推廣普及氫燃料電池車急需解決的問題

楊慶敏

摘 要：文章以文獻(xiàn)研究方法，分析了氫燃料電池車備受矚目的原因，指出了氫燃料電池車存在的價格偏高、氫存儲、氫運(yùn)輸、氫燃料電池的安全性、氫氣充氣站的設(shè)置等問題。通過對日本相關(guān)研發(fā)的考察提示了問題的解決對策。

關(guān)鍵詞：氫燃料電池車；價位高；安全保障；對策

中圖分類號：TM911 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）30-0073-03

Abstract： This paper analyzes the reason why hydrogen fuel cell vehicle has attracted much attention using the method of literature research， and points out the problems existing in hydrogen fuel cell vehicle， such as high price， hydrogen storage， hydrogen transportation， safety of hydrogen fuel cell， and the installation of hydrogen charging station， etc. Through the investigation of relevant research and development in Japan， the solution to the problem is suggested.

Keywords： hydrogen fuel cell vehicle； high price； safety guarantee； countermeasure

前言

燃料電池是一種能量轉(zhuǎn)化裝置，通過反應(yīng)過程轉(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極和陰極，氫通過陽極向外擴(kuò)散和電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)后放出電能。氫燃料電池車早在上個世紀(jì)60年代歐美就開始研發(fā)，2014年日本豐田開始量產(chǎn)，但這么多年一直沒有大規(guī)模發(fā)展開來。

近幾年來大力提倡氫氣燃料是因?yàn)?，普遍認(rèn)為國內(nèi)純電動車用的電來自于二次能源，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。本論文通過文獻(xiàn)研究試圖解明這些問題。

1 作為燃料為什么氫氣備受矚目

日本的叫做“未來”的混合動力燃料電池車，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)。不會像石油等化石燃料那樣令人擔(dān)憂其終究會枯竭。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)是對維護(hù)地球環(huán)境非常重要。氫氣通過和氧氣反應(yīng)可以產(chǎn)生電，但反應(yīng)的結(jié)果只產(chǎn)生對環(huán)境無害的水。

氫氣燃料的開發(fā)不僅僅是對能源自給率只有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，對于一次性能源的60%以上都依賴于煤、石油的中國同樣具有非常重要的意義。新能源的開發(fā)不僅影響出行方式，還影響國家的能源構(gòu)成，更影響到國家的能源戰(zhàn)略。但眾所周知，氫燃料電池車雖然具備綠色環(huán)保、加氫時間短、續(xù)航里程長等優(yōu)點(diǎn)，但氫氣在制造過程中也會產(chǎn)生二氧化碳等加劇環(huán)境負(fù)荷的物體，所以從整體來說，也不能完全斷定氫氣能源百分之百對環(huán)境無害。

2 氫氣燃料電池車量產(chǎn)面臨的問題

2.1 燃料電池車價格偏高

日本2014年實(shí)現(xiàn)了“未來”混合動力燃料電池車的批量生產(chǎn)和販賣，但和其它車型相比，價格偏貴，這讓許多消費(fèi)者望而卻步?！拔磥怼钡某鰪S價為每臺723.6萬元（包含稅費(fèi)），扣除日本政府支付的新能源車購買補(bǔ)助金的話，消費(fèi)者實(shí)際支付500萬日元左右（相當(dāng)于人民幣26萬元左右）就可購得。但即使這樣，和200萬日元至300萬日元的同類家用車相比價格還是偏高。對私家車保有率逐年減低的日本人來說，這個價格使許多消費(fèi)者猶豫不決。

2.2 增加生產(chǎn)臺數(shù)所面臨的課題

燃料電池車的實(shí)用化比純電動車慢，其原因是在車輛上裝載燃料電池在技術(shù)上和成本上尚有難關(guān)，需要長時間的研發(fā)。即使實(shí)用化了，其生產(chǎn)數(shù)量也不會比燃油車多，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”為例，“未來”年產(chǎn)量在豐田販賣的轎車中都占比很低。豐田2015年1月公布的生產(chǎn)計(jì)劃為，2015年生產(chǎn)700臺，2016年生產(chǎn)2000臺，2017年生產(chǎn)3000臺，增產(chǎn)速度比較緩慢。而在豐田年產(chǎn)超過一萬輛的車種有很多。

作為燃料電池車不能大量生產(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)褶皺或刮傷都會被視為殘次品。

2.3 氫氣充氣站有待完善

氫氣燃料電池車量產(chǎn)化必須解決的關(guān)鍵問題是氫氣加氣站問題，即使是續(xù)航里程和行駛環(huán)境等問題都解決了的話，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（FCCJ）于2010年3月重新界定了日本普及燃料電池車及氫氣充氣站的規(guī)劃，明確了增加燃料電池車之前要先增設(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)置的場地比較少的緣故。

投資回收難，燃料電池車普及之前，靠賣氫氣很難收回投資，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（FCCJ）網(wǎng)站公布的數(shù)據(jù)，2016年1月，日本國內(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 燃料電池車價格偏高的原因

3.1 燃料電池車價格偏高

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

3.2 燃料電池價位偏高

燃料電池在動力傳動系中是特別高價的零件。燃料電池價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，還要求其具有抵御電堆內(nèi)部嚴(yán)酷環(huán)境的性能。發(fā)電過程中的電堆內(nèi)部，因化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量會升溫至80度，同時會產(chǎn)生氫離子游離形成的強(qiáng)酸性水、空氣極生成的過氧化氫等。觸媒是組件中價位最高的零部件，因其必須使用昂貴的白金，目前還沒有找到替代材料。盡管日本的各個研究部門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)在市場上除了美國的杜邦公司的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題。

比全氟磺酸質(zhì)子交換膜成本低的固體高分子膜的開發(fā)也有進(jìn)展，但至今為止還沒有超越全氟磺酸質(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的氣體、確保組件內(nèi)的通路通暢的同時，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”的電堆中已使用鈦金屬分離器。

3.3 電動機(jī)價位偏高

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

永久磁石同期電動機(jī)價格高是因?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境內(nèi)，日本等國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 削減燃料電池車成本的相關(guān)努力

一方面是削減高價零部件的成本，另一方面是借用混合動力車的混合動力組合技術(shù)。豐田等廠家研發(fā)混合動力車的批量生產(chǎn)和性能改良，已有20多年的歷史，如果能把混合動力組合技術(shù)應(yīng)用到燃料電池車上的話，就能減低成本，增加汽車性能的穩(wěn)定性。但據(jù)說當(dāng)時“FCHV-adv”并沒能把這項(xiàng)技術(shù)很好地應(yīng)用到燃料電池車上，只借用了驅(qū)動用電池的技術(shù)。因?yàn)楫?dāng)時沒能突破混合電動車中“能量控制組合”及“電機(jī)”和燃料電池的電壓不一致的問題。而“未來”則應(yīng)用了混合動力車的驅(qū)動用電池、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力車的電壓。

4 氫燃料使用過程中安全措施

4.1 怎樣充填壓縮氫氣

向燃料電池車?yán)镅a(bǔ)充氫氣時，需要到“氫氣加氣站”，就像往燃油車?yán)锛佑蜁r要到加油站一樣。只是充氫氣時充氣軟管和車身充填口接觸部分有金屬接口，需要把金屬接口對準(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”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。這和燃油車每次加油的時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，相同容量的儲氫罐就能存儲更多的氫。

4.2 為什么目前都使用壓縮氫氣

批量生產(chǎn)和販賣的燃料電池車“未來”的氫氣罐是低成本輕量版的儲氣罐，如果把液態(tài)氫充填到儲氣罐里的話，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)。

如果在儲氫罐里放入氫吸藏合金的話，就能儲藏比液態(tài)氫更低壓的氫。氫吸藏合金是能吸附和儲藏氫的合金，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 高壓氫氣儲藏罐的安全性

倡導(dǎo)新能源車的人經(jīng)常說，燃油車要裝載著的汽油行駛，非常危險。那么燃料電池車裝載著5公斤的氫氣行駛就不危險嗎？萬一發(fā)生追尾事故，車輛變形，高壓氫氣儲氫罐破損氫氣外泄怎么辦？

就高壓氫氣儲藏罐安全問題，汽車生產(chǎn)企業(yè)也做了各種嘗試，以“未來”為例，使用了既輕體又抗沖擊的強(qiáng)壓氫儲存罐。氫氣儲存罐為三層構(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。

萬一遇到追尾等車身被強(qiáng)烈撞擊的情況，車身也會吸收沖擊，被設(shè)計(jì)成能保護(hù)后方高壓氫氣罐的構(gòu)造。另外，高壓氫氣儲存罐的閥門，在檢測和感知到?jīng)_擊時會自動關(guān)閉，遮斷氫氣的流動。

4.4 氫氣自身的安全性

氫氣是無色無味透明的氣體，其存在用肉眼難以確認(rèn)，用感官無法對其泄露有所警覺。在這種情況下要防止其出事故，必須要在機(jī)械及結(jié)構(gòu)方面保證它是安全的。所以總有人擔(dān)憂是否會因故失火引發(fā)爆炸。令人感知?dú)錃馕ｋU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號機(jī)組和3號機(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)時美國禁止出售氦氣給德國，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，由于兩車相撞等致使燃料存儲箱中的汽油被引著，車身被燃燒的事故也時有報(bào)道。如果認(rèn)識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1，萬一泄漏了也會向更高的空中擴(kuò)散。因此很難形成失火或爆炸的濃度，即使失火也不會像汽油那樣在地面或平面上蔓延開。

4.5 氫氣的價格

燃料費(fèi)作為運(yùn)行成本在車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)公布的價格為，1kg氫氣售價約為1000至1100日元（含稅金）。以“未來”為例，充滿儲氫罐需充填5kg氫氣，如果氫氣的市場價格為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。如果燃油車行駛650km的話，通常需要加滿一箱汽油，汽油的價格是不斷變動的，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，這和氫氣的價格差距不是很大。

5 結(jié)束語

從能源的利用和環(huán)境保護(hù)方面看，燃料電池汽車是一種理想的車輛。但需要解決的重要問題是，如何合理控制制氫成本和建立社會網(wǎng)絡(luò)化的儲氫站，如何解決大規(guī)模制氫、儲氫、輸氫和注氫等環(huán)節(jié)的安全問題。氫氣真正的問題是難以儲存，目前，燃料電池儲氫方式有三種，高壓儲氫、液氫、金屬氫化物。液態(tài)氫氣對金屬有很強(qiáng)烈的腐蝕性，由于氫氣分子太小會滲透鋼鐵的晶格。最安全的算是金屬氫化物即儲氫合金了，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)致它無法大規(guī)模投入使用。

而中國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、德國等國家比較差距較大。目前國內(nèi)具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的電堆，無論在性能上還是使用壽命上，與國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，價格極高。

雖然看起來困難重重，但氫燃料車作為新能源汽車，不論是在國內(nèi)還是國外，都得到了大力的扶持。

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