前言

燃料電池是一種能量轉(zhuǎn)化裝置，通過(guò)反應(yīng)過(guò)程轉(zhuǎn)化產(chǎn)生能量。氫燃料電池是使用氫這種化學(xué)元素，制造成儲(chǔ)存能量的電池。其基本原理是電解水的逆反應(yīng)，把氫和氧分別供給陽(yáng)極和陰極，氫通過(guò)陽(yáng)極向外擴(kuò)散和電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)后放出電能。氫燃料電池車(chē)早在上個(gè)世紀(jì)60年代歐美就開(kāi)始研發(fā)，2014年日本豐田開(kāi)始量產(chǎn)，但這么多年一直沒(méi)有大規(guī)模發(fā)展開(kāi)來(lái)。

近幾年來(lái)大力提倡氫氣燃料是因?yàn)?，普遍認(rèn)為國(guó)內(nèi)純電動(dòng)車(chē)用的電來(lái)自于二次能源，而一次能源的火電的原料為不可再生的煤炭和石油，火電本身不環(huán)保，又面臨資源枯竭的危機(jī)。那么氫燃料電池車(chē)成本如何，其安全性又如何？是否有量產(chǎn)的可能性。本論文通過(guò)文獻(xiàn)研究試圖解明這些問(wèn)題。

1、作為燃料為什么氫氣備受矚目

日本的叫做“未來(lái)”的混合動(dòng)力燃料電池車(chē)，以氫氣為燃料這一點(diǎn)引起了舉世矚目。氫氣作為能源備受矚目的原因有三點(diǎn)，一沒(méi)有資源枯竭的危機(jī)，二容易獲取，三綠色環(huán)保。氫氣作為能源從可持續(xù)發(fā)展的角度來(lái)講非常重要，因?yàn)闅錃馐亲顬閺V泛地存在于宇宙中，在地球上取之不盡用之不竭的物質(zhì)。不會(huì)像石油等化石燃料那樣令人擔(dān)憂其終究會(huì)枯竭。第二點(diǎn)是容易獲取，能夠安定地供給。氫氣幾乎不作為單體存在于自然界，它往往以和氧氣結(jié)合的水，或者和碳素結(jié)合的碳化氧的形態(tài)大量存在。第三點(diǎn)是對(duì)維護(hù)地球環(huán)境非常重要。氫氣通過(guò)和氧氣反應(yīng)可以產(chǎn)生電，但反應(yīng)的結(jié)果只產(chǎn)生對(duì)環(huán)境無(wú)害的水。

氫氣燃料的開(kāi)發(fā)不僅僅是對(duì)能源自給率只有8.3%（2016年日本資源能源廳數(shù)據(jù)）的日本具有能源安全保障的作用，對(duì)于一次性能源的60%以上都依賴于煤、石油的中國(guó)同樣具有非常重要的意義。新能源的開(kāi)發(fā)不僅影響出行方式，還影響國(guó)家的能源構(gòu)成，更影響到國(guó)家的能源戰(zhàn)略。但眾所周知，氫燃料電池車(chē)雖然具備綠色環(huán)保、加氫時(shí)間短、續(xù)航里程長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但氫氣在制造過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生二氧化碳等加劇環(huán)境負(fù)荷的物體，所以從整體來(lái)說(shuō)，也不能完全斷定氫氣能源百分之百對(duì)環(huán)境無(wú)害。

2、氫氣燃料電池車(chē)量產(chǎn)面臨的問(wèn)題

2.1 燃料電池車(chē)價(jià)格偏高

日本2014年實(shí)現(xiàn)了“未來(lái)”混合動(dòng)力燃料電池車(chē)的批量生產(chǎn)和販賣(mài)，但和其它車(chē)型相比，價(jià)格偏貴，這讓許多消費(fèi)者望而卻步。“未來(lái)”的出廠價(jià)為每臺(tái)723.6萬(wàn)元（包含稅費(fèi)），扣除日本政府支付的新能源車(chē)購(gòu)買(mǎi)補(bǔ)助金的話，消費(fèi)者實(shí)際支付500萬(wàn)日元左右（相當(dāng)于人民幣26萬(wàn)元左右）就可購(gòu)得。但即使這樣，和200萬(wàn)日元至300萬(wàn)日元的同類(lèi)家用車(chē)相比價(jià)格還是偏高。對(duì)私家車(chē)保有率逐年減低的日本人來(lái)說(shuō)，這個(gè)價(jià)格使許多消費(fèi)者猶豫不決。

2.2 增加生產(chǎn)臺(tái)數(shù)所面臨的課題

燃料電池車(chē)的實(shí)用化比純電動(dòng)車(chē)慢，其原因是在車(chē)輛上裝載燃料電池在技術(shù)上和成本上尚有難關(guān)，需要長(zhǎng)時(shí)間的研發(fā)。即使實(shí)用化了，其生產(chǎn)數(shù)量也不會(huì)比燃油車(chē)多，因?yàn)槿剂想姵亓慨a(chǎn)化生產(chǎn)技術(shù)還存在很多需要解決的課題。以“未來(lái)”為例，“未來(lái)”年產(chǎn)量在豐田販賣(mài)的轎車(chē)中都占比很低。豐田2015年1月公布的生產(chǎn)計(jì)劃為，2015年生產(chǎn)700臺(tái)，2016年生產(chǎn)2000臺(tái)，2017年生產(chǎn)3000臺(tái)，增產(chǎn)速度比較緩慢。而在豐田年產(chǎn)超過(guò)一萬(wàn)輛的車(chē)種有很多。

作為燃料電池車(chē)不能大量生產(chǎn)的攔路虎之一，可以首推燃料電池電堆，電堆里有難以處理和不容易制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(diǎn)褶皺或刮傷都會(huì)被視為殘次品。

2.3 氫氣充氣站有待完善

氫氣燃料電池車(chē)量產(chǎn)化必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題是氫氣加氣站問(wèn)題，即使是續(xù)航里程和行駛環(huán)境等問(wèn)題都解決了的話，如果氫氣充氣站等基礎(chǔ)設(shè)施不完善的話，也很難推廣普及。

日本燃料電池實(shí)用化推進(jìn)協(xié)議會(huì)（FCCJ）于2010年3月重新界定了日本普及燃料電池車(chē)及氫氣充氣站的規(guī)劃，明確了增加燃料電池車(chē)之前要先增設(shè)氫氣充氣站。但氫氣充氣站完善的最大瓶頸是費(fèi)用問(wèn)題，據(jù)推算在日本設(shè)置一處氫氣充氣站的費(fèi)用是5億日元，相當(dāng)于設(shè)置一處汽油加油站的5倍。其成本高是因?yàn)闅錃獬錃庹镜臉?gòu)造復(fù)雜，占地面積也比汽油加油站多，選址條件嚴(yán)格，可以用于設(shè)置的場(chǎng)地比較少的緣故。

投資回收難，燃料電池車(chē)普及之前，靠賣(mài)氫氣很難收回投資，也很難獲利。日本的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省2014年6月曾經(jīng)計(jì)劃，2015年以4大經(jīng)濟(jì)圈（首都圈、中京圈、關(guān)西圈、福岡圈）為中心，建設(shè)100處氫氣充氣站。但據(jù)日本燃料電池實(shí)用化推進(jìn)協(xié)議會(huì)（FCCJ）網(wǎng)站公布的數(shù)據(jù)，2016年1月，日本國(guó)內(nèi)的商用氫氣充氣站只有35處，只達(dá)到了2014年計(jì)劃的3分之1。

3、燃料電池車(chē)價(jià)格偏高的原因

3.1 燃料電池車(chē)價(jià)格偏高

“未來(lái)”混合動(dòng)力燃料電池車(chē)的價(jià)格偏高，主要是由于燃料電池車(chē)的特殊性引起的。燃料電池車(chē)的動(dòng)力傳動(dòng)系中的燃料電池和電機(jī)等，使用的都是價(jià)位高的零部件，這是抬高了成本的主因。

3.2 燃料電池價(jià)位偏高

燃料電池在動(dòng)力傳動(dòng)系中是特別高價(jià)的零件。燃料電池價(jià)格高的原因一是其構(gòu)造特殊，二是電池堆中使用了昂貴的原材料。電池堆中昂貴的原材料包括觸媒、質(zhì)子交換膜和分離器（separator）。觸媒和質(zhì)子交換膜在持續(xù)發(fā)揮其性能的同時(shí)，還要求其具有抵御電堆內(nèi)部嚴(yán)酷環(huán)境的性能。發(fā)電過(guò)程中的電堆內(nèi)部，因化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量會(huì)升溫至80度，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生氫離子游離形成的強(qiáng)酸性水、空氣極生成的過(guò)氧化氫等。觸媒是組件中價(jià)位最高的零部件，因其必須使用昂貴的白金，目前還沒(méi)有找到替代材料。盡管日本的各個(gè)研究部門(mén)為減少白金的使用量做著各種嘗試，但目前尚未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(xué)性能的材料還尚未被發(fā)現(xiàn)，但安定的化學(xué)性能是耐強(qiáng)酸性水所必須具備的性能。

質(zhì)子交換膜要求具有保持氫離子的高傳導(dǎo)性能、耐強(qiáng)酸性水、耐過(guò)氧化氫及耐80度左右高溫的性能。但具有上述性能的高分子材料，數(shù)量極其有限，因而價(jià)格昂貴。具有代表性的固體高分子膜是全氟磺酸質(zhì)子交換膜，現(xiàn)在市場(chǎng)上除了美國(guó)的杜邦公司的Nafion膜、Dow化學(xué)公司的Dow膜之外，還有日本Asahi Chemical公司的Aciplex膜和Asahi Glass公司的lemion膜等，但都存在成本和性能問(wèn)題。

比全氟磺酸質(zhì)子交換膜成本低的固體高分子膜的開(kāi)發(fā)也有進(jìn)展，但至今為止還沒(méi)有超越全氟磺酸質(zhì)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。分離器在遮斷組件間流動(dòng)的氣體、確保組件內(nèi)的通路通暢的同時(shí)，還要通電、散熱、耐強(qiáng)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?，F(xiàn)在已經(jīng)研發(fā)出低成本且制造容易的金屬制和碳素制的分離器，“未來(lái)”的電堆中已使用鈦金屬分離器。

3.3 電動(dòng)機(jī)價(jià)位偏高

電動(dòng)機(jī)也是價(jià)位高的零部件。汽車(chē)驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)主要使用永久磁石同期電動(dòng)機(jī)，永久磁石同期電動(dòng)機(jī)是易于維修保養(yǎng)的交流電動(dòng)機(jī)的一種，在確保高出力的同時(shí)，具有可進(jìn)一步小型化、輕量化的優(yōu)點(diǎn)。

永久磁石同期電動(dòng)機(jī)價(jià)格高是因?yàn)槠錁?gòu)造特殊。在其內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)部分，即轉(zhuǎn)子上使用了釹磁石。釹是目前能發(fā)揮最強(qiáng)磁性的，可使永久磁石同期電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)小型化、輕量化的重要材料，但這種材料非常稀貴。釹（Nd）和鏑（Dy）被稱作稀土，大部分都埋藏于中國(guó)境內(nèi)，日本等國(guó)為了尋求替代釹磁石的永久磁石正在加大研發(fā)力度。

3.4 削減燃料電池車(chē)成本的相關(guān)努力

一方面是削減高價(jià)零部件的成本，另一方面是借用混合動(dòng)力車(chē)的混合動(dòng)力組合技術(shù)。豐田等廠家研發(fā)混合動(dòng)力車(chē)的批量生產(chǎn)和性能改良，已有20多年的歷史，如果能把混合動(dòng)力組合技術(shù)應(yīng)用到燃料電池車(chē)上的話，就能減低成本，增加汽車(chē)性能的穩(wěn)定性。但據(jù)說(shuō)當(dāng)時(shí)“FCHV-adv”并沒(méi)能把這項(xiàng)技術(shù)很好地應(yīng)用到燃料電池車(chē)上，只借用了驅(qū)動(dòng)用電池的技術(shù)。因?yàn)楫?dāng)時(shí)沒(méi)能突破混合電動(dòng)車(chē)中“能量控制組合”及“電機(jī)”和燃料電池的電壓不一致的問(wèn)題。而“未來(lái)”則應(yīng)用了混合動(dòng)力車(chē)的驅(qū)動(dòng)用電池、能量控制組合、電機(jī)技術(shù)，并導(dǎo)入FC升壓轉(zhuǎn)換器，使燃料電池供應(yīng)的電壓提高到了混合動(dòng)力車(chē)的電壓。

4、氫燃料使用過(guò)程中安全措施

4.1 怎樣充填壓縮氫氣

向燃料電池車(chē)?yán)镅a(bǔ)充氫氣時(shí)，需要到“氫氣加氣站”，就像往燃油車(chē)?yán)锛佑蜁r(shí)要到加油站一樣。只是充氫氣時(shí)充氣軟管和車(chē)身充填口接觸部分有金屬接口，需要把金屬接口對(duì)準(zhǔn)充填口處的螺絲，旋緊螺絲以防漏氣。因?yàn)槌涮?0MPa（約700氣壓）的高壓氫氣，需嚴(yán)防漏氣。

以“未來(lái)”為例，充氣3分鐘能往高壓氫氣罐里充填5公斤的氫氣，大約能行駛650公里。這和燃油車(chē)每次加油的時(shí)間和行駛距離大致是相同的。
為什么要充填壓縮氫氣呢？為了延長(zhǎng)每次充氣后的續(xù)航距離，又不增加容納氫氣的空間。如果能充填比壓縮氫氣密度更大的液態(tài)氫的話，相同容量的儲(chǔ)氫罐就能存儲(chǔ)更多的氫。

4.2 為什么目前都使用壓縮氫氣

批量生產(chǎn)和販賣(mài)的燃料電池車(chē)“未來(lái)”的氫氣罐是低成本輕量版的儲(chǔ)氣罐，如果把液態(tài)氫充填到儲(chǔ)氣罐里的話，雖然能充填比壓縮氫氣更多的氫，但必須提高儲(chǔ)氫罐的隔熱性，添置冷卻器等。氫氣如果不在沸點(diǎn)以下的極低溫狀態(tài)（常壓下零下253度）保存的話，就不能保持液體狀態(tài)。

如果在儲(chǔ)氫罐里放入氫吸藏合金的話，就能儲(chǔ)藏比液態(tài)氫更低壓的氫。氫吸藏合金是能吸附和儲(chǔ)藏氫的合金，只是氫吸藏合金本身非常昂貴，還需要能保持吸藏狀態(tài)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，所以非常輕。

4.3 高壓氫氣儲(chǔ)藏罐的安全性

倡導(dǎo)新能源車(chē)的人經(jīng)常說(shuō)，燃油車(chē)要裝載著的汽油行駛，非常危險(xiǎn)。那么燃料電池車(chē)裝載著5公斤的氫氣行駛就不危險(xiǎn)嗎？萬(wàn)一發(fā)生追尾事故，車(chē)輛變形，高壓氫氣儲(chǔ)氫罐破損氫氣外泄怎么辦？

就高壓氫氣儲(chǔ)藏罐安全問(wèn)題，汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)也做了各種嘗試，以“未來(lái)”為例，使用了既輕體又抗沖擊的強(qiáng)壓氫儲(chǔ)存罐。氫氣儲(chǔ)存罐為三層構(gòu)造，表面一層（最外側(cè)）是玻璃纖維，中層由包裹了飛機(jī)上也使用的碳素纖維的強(qiáng)化塑膠組成，增強(qiáng)了強(qiáng)度和耐久性。

萬(wàn)一遇到追尾等車(chē)身被強(qiáng)烈撞擊的情況，車(chē)身也會(huì)吸收沖擊，被設(shè)計(jì)成能保護(hù)后方高壓氫氣罐的構(gòu)造。另外，高壓氫氣儲(chǔ)存罐的閥門(mén)，在檢測(cè)和感知到?jīng)_擊時(shí)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，遮斷氫氣的流動(dòng)。

4.4 氫氣自身的安全性

氫氣是無(wú)色無(wú)味透明的氣體，其存在用肉眼難以確認(rèn)，用感官無(wú)法對(duì)其泄露有所警覺(jué)。在這種情況下要防止其出事故，必須要在機(jī)械及結(jié)構(gòu)方面保證它是安全的。所以總有人擔(dān)憂是否會(huì)因故失火引發(fā)爆炸。令人感知?dú)錃馕ｋU(xiǎn)性的有2011年3月在日本福島核電站發(fā)生的爆炸，東京電力公司表示，經(jīng)認(rèn)定福島第一核電站1號(hào)機(jī)組和3號(hào)機(jī)組發(fā)生的爆炸都是氫氣爆炸。而1937年5月6日發(fā)生的20世紀(jì)最嚴(yán)重的飛船事故——興登堡飛船事故，就是因?yàn)楫?dāng)時(shí)美國(guó)禁止出售氦氣給德國(guó)，興登堡采用了極易發(fā)生爆炸的氫氣。

但不只是氫氣，汽油也存在危險(xiǎn)，由于兩車(chē)相撞等致使燃料存儲(chǔ)箱中的汽油被引著，車(chē)身被燃燒的事故也時(shí)有報(bào)道。如果認(rèn)識(shí)到氫氣和汽油具有同樣的性質(zhì)的話，就能夠安全使用氫氣。氫氣的比重只有空氣的14分之1，萬(wàn)一泄漏了也會(huì)向更高的空中擴(kuò)散。因此很難形成失火或爆炸的濃度，即使失火也不會(huì)像汽油那樣在地面或平面上蔓延開(kāi)。

4.5 氫氣的價(jià)格

燃料費(fèi)作為運(yùn)行成本在車(chē)輛使用中占有很大的比例，不可小覷。氫氣根據(jù)制造方法的不同，價(jià)格也不同。在日本截止到2015年1月能源業(yè)界代表性的三大企業(yè)公布的價(jià)格為，1kg氫氣售價(jià)約為1000至1100日元（含稅金）。以“未來(lái)”為例，充滿儲(chǔ)氫罐需充填5kg氫氣，如果氫氣的市場(chǎng)價(jià)格為1100日元/kg的話，充一次氫氣需要5500日元，充滿氫氣后可行駛650km。如果燃油車(chē)行駛650km的話，通常需要加滿一箱汽油，汽油的價(jià)格是不斷變動(dòng)的，不太容易比較。但如果按1L120日元計(jì)算的話，加滿一箱油一般需要45L汽油，約4500日元，這和氫氣的價(jià)格差距不是很大。

5、結(jié)束語(yǔ)

從能源的利用和環(huán)境保護(hù)方面看，燃料電池汽車(chē)是一種理想的車(chē)輛。但需要解決的重要問(wèn)題是，如何合理控制制氫成本和建立社會(huì)網(wǎng)絡(luò)化的儲(chǔ)氫站，如何解決大規(guī)模制氫、儲(chǔ)氫、輸氫和注氫等環(huán)節(jié)的安全問(wèn)題。氫氣真正的問(wèn)題是難以儲(chǔ)存，目前，燃料電池儲(chǔ)氫方式有三種，高壓儲(chǔ)氫、液氫、金屬氫化物。液態(tài)氫氣對(duì)金屬有很強(qiáng)烈的腐蝕性，由于氫氣分子太小會(huì)滲透鋼鐵的晶格。最安全的算是金屬氫化物即儲(chǔ)氫合金了，但是這類(lèi)金屬幾乎全是稀貴金屬，價(jià)格直逼黃金，成本太高導(dǎo)致它無(wú)法大規(guī)模投入使用。

而中國(guó)在氫燃料電池堆及其關(guān)鍵材料領(lǐng)域雖然已經(jīng)初步形成產(chǎn)業(yè)鏈，但技術(shù)成熟度和日本、德國(guó)等國(guó)家比較差距較大。目前國(guó)內(nèi)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電堆，無(wú)論在性能上還是使用壽命上，與國(guó)外水平相比還存在較大距離。在氫燃料電池關(guān)鍵材料和其他零部件方面，如催化劑、質(zhì)子交換膜、空壓機(jī)、氫循環(huán)泵等也與國(guó)外水平相差較遠(yuǎn)。有能力配套的企業(yè)少，技術(shù)水平較低，大多屬于空白或尚未成熟，需要采用進(jìn)口材料。一些關(guān)鍵零部件被少數(shù)企業(yè)壟斷，價(jià)格極高。雖然看起來(lái)困難重重，但氫燃料車(chē)作為新能源汽車(chē)，不論是在國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，都得到了大力的扶持。