度。

3.4 削減燃料電池車成本的（de）相關努力（lì）

一（yī）方麵是削減高價零部件的成本，另（lìng）一方麵是借用混合動（dòng）力車的混合動力組合（hé）技術。豐田等廠（chǎng）家（jiā）研發（fā）混合動力車的批量生產和性能改良，已有20多年（nián）的曆史，如果（guǒ）能把混合動力組合技術應用到燃料電池車上的話，就能（néng）減低成本，增加汽（qì）車性能的穩定性（xìng）。但據說當時“FCHV-adv”並沒能把這項技術很好地應用到燃料電池車上，隻借用了驅動用電池的技術。因為當時沒能突破混合電動車中“能量控製組合”及“電機”和燃料電池的（de）電壓不一致的問題。而“未來”則應用了混合（hé）動力車的驅動用電池、能量控製組合、電機技術，並導入FC升壓轉換器，使燃料電池供應的電壓提高到了混合動力車的電壓（yā）。

4、氫燃料使用過（guò）程中安全措（cuò）施

4.1 怎樣充填壓縮氫氣

向燃料電池車裏補充氫氣時（shí），需要（yào）到“氫氣加氣站”，就像往燃油車裏加（jiā）油時要到加油站一（yī）樣。隻是充（chōng）氫氣時充氣軟管和車身充填口接觸部（bù）分有金屬接口，需（xū）要把金屬接口對準充填口處的螺絲，旋緊螺絲（sī）以防漏氣。因為充填70MPa（約700氣壓）的高壓（yā）氫氣，需嚴防漏（lòu）氣。

以“未來”為例，充氣（qì）3分鍾能往高壓氫氣罐裏充填5公斤的氫氣，大約能（néng）行駛650公裏。這和燃油車每次加油的時間和行駛距（jù）離（lí）大致是相同的。

為什麽要充填壓縮氫氣呢？為（wéi）了延長每次充（chōng）氣後的續航距離，又不增加容納（nà）氫氣的空間。如果能充填比壓縮氫氣密度更大的液態氫的話，相同容量的儲氫（qīng）罐（guàn）就能存儲更多的氫（qīng）。

4.2 為什麽目前都使用壓（yā）縮氫氣

批量生產和販賣的燃料電（diàn）池車“未來”的氫氣（qì）罐（guàn）是低成本（běn）輕量版的儲氣罐，如果把液態氫充填到儲氣罐裏的話，雖（suī）然能充填比壓（yā）縮氫氣更多的氫，但必須提高儲氫罐的隔熱性，添置冷（lěng）卻器等。氫氣如果不在沸點以下的極低溫狀態（常壓下零下（xià）253度）保存的話，就不能保持液體狀（zhuàng）態。

如果在儲（chǔ）氫罐裏放入氫吸藏合金的話，就能儲藏比液態氫更低壓的氫。氫吸（xī）藏（cáng）合金是能吸附和儲藏氫的合（hé）金，隻是氫吸藏合金（jīn）本身非（fēi）常昂貴，還需要能保持吸藏狀（zhuàng）態的溫度管理裝置。填充壓縮氫氣的高壓氫氣儲（chǔ）藏罐，不需要隔熱性和溫度管理，可以使用塑膠，所（suǒ）以（yǐ）非常輕。

4.3 高壓氫氣儲藏罐的安全性（xìng）

倡導新能源車的（de）人經常說，燃油車要（yào）裝（zhuāng）載著的汽油行駛，非（fēi）常危險。那麽燃料電池車裝載著5公斤的氫氣行駛就不危險嗎？萬一發生追尾（wěi）事故，車（chē）輛變形，高壓氫氣儲氫罐破（pò）損氫氣外泄怎麽辦？

就（jiù）高壓氫氣儲（chǔ）藏罐安全問（wèn）題，汽車生產企業也做了各種嚐試，以“未來”為例，使用了既輕體又抗衝擊的強壓氫儲存罐。氫氣儲存罐為三層構造，表麵一層（最外側）是玻璃（lí）纖（xiān）維，中層由包裹了飛（fēi）機上也使用的碳素纖維的（de）強化塑膠組成，增強了強度和耐久性。

萬一遇到追尾等車身被強烈撞擊的情況，車身也會吸收衝擊，被設計成能保護（hù）後方高壓氫氣罐的構造。另外，高壓氫氣儲存罐的閥（fá）門，在檢測和感（gǎn）知到衝擊時會自（zì）動關（guān）閉（bì），遮斷氫氣的流動。

4.4 氫氣自身的安全性

氫（qīng）氣是無色無味透明的氣體，其存在用肉眼難以確認，用（yòng）感官無（wú）法對（duì）其泄露有所警覺。在這種情況下要防止其出事故，必須要在機械及結構方麵保證它是安全的。所以總有人擔憂是否會因故失火引（yǐn）發爆炸。令人感知氫氣危險性的有2011年3月在日本（běn）福島核電（diàn）站發生的爆（bào）炸，東京電力公司表示，經認定福島第一核電站1號機組和3號機組發生的爆炸都是（shì）氫（qīng）氣爆炸。而1937年5月6日發生的（de）20世紀（jì）最嚴重的飛船事故——興登堡飛船事故，就是因為當時美國禁止出售氦氣給德國（guó），興登（dēng）堡采用了極易發生爆炸的氫氣。

但不隻（zhī）是氫氣，汽油也存（cún）在危險（xiǎn），由於兩（liǎng）車相撞等致使（shǐ）燃料（liào）存儲箱中的汽油被引著，車身被燃燒的事故（gù）也時有報道。如果認識到氫氣和汽油具有同樣的性質的話，就（jiù）能夠安全使用（yòng）氫氣。氫氣的比重隻（zhī）有空氣（qì）的14分之1，萬一泄漏了也會向更高（gāo）的（de）空中擴散。因此很難形成失火或（huò）爆（bào）炸的濃度，即使失火也不會像汽油（yóu）那樣在地麵或平麵上蔓延開。

4.5 氫氣的價格

燃（rán）料費作為運行成本在車輛使用中占有很大的比例，不可小覷。氫氣根（gēn）據製造方法的不同，價格也不同。在日本截（jié）止到2015年1月（yuè）能源業界代表性的三大企業（yè）公布的價（jià）格為，1kg氫氣售價約為1000至1100日（rì）元（含稅金）。以“未來”為例，充滿儲氫罐需充填5kg氫氣（qì），如果氫氣的（de）市場價格為1100日元/kg的話，充一次氫（qīng）氣需要5500日元，充滿（mǎn）氫氣後可行駛650km。如果（guǒ）燃油車行駛（shǐ）650km的話，通常需要（yào）加滿一箱汽油，汽油（yóu）的價格是不斷變動的（de），不太容易比（bǐ）較。但如果按1L120日元計算（suàn）的話，加滿一箱油一般（bān）需要45L汽油，約4500日元，這和氫氣的（de）價格差距不是很大。

5、結（jié）束語

從能源的利（lì）用和環境保護方（fāng）麵（miàn）看，燃料電池汽車是一種理想的（de）車輛。但（dàn）需（xū）要解決的重要（yào）問題（tí）是，如何合理控製製氫成本（běn）和建立社會網絡化的儲氫站，如何解決大規模製氫、儲氫、輸氫和注氫等環節的安全問題。氫氣真正（zhèng）的問（wèn）題是難以儲存，目前，燃料電池儲氫方式有三（sān）種，高壓儲氫、液氫、金屬氫化物。液態氫氣對金屬有很強烈（liè）的（de）腐蝕性，由於氫氣分子太小會滲透（tòu）鋼鐵的晶格。最安全的算是（shì）金屬氫化物即儲（chǔ）氫合金了，但是這類金屬幾乎全是稀貴金屬，價格直逼黃金，成本太高導（dǎo）致它（tā）無法大規模（mó）投入使（shǐ）用。

而（ér）中國在氫（qīng）燃料電池堆及其關鍵材料領域雖然已經初步形成產業鏈，但技術成熟（shú）度和日本、德國等國家比（bǐ）較差距較大。目前國內具有完全自主知識產權的電堆，無論在（zài）性能上還是使用（yòng）壽命上，與國外水（shuǐ）平相比還存在較大距離。在氫燃料電池關鍵材料和（hé）其他零部件方麵，如（rú）催化劑、質子交換膜、空壓機、氫（qīng）循環泵等也與國外水（shuǐ）平相差較遠。有能力配套的企業少，技（jì）術水平較低，大（dà）多屬於空白（bái）或尚未成熟，需要采用進（jìn）口（kǒu）材料。一些關鍵（jiàn）零部件（jiàn）被少數企（qǐ）業壟斷，價格極高。雖然看起來困難重重，但氫（qīng）燃料（liào）車作為新能源汽車，不論是在國內還是國（guó）外（wài），都得到了（le）大力的扶持。