中國儲能網(wǎng)訊： 摘要：文章以文獻研究方法，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。
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為，普遍認為國內(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。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引起了舉世矚目。氫氣作為能源備受矚目的原因有三點，一沒有資源枯竭的危機，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，因為氫氣是最為廣泛地存在于宇宙中，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。第三點是對維護地球環(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，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，這讓許多消費者望而卻步?！拔磥怼钡某鰪S價為每臺723.6萬元（包含稅費），扣除日本政府支付的新能源車購買補助金的話，消費者實際支付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)。即使實用化了，其生產(chǎn)數(shù)量也不會比燃油車多，因為燃料電池量產(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。
日本燃料電池實用化推進協(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用問題，據(jù)推算在日本設(shè)置一處氫氣充氣站的費用是5億日元，相當(dāng)于設(shè)置一處汽油加油站的5倍。其成本高是因為氫氣充氣站的構(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)濟產(chǎn)業(yè)省2014年6月曾經(jīng)計劃，2015年以4大經(jīng)濟圈（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)日本燃料電池實用化推進協(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，只達到了2014年計劃的3分之1。
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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電動機價位偏高
電動機也是價位高的零部件。汽車驅(qū)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于維修保養(yǎng)的交流電動機的一種，在確保高出力的同時，具有可進一步小型化、輕量化的優(yōu)點。
永久磁石同期電動機價格高是因為其構(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)揮最強磁性的，可使永久磁石同期電動機實現(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)。因為當(dāng)時沒能突破混合電動車中“能量控制組合”及“電機”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。因為充填70MPa（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，中層由包裹了飛機上也使用的碳素纖維的強化塑膠組成，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，車身也會吸收沖擊，被設(shè)計成能保護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，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。令人感知氫氣危險性的有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)認定福島第一核電站1號機組和3號機組發(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，就是因為當(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道。如果認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、氫循環(huán)泵等也與國外水平相差較遠。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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