燃料電池的優(yōu)勢

發(fā)展新能源汽車的最終目的是實(shí)現(xiàn)零污染零排放，達(dá)成這一目標(biāo)的途徑是多種多樣的，其中最主要的兩種是純電動和燃料電池。我國主推的是純電動汽車，目前產(chǎn)銷量和增長速度均位居世界第一。而我們的鄰居日本則對燃料電池汽車青睞有加，對燃料電池技術(shù)的研發(fā)和加氫站的建設(shè)都走在了世界的前列。

最近，豐田、本田、日產(chǎn)等11家日本公司宣布達(dá)成協(xié)議，將合作成立新公司，大規(guī)模戰(zhàn)略布局燃料電池車加氫站。這11家公司里，既有汽車巨頭，又有能源巨頭，還包括金融機(jī)構(gòu)，覆蓋了整條燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈的上下游。

2017年10月，豐田開始啟動氫燃料電池車Mirai在中國的實(shí)證實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，豐田還在中國常熟建成了一座70MPa加氫站。

日本車企不但在日本國內(nèi)大力推進(jìn)燃料電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，還積極向海外擴(kuò)張。豐田和本田先后在中國投放了燃料電池汽車Mirai和ClarityFuel Cell進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證。

燃料電池有何優(yōu)勢，讓日本企業(yè)青睞有加呢？

一、燃料電池的優(yōu)勢

在前不久舉行的2017東京車展期間，我們?nèi)骟w驗(yàn)了豐田的燃料電池汽車Mirai。隨后，我們又試駕了本田的燃料電池汽車Clarity Fuel Cell。對于燃料電池的優(yōu)勢，我們有很深的體會。

豐田的Mirai是世界上第一款真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的燃料電池汽車，它的售價(jià)為723.6萬日元，另可獲得200萬日元的補(bǔ)貼。在Mirai之前，也有量產(chǎn)的燃料電池汽車，但是一般消費(fèi)者只能租賃，無法購買。

燃料電池才是未來？ 日本試駕豐田Mirai

在日系車企中，豐田對燃料電池汽車的投入最大，本田次之。本田早在1996年就開始了對燃料電池技術(shù)的研究，推出過多款技術(shù)驗(yàn)證車型。Clarity Fuel Cell是本田首款正式銷售的燃料電池汽車。

終極環(huán)保 解析本田Clarity燃料電池汽車

用最簡單的話來描述燃料電池動力系統(tǒng)：用氫氣儲能，用燃料電池堆發(fā)電，用電機(jī)驅(qū)動。所以燃料電池有3大優(yōu)勢：能量密度高、補(bǔ)充能量快、行駛安靜平順。

一輛汽車行駛500km，大約需要37L燃油、6kg氫氣或者100kWh的電能，不同儲能介質(zhì)和設(shè)備的體積重量差別很大。鋰電池的能量密度最小，燃料電池則介于鋰電池和燃油之間。

單純比較同等能量燃油和氫氣的重量，氫氣還要更輕一些。但是儲存氫氣需要高壓儲氫罐，而儲存燃油只需要簡單的油箱。從整套儲能系統(tǒng)的角度來看，氫氣相比燃油還有不小的劣勢，但比起鋰電池還是有巨大的優(yōu)勢。同時(shí)，隨著技術(shù)的進(jìn)步，如果今后能用上150MPa甚至更高壓的儲氫罐，那么燃料電池的能量密度還將大幅提升。

燃料電池相比鋰電池的另一大優(yōu)勢是補(bǔ)充能量非?？?。燃料電池汽車加注氫氣只需要大約3分鐘，就可以行駛500km，方便程度和燃油車差不多；而電動汽車即使是快充也需要1個(gè)小時(shí)以上。

燃料電池汽車最大的優(yōu)勢是加氫非?？臁Ｒ载S田Mirai為例，它加滿5kg氫氣只需要3min，可行駛500km。純電動汽車的充電速度要達(dá)到這一水平，需要在3min內(nèi)充電80kWh，相當(dāng)于充電功率達(dá)到了1500kW。以目前的技術(shù)來看，這樣巨大的充電功率只存在于試驗(yàn)室里，要實(shí)現(xiàn)商用化基本是不可能的。

燃料電池系統(tǒng)的主要作用是儲能和發(fā)電，驅(qū)動車輛前進(jìn)的是電動機(jī)。所以在行駛性能上，燃料電池汽車和純電動汽車是完全一樣的，它們都很安靜、平順，起步都非?？臁?/span>

純電動汽車的支持者都非常推崇電動機(jī)帶來的簡潔高效、安靜平順的駕駛體驗(yàn)。燃料電池汽車同樣由電動機(jī)驅(qū)動，所以它也具備純電動汽車在行駛性能方面的優(yōu)勢。同時(shí)，燃料電池汽車還解決了純電動汽車上電池太重太大、充電時(shí)間太長的缺點(diǎn)?？雌饋恚剂想姵仄囁坪跏峭昝赖男履茉雌?，那它為何沒能成為當(dāng)下的主流呢？

燃料電池的技術(shù)難點(diǎn)

二、燃料電池的技術(shù)難點(diǎn)

人們對純電動汽車有所詬病的地方，在燃料電池汽車上都得到了完美的解決。那么為何燃料電池還沒有成為新能源技術(shù)的主流呢？技術(shù)上的諸多難點(diǎn)是一個(gè)重要的原因。

為了配合阿波羅登月計(jì)劃，研發(fā)適合月球車的動力系統(tǒng)，通用在1966年推出了世界上的首款燃料電池汽車ELECTROVAN。

ELECTROVAN的貨倉被儲氫罐、儲氧罐、燃料電池堆所占據(jù)（為了應(yīng)對月球上的環(huán)境，必須配有儲氫罐），整套動力系統(tǒng)的重量達(dá)到了1655kg，整車重達(dá)3220kg。

ELECTROVAN實(shí)在太重，而它的燃料電池堆功率又太小，導(dǎo)致這輛車從靜止加速到100km/h需要長達(dá)30s的時(shí)間。另外，貨倉被燃料電池系統(tǒng)占滿，讓它幾乎沒有實(shí)用性可言。在ELECTROVAN誕生后的幾十年里，燃料電池一直在沉寂之中，它面臨兩大挑戰(zhàn)：減小整套系統(tǒng)的重量和體積、提升燃料電池堆的功率。直到最近十年，燃料電池才重新走入了人們的視野。

日系廠商在燃料電池技術(shù)上走在了世界的前列。豐田Mirai、本田ClarityFuel Cell均在不影響車內(nèi)空間和實(shí)用性的前提下實(shí)現(xiàn)了不錯(cuò)的性能和長距離的續(xù)航里程。

以豐田Mirai為例，它的燃料電池堆重量僅56kg，體積僅37L，輸出功率卻達(dá)到了114kW。同時(shí)，它采用了70MPa的儲氫罐，可以在有限的體積內(nèi)容納更多的氫氣，實(shí)現(xiàn)更長的續(xù)航里程。

雖然日系廠商在燃料電池技術(shù)上取得了不小的突破，但是在新能源汽車最大的市場——中國，燃料電池技術(shù)依然非常落后。

按中國目前的燃料電池技術(shù)，要把一套燃料電池系統(tǒng)放進(jìn)一臺常規(guī)的乘用車?yán)飭栴}不大，但是性能就比較難讓人滿意了。圖為2017上海車展上一家中國公司展出的燃料電池汽車。

這臺車所采用的燃料電池堆尺寸為846mm×421mm×364mm，重量90kg，輸出功率30kW。和Mirai的燃料電池堆相比，它的體積大了250%，重量重了61%，功率卻只有Mirai的26%。

另外，在儲氫罐方面，中國目前還造不出70MPa的產(chǎn)品，國產(chǎn)燃料電池汽車采用的都是35MPa的儲氫罐。為了保證續(xù)航里程，儲氫罐的體積很大，所以國內(nèi)的燃料電池汽車以大巴為主。

在11月份舉行的2017廣州車展上，上汽大通的FCV80燃料電池汽車正式上市，售價(jià)為130萬元，補(bǔ)貼之后售價(jià)30萬元。FCV80是國內(nèi)第一款正式上市銷售的燃料電池汽車。

通過上汽大通FCV80，我們可以更加直觀地看到中日燃料電池技術(shù)之間的差距。打開FCV80的尾門，我們可以看到儲氫罐占據(jù)了車尾相當(dāng)大的空間，影響了實(shí)用性。這就是35MPa儲氫罐帶來的劣勢。

在底盤下方，還有一塊體積很大的鋰電池組。FCV80的電池容量達(dá)到了14.3kWh，而日系燃料電池汽車的鋰電池容量往往只有1kWh左右。這是因?yàn)橹袊娜剂想姵囟压β什粔?，需要鋰電池來補(bǔ)充。

中國的燃料電池堆輸出功率較小，一般只有不到50kW，而電動機(jī)的功率往往超過100kW。也就是說，當(dāng)你全力踩下加速踏板，電動機(jī)無法全力輸出，因?yàn)槿剂想姵囟烟峁┑碾娏魇遣粔虻?。那怎么辦呢？只好增加一塊大容量的電池，來補(bǔ)充額外的電流。

日系廠商在燃料電池技術(shù)上一騎絕塵，顯然影響到了其他國家研發(fā)和推廣燃料電池的熱情。2015年，豐田宣布開放5680項(xiàng)燃料電池方面的專利。不過這些專利對中國企業(yè)的幫助似乎不大。

中國是否該發(fā)展燃料電池

三、燃料電池適合中國嗎？

前面說到的是燃料電池在技術(shù)方面的難點(diǎn)。如果國家真的要大力發(fā)展燃料電池，那么我相信這些難點(diǎn)在幾年內(nèi)是可以被攻克的。但是要推廣燃料電池，面臨的困難不僅僅是技術(shù)方面的，更多的挑戰(zhàn)在于產(chǎn)業(yè)鏈的上下游，包括氫氣的生產(chǎn)和運(yùn)輸、加氫站的建設(shè)。

日本的燃料電池產(chǎn)業(yè)之所以強(qiáng)大，是因?yàn)樗鼈兒茉缇痛_立了氫能源社會的長遠(yuǎn)規(guī)劃。日本是目前世界上唯一在家庭中大范圍使用燃料電池的國家，從2002年開始，日本就陸續(xù)發(fā)布了許多促進(jìn)氫燃料電池發(fā)展的政策。日本在燃料電池汽車方面的領(lǐng)先，是整個(gè)國家發(fā)展戰(zhàn)略的產(chǎn)物。

在日本燃料電池汽車上市不過3年，而普通家庭使用氫能源已近10年。ENE-FARM家用熱電共生系統(tǒng)利用天然氣提取氫氣，注入燃料電池中發(fā)電，再用發(fā)電時(shí)產(chǎn)生的熱能來供應(yīng)暖氣和熱水。

ENE-FARM系統(tǒng)于2009年上市。到2015年，價(jià)格下降了一半，裝機(jī)量超過14萬臺。ENE-FARM系統(tǒng)帶動了氫氣的生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)的發(fā)展，為日本推廣燃料電池汽車提供了前提條件。

在日本，氫氣的來源很環(huán)保，主要是工業(yè)廢氣和風(fēng)力發(fā)電電解水制氫。

氫氣制備完成后，需要壓縮、灌裝，然后運(yùn)輸?shù)郊託湔尽?/span>

氫氣的運(yùn)輸也是整個(gè)燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈當(dāng)中的關(guān)鍵一環(huán)。圖中這種運(yùn)輸車的儲氫罐壓力為45MPa，相比Mirai上70MPa的儲氫罐，成本會低不少，它一次可以裝載24.3kg的氫氣。

日本的加氫站建設(shè)也走在了世界的前列。我們在試駕豐田Mirai的過程中，體驗(yàn)了一次加氫服務(wù)，感覺還是非常方便快捷的。

截止2017年8月，日本已建成的加氫站達(dá)到了91座。日本政府計(jì)劃在2020年把加氫站的數(shù)量提升至160座，在2025年達(dá)到320座。

近100座加氫站對日本這個(gè)國家來說并不多。不過單看東京都地區(qū)，加氫站已經(jīng)稱得上密集了，滿足日常使用的需求完全沒有問題。

相比日本，中國發(fā)展燃料電池有優(yōu)勢，也有劣勢。優(yōu)勢在于，中國的風(fēng)電資源豐富，但風(fēng)電不夠穩(wěn)定，很多電能沒有進(jìn)入電網(wǎng)，而是浪費(fèi)了。但是用風(fēng)電來電解水制氫，則是非常合適的。

但是，中國幅員遼闊，氫氣的運(yùn)輸是個(gè)大問題。一輛半掛油罐車可以運(yùn)輸30t左右的燃油，換成氫氣，卻只能容納數(shù)百公斤。同時(shí)，高壓設(shè)備成本不菲，加氫站的建設(shè)更是需要耗費(fèi)巨資。

更重要的是，中國有強(qiáng)大的電網(wǎng)，但沒有日本那樣長遠(yuǎn)的氫能源社會規(guī)劃。對中國來說，電的問題好解決，氫的問題不太好解決。

目前純電動依然是新能源的主流，但是日本在燃料電池方面的努力也是我們應(yīng)該注意的。

我們應(yīng)該看到，中國在純電動方面有一定的優(yōu)勢，但是這種優(yōu)勢非常脆弱，它并非基于技術(shù)的領(lǐng)先，而是得益于政策的扶持。而在燃料電池領(lǐng)域，中國則大幅落后于世界先進(jìn)水平。日本車企要做出一款優(yōu)秀的純電動汽車是非常容易的事情，但是中國車企在目前則沒有制造優(yōu)秀燃料電池汽車的能力。

從中國的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)來看，發(fā)展燃料電池并不是一種非常經(jīng)濟(jì)的選擇，我們不必向日本一樣押注燃料電池。但是，新能源產(chǎn)業(yè)的路線之爭還未塵埃落定，中國的新能源企業(yè)有必要未雨綢繆，對燃料電池技術(shù)進(jìn)行持續(xù)的研發(fā)。

編輯點(diǎn)評：燃料電池雖好，但是不一定適合所有國家。綜合各方面來考慮，中國目前選擇了純電動汽車這條路。但是我們也應(yīng)該持續(xù)關(guān)注、研究其他的新能源技術(shù)，做好足夠的技術(shù)儲備。

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