來(lái)自汽車文化市場(chǎng)的銘沨有自己在汽車消費(fèi)領(lǐng)域中的小圈子，他們對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)最關(guān)心的還是燃料電池汽車到底有沒(méi)有優(yōu)勢(shì)？什么時(shí)候才能像鋰離子電池汽車那樣普及？這是一篇面向消費(fèi)者的文章。
——鄭賢玲
由于我曾多年服務(wù)于汽車文化產(chǎn)業(yè)，在轉(zhuǎn)行到氫能產(chǎn)業(yè)之后，還是會(huì)和身邊一些朋友聊到汽車相關(guān)的話題，也因此不時(shí)會(huì)提到燃料電池汽車在未來(lái)汽車市場(chǎng)的發(fā)展前景。但是由于如今鋰電池汽車在市場(chǎng)已經(jīng)比較普及，因此當(dāng)我每每提到燃料電池汽車時(shí)，很多朋友依然是對(duì)燃料電池汽車的概念容易和鋰電池汽車的工作原理混為一談。針對(duì)這個(gè)現(xiàn)象，這次我們就來(lái)簡(jiǎn)單聊一下究竟燃料電池汽車的工作原理和相關(guān)的核心部件，以及其和內(nèi)燃機(jī)，鋰電池之間的區(qū)別。
燃料電池并不是“電池”
沒(méi)錯(cuò)，嚴(yán)格意義上來(lái)說(shuō)，燃料電池雖然被稱之為電池，但是實(shí)際上并不是我們理解的像鉛酸電池和鋰電池那樣單純以儲(chǔ)能為目的的“電池”，從字面上看，“電池”就是電的一個(gè)“蓄水池”，就是儲(chǔ)存電能的裝備。
燃料電池的工作原理是通過(guò)氧化還原反應(yīng)，將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，不同于一般電池通過(guò)充放電來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)和釋放，燃料電池可以通過(guò)持續(xù)添加燃料來(lái)達(dá)到持續(xù)放電的效果，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)其工作的過(guò)程就是通過(guò)添加燃料持續(xù)氧化還原反應(yīng)來(lái)發(fā)電，其中最常用的燃料為氫，通過(guò)電解質(zhì)讓正負(fù)極的氫和氧產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)，其過(guò)程中電子從陽(yáng)極傳導(dǎo)至陰極，從而形成電流。
因此也可以說(shuō)，燃料電池汽車是結(jié)合了內(nèi)燃機(jī)汽車和鋰電池汽車的特點(diǎn)，既可以通過(guò)快速補(bǔ)充燃料（氫）來(lái)維持續(xù)航，又因?yàn)槠洚a(chǎn)生的主要為電能，而排放的為氫和氧電解水逆反應(yīng)形成的水，因此可以達(dá)到快速高效的充能，又能達(dá)到真正意義上的零排放環(huán)保需求，彌補(bǔ)了內(nèi)燃機(jī)和鋰電池二者的短板。
燃料電池的發(fā)展過(guò)程
1839年，英國(guó)物理學(xué)家威廉·葛洛夫（William·Robert·Grove）制作了首個(gè)燃料電池，這顆燃料電池的問(wèn)世基于1838年德國(guó)化學(xué)家克里斯蒂安·弗里德里希·尚班刊登在雜志上的理論，葛洛夫在看到后于次年驗(yàn)證并完善了該理論，并在1842年將該燃料電池的設(shè)計(jì)草圖刊登在了《科學(xué)的哲學(xué)雜志與期刊》上
葛洛夫的設(shè)計(jì)使用了硫酸溶液作為電解質(zhì)，其形式更類似于現(xiàn)在的鉛酸電池。直到1955年，在通用電氣化學(xué)工程師W·湯瑪斯·葛盧布（W. Thomas Grubb）的改進(jìn)之后，使用了磺化聚苯乙烯離子交換膜作為電解質(zhì)的燃料電池才真正問(wèn)世，而三年后，在其通用電氣同事李?yuàn)W納德·尼德拉克（Leonard Niedrach）進(jìn)一步將鉑帶入到了交換膜之上，作為還原反應(yīng)的催化劑，并將其命名為“Grubb-Niedrach燃料電池“，至此也奠定了現(xiàn)代PEM燃料電池的基礎(chǔ)雛形。
后期燃料電池在NASA和通用電氣的共同發(fā)展下，也應(yīng)用在了多個(gè)商業(yè)項(xiàng)目以及航天項(xiàng)目之中，在上世紀(jì)60年代曾多次被用于登月車的驅(qū)動(dòng)單元，以及在太空作為飲用水的來(lái)源，1991年，美國(guó)科學(xué)家羅杰·比林斯（Roger E·Billings）成功制造了第一臺(tái)氫燃料電池驅(qū)動(dòng)的汽車——LaserCel 1,至此也正式拉開(kāi)了氫燃料電池汽車的序幕。
羅杰·比林斯制造的第一臺(tái)燃料電池汽車——LaserCel 1，可以看出原型是一臺(tái)初代的福特嘉年華
現(xiàn)階段，燃料電池技術(shù)在全球的應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化發(fā)展階段，不過(guò)應(yīng)用最多的是家用熱電聯(lián)產(chǎn)，日本這一產(chǎn)品已經(jīng)銷售40多萬(wàn)臺(tái)，并且已經(jīng)具備經(jīng)濟(jì)性。真正將燃料電池汽車帶入產(chǎn)業(yè)化的還是豐田Mirai和現(xiàn)代的NEXO，2014年豐田宣布燃料電池綜合成本下降至2008年的1/20，成為全球燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)化的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。中國(guó)還處于燃料電池驗(yàn)證階段，美國(guó)則是通過(guò)叉車的規(guī)?；瘧?yīng)用來(lái)驗(yàn)證。
燃料電池的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)
擺脫資源約束和環(huán)境約束是新能源發(fā)展的核心目的。首先，氫氣來(lái)源廣泛，不受資源約束。目前燃料電池的催化劑用到鉑金資源，但與鋰電每輛車大約需要30kg碳酸鋰相比，燃料電池的鉑金用量是以克來(lái)計(jì)算的，而且鉑金的回收量達(dá)到90%以上，回收成本低于資源開(kāi)采成本，所以燃料電池基本上不會(huì)受到資源約束。
其次，從碳達(dá)峰的角度來(lái)看，采用綠電制綠氫，可以真正做到綠色出行，燃料電池汽車消耗氫氣排泄的是水，且鉑金回收過(guò)程幾乎沒(méi)有污染。
第三，消費(fèi)者更加關(guān)心的是駕駛體驗(yàn)。燃料電池汽車加一次氫大約3-5分鐘（商用車在15分鐘以內(nèi)），大約可以續(xù)航600-800km，而且在零下30度以下可以正常啟動(dòng)，也不存在電池虧電的問(wèn)題，在寒冷地區(qū)顯然減少許多焦慮。北京冬奧會(huì)一開(kāi)始的方案并不是燃料電池汽車，是因?yàn)殇囯婋y以勝任延慶和張家口地區(qū)的低溫天氣才改為燃料電池汽車方案，這次1200輛燃料電池汽車很好地驗(yàn)證了這一性能。
第四是安全性，燃料電池本身不儲(chǔ)能，所以，在車上的安全性比較高。
劣勢(shì)是氫能是最輕的氣體非常難以管理，儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中的安全性要求也很高，相應(yīng)的儲(chǔ)運(yùn)成本就比較高，這是氫能行業(yè)發(fā)展最大的劣勢(shì)。這也推動(dòng)了多種儲(chǔ)氫技術(shù)的發(fā)展，包括液氫、固態(tài)儲(chǔ)氫、有機(jī)化合物儲(chǔ)氫等。
燃料電池汽車的現(xiàn)狀和路徑分歧
燃料電池的應(yīng)用場(chǎng)景相當(dāng)豐富，如船舶、叉車、火箭、飛行器、分布式電源等，之所以燃料電池汽車受到更多的關(guān)注，主要是因?yàn)槠渖虡I(yè)市場(chǎng)相對(duì)較為廣闊，一旦成熟，推行和普及速度相對(duì)較快，并且對(duì)整個(gè)行業(yè)可以產(chǎn)生巨大的帶動(dòng)。
氫能和燃料電池雖然人類已經(jīng)研發(fā)并邁入商用領(lǐng)域多年，但是離日常消費(fèi)者的距離依然較遠(yuǎn)，氫燃料電池汽車則能有效拉近這個(gè)距離，改善消費(fèi)者對(duì)氫能的一些固有觀點(diǎn)。
不過(guò)，各國(guó)在發(fā)展路徑上有一些差異，早期各大汽車廠家研發(fā)的樣車都是乘用車，日本和韓國(guó)量產(chǎn)車型也是乘用車，但中國(guó)和美國(guó)則是以商用車為主。
自從比林斯制造出了第一臺(tái)燃料電池汽車后，不少?gòu)S商也看到了氫能的市場(chǎng)前景以及環(huán)保潛力，進(jìn)入21世紀(jì)后，各大廠商也曾推出過(guò)一些氫燃料電池汽車的概念車或是測(cè)試車，但是在后期由于鋰電池市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展，多家廠商只能暫時(shí)擱置或取消了燃料電池汽車的方案。
隨著鋰資源的成本逐漸升高，近年來(lái)一些主流車廠的視線又逐漸回到了燃料電池汽車的領(lǐng)域，如豐田、本田、日產(chǎn)、戴姆勒、寶馬、現(xiàn)代、起亞、通用等，都公布了燃料電池汽車的發(fā)展計(jì)劃。
根據(jù)雜志《Car and Drive》統(tǒng)計(jì)，截止到2022年，美國(guó)加州目前在路上行駛的氫燃料電池汽車大概為15,000臺(tái)，而隨著加氫站和氫能儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)的發(fā)展，相信燃料電池汽車的保有量會(huì)逐步增加。
除了日本本土，加州是目前Mirai最大的市場(chǎng)
也是目前全球兩個(gè)銷量超過(guò)10000臺(tái)的燃料電池汽車的市場(chǎng)之一
我們對(duì)氫能汽車的探索并不局限于燃料電池，寶馬和馬自達(dá)曾經(jīng)都推出過(guò)氫氣混合動(dòng)力的車型，并作為小規(guī)模的量產(chǎn)車型推出過(guò)，但是由于技術(shù)原因以及當(dāng)時(shí)的加氫條件較為苛刻，這些車型也只能淹沒(méi)在年產(chǎn)千萬(wàn)輛的汽車大市場(chǎng)中。
但近年來(lái)隨著氫能產(chǎn)業(yè)的示范應(yīng)用，不論是技術(shù)進(jìn)步，還是加氫站的建設(shè)都讓這些一度被放棄的技術(shù)路線熱情再度被點(diǎn)燃。2021年6月15日,本田宣布關(guān)閉日本狹山工廠并停產(chǎn)氫燃料電池車CLARITYFUELCELL,近期，本田又宣布，將于2024年推出一款基于全新CR-V跨界車打造的氫燃料電池插電式電動(dòng)車，將在其位于美國(guó)俄亥俄州的高性能制造中心生產(chǎn)。
豐田還在近年不斷測(cè)試著氫內(nèi)燃機(jī)的車型，作為技術(shù)儲(chǔ)備。當(dāng)然，我們這次主要是聊燃料電池汽車，對(duì)于氫內(nèi)燃機(jī)或氫混動(dòng)，如果大家感興趣我們可以再找機(jī)會(huì)詳細(xì)聊聊。
寶馬和馬自達(dá)都曾經(jīng)推出過(guò)氫混動(dòng)車型，其中寶馬的Hydrogen 7更是推出了E38/E65兩代版本，而馬自達(dá)的RX8 Hydrogen RE一共量產(chǎn)了30臺(tái)，筆者自己第一臺(tái)車就是馬自達(dá)的RX8，所以當(dāng)年推出氫動(dòng)力版時(shí)還格外關(guān)注過(guò)一段時(shí)間。
豐田和雅馬哈合作開(kāi)發(fā)的V8氫內(nèi)燃機(jī)
可能會(huì)讓不少喜歡大排量燃油車的朋友看到未來(lái)依然能開(kāi)到大排量的希望
在我轉(zhuǎn)行開(kāi)始了解氫能產(chǎn)業(yè)之后，和朋友閑聊時(shí)，曾經(jīng)有不少人問(wèn)我為什么我們現(xiàn)在都很難看到燃料電池汽車，對(duì)此我一般給他們的解釋都是一方面，現(xiàn)階段我國(guó)在燃料電池汽車的發(fā)展方向主要為商用車而不是乘用車，其實(shí)在某些氫能示范城市如果大家平時(shí)留心，雖然目前還看不到燃料電池乘用車，但是可能環(huán)衛(wèi)車、公交車、渣土車、物流車等商用車型的燃料電池汽車已經(jīng)在路上行駛了。
此外，由于我國(guó)目前的加氫站以及氫能管網(wǎng)建設(shè)還無(wú)法滿足乘用車市場(chǎng)的需求，乘用車還只是在廣東和上海地區(qū)局部試點(diǎn)，以目前的基礎(chǔ)建設(shè)，乘用車大面積推廣還不具備條件，據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)在今年1-10月份燃料電池汽車銷量約3000輛，其中乘用車銷量大約不到5%，因此先通過(guò)商用車?yán)鄯e行業(yè)的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，加大基礎(chǔ)建設(shè)的投資，將會(huì)更有利于未來(lái)燃料電池乘用車市場(chǎng)的發(fā)展。
氫燃料電池不僅具備長(zhǎng)續(xù)航的特點(diǎn)，而且其續(xù)航不受氣溫和環(huán)境影響，可以作為理想的生產(chǎn)工具的驅(qū)動(dòng)方式，但是由于目前氫氣價(jià)格較高，還需要大量的政策扶持來(lái)刺激市場(chǎng)。
我國(guó)目前雖然也有部分乘用車廠商已經(jīng)推出了燃料電池車型，但是國(guó)家目前的發(fā)展方向是以商用車為主，如上汽、濰柴、福田、宇通、中通、江鈴、飛馳等，都在積極開(kāi)發(fā)氫能商用車。而縱觀產(chǎn)業(yè)鏈上下游，目前我國(guó)雖然部分技術(shù)相對(duì)落后于歐美同行業(yè)，但是由于我國(guó)目前的市場(chǎng)政策路線更偏向于商用車，跨越的技術(shù)門檻更高，隨著市場(chǎng)的逐步擴(kuò)大，在技術(shù)逐步成熟的同時(shí)，成本也會(huì)逐步下降。
燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)化瓶頸
正如上文所說(shuō)，燃料電池汽車現(xiàn)階段最大的瓶頸其實(shí)依然是在氫氣的供給端。我們可以用目前北京市的加油站數(shù)量和公路里程為例，截止到目前，北京市公路里程大概為2.23萬(wàn)公里，加油站大概為1030座，加氫站目前只有14座投入使用，換算下來(lái)約合每21.6公里即可找到一座加油站，而加氫站則需要1592公里左右才能找到一座。
且目前北京的加氫站大多位于郊區(qū)，曾為冬奧會(huì)的配套設(shè)施，盡管目前北京制定了到2025年建設(shè)并投入使用74座加氫站的計(jì)劃，但是相較于加油站的數(shù)量來(lái)說(shuō)還是差了不止一個(gè)量級(jí)。
全球燃料電池汽車乘用車推廣最快的國(guó)家是韓國(guó)，目前，韓國(guó)在運(yùn)行的燃料電池汽車超過(guò)23000輛，而我國(guó)的運(yùn)行車輛大約5000輛。到目前為止，我國(guó)加氫站已經(jīng)達(dá)到290座，而韓國(guó)的加氫站只有120多座。到今年第三季度，我國(guó)累計(jì)銷售11027輛，韓國(guó)累計(jì)銷量31596輛，以燃料電池汽車?yán)塾?jì)銷量與加氫站比例來(lái)算，我國(guó)車占比38.02：1，韓國(guó)的車站比為263.3：1。
但一個(gè)現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題是，我國(guó)國(guó)土面積大，以地方政府規(guī)劃的這290座加氫站分布在全國(guó)960平方公里土地上的27個(gè)省份，平均每座加氫站服務(wù)的面積，3.31萬(wàn)平方公里，即使目前加氫站分布在經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)達(dá)的地區(qū)，我們按照國(guó)土面積的50%計(jì)算，平均每座加氫站輻射的半徑也有16550平方公里；而韓國(guó)120座加氫站分布在10.33萬(wàn)平方公里的國(guó)土區(qū)域，平均每座加氫站輻射的面積也只有860平方公里。
我國(guó)一個(gè)廣東省就有17.97萬(wàn)平方公里，超過(guò)韓國(guó)整體國(guó)土面積，可見(jiàn)即使加氫站最多的廣東省也達(dá)不到韓國(guó)加氫站的密度。而本來(lái)廣東省的加氫站主要集中在佛山市，這個(gè)地區(qū)加氫站的密度已經(jīng)非常高，但當(dāng)?shù)責(zé)o論是化石能源制氫還是工業(yè)副產(chǎn)氫都很缺乏，可再生能源制氫尚未啟動(dòng)，氫氣成本太高，導(dǎo)致運(yùn)行車輛處于虧損，而且氫氣供應(yīng)缺口巨大，無(wú)法滿足加氫站滿負(fù)荷工作需求。
此外，由于全球燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈整體的商業(yè)化程度并不高，規(guī)模也不夠大，因此相對(duì)的成本較高。而且如果燃料電池想要做到盡可能達(dá)到理想的零排放環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，除了氫氣的來(lái)源必須選擇用綠電生產(chǎn)的綠氫外，在設(shè)備的生產(chǎn)過(guò)程中也要盡可能使用綠電來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)。
雖然我國(guó)目前風(fēng)能和光伏綠電項(xiàng)目發(fā)展迅速，但是同比火電來(lái)說(shuō)，電價(jià)在某些風(fēng)能和光伏不發(fā)達(dá)的區(qū)域還是存在一定的差價(jià)，對(duì)個(gè)人使用可能并沒(méi)有太大區(qū)別，但是在工業(yè)生產(chǎn)上還是會(huì)拉高整體的生產(chǎn)成本。
燃料電池汽車的未來(lái)
目前我國(guó)雖然也有了部分公司如廣汽、紅旗、長(zhǎng)安、海馬、上汽等在開(kāi)發(fā)燃料電池乘用車，且豐田也在國(guó)內(nèi)開(kāi)始了Mirai II代的銷售，但是價(jià)格相對(duì)鋰電汽車普遍較高，且最重要的是消費(fèi)者要面對(duì)加氫困難的痛點(diǎn)。
雖然燃料電池汽車目前在新能源汽車市場(chǎng)中還沒(méi)有打開(kāi)局面，銷量的提高更多是依賴政策的發(fā)展，但是這本身也是新能源汽車從進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)就要經(jīng)歷的過(guò)程，通過(guò)商用汽車在相對(duì)比較固定的路線試點(diǎn)，逐步解決相關(guān)基建配套設(shè)施，并不斷加大密度。
從歐、美、日、韓等發(fā)達(dá)國(guó)家來(lái)看，早期都是從燃料電池汽車開(kāi)始切入，但發(fā)展過(guò)程中都遭遇了氫能供應(yīng)的瓶頸，然后又回頭來(lái)投入氫氣的制取和儲(chǔ)運(yùn)項(xiàng)目。目前我國(guó)的情形也差不多，過(guò)去二十多年的注意力和投資重心都在燃料電池，但最近兩年加氫站和電解槽項(xiàng)目明顯加快。
同時(shí)隨著技術(shù)進(jìn)步和規(guī)?；l(fā)展，可以大大降低產(chǎn)業(yè)鏈上下游的生產(chǎn)成本，燃料電池汽車憑借其環(huán)保，補(bǔ)能方便，且不受環(huán)境因素影響的眾多優(yōu)勢(shì)，基礎(chǔ)建設(shè)條件成熟就能夠打開(kāi)局面。
從各地出臺(tái)的氫能規(guī)劃來(lái)看，大部分地區(qū)示范期也就是2025前都還是以商用車為主，一部分地區(qū)2030年的規(guī)劃涉及到乘用車。但我們認(rèn)為燃料電池乘用車的發(fā)展更多是在基礎(chǔ)設(shè)施相對(duì)成熟、且成本達(dá)到市場(chǎng)預(yù)期后，由整車企業(yè)來(lái)主導(dǎo)的市場(chǎng)，到2030年燃料電池成本從現(xiàn)在的4000元/kW降到1000元/kW以內(nèi)，氫氣成本降到25元/kg,以燃料電池優(yōu)越的性能優(yōu)勢(shì)，我們對(duì)其應(yīng)用前景有良好的預(yù)期。
至于到底是燃料電池還是氫內(nèi)燃機(jī)會(huì)成為未來(lái)，這兩個(gè)產(chǎn)品在根源上也不存在太大的沖突，我想消費(fèi)市場(chǎng)的最終結(jié)果還是需要讓消費(fèi)者去決定。
原標(biāo)題：一文讀懂燃料電池的前世今生
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