一文解读燃料电池的优势及发展

在国际上，燃料电池在或早或晚的时候，几乎被那些主流汽车品牌都研究了一个遍，但是最后生下来把燃料电池车量产并“圈地”试用的，眼下只有丰田和本田这两个日本汽车品牌。

燃料电池离我们有多远？可能情况并不像我们想的那么乐观

一周前，车云菌参加了一个关于燃料电池的论坛，在听了业内专家对燃料电池这个行业的分析并观摩了行业成果后，左右权衡了一个星期，写了下面这些文字。

燃料电池能解决现阶段“新能源”的痛点吗？

如果说现在的电动车能像汽油车一样，在几分钟之内就能充满电的话，那可能满大街跑的电动车就会让我们目接不暇了。但事实上，正是因为电动车充电速度慢、续航里程较短且市区内的充电桩并不那么方便使用的原因，我们现在才要在电动车之外，继续提出一个燃料电池车的技术路线。

丰田燃料电池车Mirai的构造图丰田燃料电池车Mirai的构造图

在国际上，燃料电池（本文以后提及的所有燃料电池，均默认为氢燃料电池）在或早或晚的时候，几乎被那些主流汽车品牌都研究了一个遍，但是最后生下来把燃料电池车量产并“圈地”试用的，眼下只有丰田和本田这两个日本汽车品牌。

相比于传统的燃油车（关于燃料电池的工作原理在网上资料很多，车云菌这里就不赘述了），燃料电池车最大的优势就是清洁、安静和高效率（一般燃料电池系统的效率可达40%-60%），其使用氢气（H2）作为燃料，通过化学反应生成电来驱动车辆，而最终生成物只有纯水（只要排水管道足够干净，这些水都可以直接饮用）。

相比于纯电池车，燃料电池车也可以像传统燃油车一样，在加气站迅速加满氢气燃料而不需要慢慢地等电池充满；同时，只要气罐的容积足够大，耐压标准足够高，燃料电池储满高压氢气一口气跑500公里以上都不是问题；此外，相比于电池车在达到使用年限后，在眼下还没有找到出路的电池回收问题，燃料电池技术却可以保证整个系统的回收再利用。

不过、既然燃料电池有这么多的好处，那为什么没有大行其道呢？这其中一定有缘由！

1、现阶段燃料电池系统技术复杂，体积较大

在燃料电池中，质子交换膜和基板是燃料电池的两个核心组成部分（这两个零部件直接决定了燃料电池的寿命），由于燃料氢气需要依靠这两个部分来发生化学反应，生产出驱动电机的“电子”，这就意味着燃料电池从开始工作到顺利生产出“电”来，中间存在一个时间迟滞（目前国产的燃料电池，可以把这个滞后控制在10秒左右），考虑到车辆不可能在踩下油门踏板10秒钟之后才起步，所以燃料电池车必须像电动车一样，搭载一块相对小一点儿的储能电池。

质子交换膜质子交换膜

碳基复合板碳基复合板

这就意味着，凡是电动车上必须的设备（包括给电池系统降温的散热器），燃料电池车上也都必须有，这就决定了燃料电池车的技术相对更加复杂。而且，由于燃料电池的燃料气罐不能像电池车的电池组那样容易控制形状，因此燃料电池车必须给高压气罐设计一个适合储存的安全位置（通常做法是设计在后排乘客的屁股底下）。

2、燃料电池的制造成本在逐步降低，但依然很高

由于燃料电池对贵重金属（铂金）的需求较高，且国内能生产燃料电池两个核心组成部分的企业很少（国内只有山东东岳实现了质子交换膜的关键技术突破，国际上有3M和杜邦等公司可以生产高标准的膜产品），所以从国际和国内两个角度来讲，现阶段燃料电池的制造成本降不下来，直接导致燃料电池的发电成本也居高不下。

氢璞的燃料电池电堆氢璞的燃料电池电堆

2006年，奔驰在北京投放的燃料电池大巴，单车造价超过1000万人民币，而眼下国内一辆商用燃料电池车的电池系统价格达到了80-90万人民币，折算下来，预计国内燃料电池行业每千瓦的成本也在1000-2000美金左右，相比较丰田公司的燃料电池成本在100-200美金/千瓦的水平，国内燃料电池的技术水准和制造工艺依然有很大的提升空间。

3、眼下国内缺少适宜乘用车使用的燃料电池技术

对燃料电池来说，根据基板材质的不同，可以分为几个不同的种类。

碳基复合板——以碳为主要材质做成的基板，此类基板组成的燃料电池（下图）有稳定、导电导热性好的特点，但由于碳基板相对较厚（为保证强度），所以相应的燃料电池组尺寸也同步增大，这就导致了能量密度的降低，使这类基板组成的燃料电池系统，只能用于一些对体积要求不高的商用车（客车或货车）。

金属复合板——以金属材质构构成的基板，具有强度高，单片薄和低温启动速度快的特点，这就允许燃料电池组（下图）更易实现轻量化，更高的能量密度（比碳基板提高至少50%）和反应速度。但是由于金属复合板在燃料电池的工作环境中不耐腐蚀，寿命短，发热稳定性不好，工作时表面电阻大，所以以金属复合板构成的燃料电池系统对技术的要求更高。

钛板——用金属钛制成的燃料电池基板，融合了以上碳复合基板和金属复合板燃料电池的诸多优点，但唯独在成本这一方面上做不到喜大普奔，所以用钛板打造的燃料电池系统，只能用在不差钱的行业上，比如驱动一架造价不菲的无人机（绝非大疆之流）。

眼下，丰田和本田给自己燃料电池车使用的燃料电池组均属于金属复合板，而国内此类燃料电池系统的生产工艺、成本控制和性能方面，与这两个日系品牌的产品还存在不小的差距，所以目前国内相对较为成熟的燃料电池系统（碳基复合板为主），都只能应用在一些大型商用车上，而少有给乘用车使用的燃料电池组。不过车云菌在此次燃料电池会议上得知，国内像氢镤这样在燃料电池领域居于技术前沿的公司，有望在未来几年生产出具有竞争力的金属复合板燃料电池。

4、氢气的制取和运输都是难题

任何一种能源能被社会广泛接受，从人性的层面来说，都是“产业链成本”的胜利，化石燃料能大行其道，是其在勘探、开采、提炼、运输、消费和使用层面的综合成本达到了“业内最低”，因此，想讨论燃料电池的可行性，就必须系统性的讨论它的系统成本。

虽然燃料电池在使用层面的环保成本很低，但燃料氢气的制取却是横亘在我们眼前的一座大山。虽然我们可以通过煤制氢、化工制氢、水电和风电制氢这些“边际办法”来获得一部分氢气，可一旦燃料电池系统（车）在社会中的使用量达到一定量级，大工业化制氢是唯一的解决办法。可一旦我们为了氢气而制氢，那么相比于化石燃料来说，燃料电池产业的系统成本是不是还具有优势，我们就不得而知了。

目前大型客车使用的35兆帕储氢罐目前大型客车使用的35兆帕储氢罐

此外，氢气的运输和保存，是个必须要认真研究的问题。就一辆氢燃料电池车来说，眼下我国对氢气罐制定的国标是35兆帕标准，这个压力标准对燃料电池组来说并不能帮助后者获得具有竞争力的续航能力（能量密度），但是更进一步的70兆帕国标，目前还是空白。

此外，氢气是一种非常特别的气体，第一是因为它的易燃性：在空气中，只要氢气的体积浓度介于4.1%～74.2%之间，这时就可能会发生爆炸，所以氢气在运输和加注过程中，对泄漏的控制肯定要比汽油严格得多，这就意味着加氢站不能像充电桩那样建好就不用管了，而必须有专人照看和维护。

其次，氢气（H2）是一种分子体积非常小的气体，这就允许它具有极强的渗透性。常温下氢气可透过橡皮和乳胶管缓慢泄露，在高温下可透过钯、镍、钢等金属薄膜泄露出去，所以相比较于加油站的加油机和储油罐来说，想把燃油换成氢气（还不是液态氢气），需要的改动不是一星半点的工作。

国内燃料电池车的未来在哪里？

说句不大客气的话，如果没有政策补贴存在的话，国内的燃料电池研究和电动车研发，可能都要晚很多年才会出现。

根据眼下政策补贴策略和国内燃料电池技术的特点，若干年内国内推进燃料电池商用车的示范应用还是可行的，因为一来这样燃料电池汽车的生态闭环可以限定在一个很小的范围内“试运行”，政策补贴在这个小圈子内也可以发挥最大的效果，且预料之外的特殊情况比较少。

从长久来看，燃料电池乘用车产业，将会遇到比电动车更为直接的“先有鸡还是先有蛋”的问题——燃料电池车的加氢设备相比于汽油车的加油设备和电动车的充电桩来说，对操作人员技术水平和设备工艺的要求都高，因此加氢站的运营商更乐意看到燃料电池车达到一定数量之后才肯投入，而对于燃料电池车的消费者来说，肯定是周围生活区域内存在可以使用的加氢站之后，才会考虑买燃料电池车。

因此，想解决这个“先有站还是先有车”的两难问题，在未来行政手段和产业链的市场运作是必不可少的两把推手；当然，贯穿其中的，必须是越来越低的燃料电池全产业链成本（包含制氢和使用成本）。只有不断降低的综合成本，才有可能让这个产业在传统化石燃料和纯电动技术中间，稳固住自己的阵地。