燃料电池:谁都不能放弃的"终极"技术

燃料电池:谁都不能放弃的"终极"技术

2010-04-20 10:54:05  来源：风行汽车网  作者：责编 张荣光  

       如果以实现产业化的时间进度看，目前可用于替代汽油和柴油发动机的技术中，燃料电池无疑是最为遥远的，但恰恰也是这种技术，得到了许多国家和企业的青睐，最被看好。

       梅赛德斯-奔驰车辆发展部乘用车柴油发动机总监Joachim Schommers就告诉网易汽车，燃料电池是他们认为实现零排放的终极方案，并已在全力推进，并将在2015年有价格足够低的量产车型投放市场。

       从技术角度而言，燃料电池汽车具有安静、高效和零污染（或低污染）排放的特点，同时续驶里程完全可以和内燃机汽车相媲美，具有结束内燃机汽车百年统治地位的潜力。

       不过从企业的角度而言，情况却不尽相同，既有对燃料电池持积极态度，并以准备量产的奔驰等公司，也有一些企业认为在燃料电池关键的质子交换膜中，铂这种主要催化剂目前还没有好的替代品，这就决定了燃料电池不仅价格高昂，并且铂的储量也不足以支撑汽车工业规模化生产的需求。

       当然这其中也有如各个企业在新能源汽车投入方向上差异的因素，但总体而言，即使对燃料电池汽车产业化不看好的人士，也同意在此方向的研发工作不可荒废。

燃料电池工作原理

燃料电池车的“两张脸”

         燃料电池汽车究竟是什么样的汽车动力技术？

         其实从广义的分类而言，燃料电池汽车也是电动汽车的一种，在驱动汽车的电动机、控制系统等部分可能与采用蓄电池的电动汽车差别都不打，只是其电池的能量是通过氢气与氧气发生化学作用，而不是经过燃烧，直接变成电能。

         无论何种燃料，在燃料电池中是通过化学反应直接产生电能，所以不会产生有害产物，因此燃料电池车辆是无污染汽车。更重要的是，相比通过燃烧做工，燃料电池的能量转换效率比内燃机要高2～3倍，因此从能源的利用和环境保护方面，燃料电池汽车是一种理想的车辆。

         燃料电池汽车的氢燃料能通过几种途径得到。有些车辆直接携带着纯氢燃料，另外一些车辆有可能装有燃料重整器，能将烃类燃料转化为富氢气体。而单个的燃料电池必须结合成燃料电池组，以便获得必需的动力，满足车辆使用的要求。

         综合而言，与传统汽车相比，燃料电池汽车具有以下优点：零排放或近似零排放；减少了机油泄露带来的水污染；降低了温室气体的排放；提高了燃油经济性；提高了发动机燃烧效率；运行平稳、无噪声。

         不论是液态氢、气态氢、储氢金属储存的氢，还有碳水化合物经过重整后转换的氢是燃料电池的唯一燃料。氢气的产生、储存、保管、运输和灌装或重整，都比较复杂，对安全性要求很高。虽然燃料电池电动汽车近些年来取得了很大进展，但从目前各大汽车公司推出的制造成本上百万美元的燃料电池概念车来看，目前燃料电池的推广还需要解决以下问题：

         首先是续驶里程过短，由于氢气储存困难，即使用传统油箱三倍以上的体积储存氢气， 也只能保证汽油动力汽车一半的续驶里程。

         其次是氢气的售价并不廉价，因此燃料电池车的运行成本并不令人乐观。

         第三是加氢站等基础网络设施建设几乎为零，目前全球范围内投入使用的加氢站仅有100家，并且大部分是用于实验用途的。

         因此，汽车业界普遍认同的一个观点是，燃料电池技术是内燃机技术最好的替代物，代表了汽车未来的发展方向。但如果将发展燃料电池汽车的几个制约因素考虑进来，则会发现燃料电池汽车目前和今后一段时问尚不具备商业化的条件。最乐观的预测，以纯氢为燃料的燃料电池汽车的商业化生产至少还需15年以上的时问，即使在一定程度上实现了商业化，也会是以一种高成本的方式。

燃料电池汽车“进化史”

       尽管有这些不足，但相比仍然难以摆脱传统内燃机的混合动力，以及现有锂电池支持下的纯电动车，氢燃料电池不仅可以实现仅仅排放水的“零污染”，更能带来超越传统汽车的驾驶、使用感受，以及续航里程。

梅赛德斯-奔驰F-Cell Roadster燃料电池概念车

       真正的零排放和强于蓄电池的续航能力，让汽车业界不得不重视燃料电池技术。而经过多年的投入与研发，在一些产业化的关键技术上，燃料电池车也取得了不小的进步。

       以燃料电池功率密度为例，由于汽车内部空间和承载能力的局限，对车用燃料电池发动机的尺寸有严格要求，因此燃料电池制造商都在设法提高燃料电池的功率密度。加拿大巴拉德公司从1989-2001年将燃料电池堆体积功率密度提高了25倍，2003年研制的燃料电池发动机Xcellsis HY80采用902堆，最大输出功率为68kW，体积为220L，质量为220kg， 体积和质量功率密度分别为309W/L和309W/kg，已经基本达到美国能源部Freedom CAR计划中提出的2010年的目标。

       至于铂这种燃料电池关键的催化剂，因为世界铂储量有限且价格高，一直是燃料电池价格和产量的最大限制之一。通过技术开发，燃料电池电堆的铂用量已从1990年的约5mg／cm下降到0.5mg／cm 左右，并有望继续降低。

       燃料电池公认的优点之一，就是其远高于内燃机的能量转换率，在这方面，各个汽车企业也在尽力挖掘燃料电池的优势。据当初的戴姆勒?克莱斯勒公司对NECAR4型燃料电池轿车的测试，燃料电池电堆的能量转换效率为62%。如果除去燃料电池发动机辅助系统的能耗（占16.4%) 和电机及其驱动系统的能耗（占8.1%) ，从“油箱到车轮”的效率为37.7%，远高于汽油发动机汽车16%～18%和柴油机汽车20% ～24%的转换效率。

        若考虑“从矿井到车轮”的总体效率，据丰田汽车公司的研究，天然气制氢的效率（从矿井到油箱）为58%， 而将原油提炼成汽油的效率高达88%。因此，燃料电池混合动力汽车“油井到车轮”的总效率为29%，汽油机混合动力汽车普锐斯的总效率为28%。该项研究指出，燃料电池汽车的能量转换总效率将来有望提高到42%。

      2002年5月，原戴姆勒?克莱斯勒公司的NECAR 5型燃料电池轿车试验运行横穿美国，从旧金山到华盛顿，行程5220km，平均车速112km/h， 全程仅发生过1次冷却水管小故障。2004年，通用汽车公司的燃料电池汽车纵贯欧洲大陆， 行程9696km。目前，美国快递公司已经开始使用通用汽车公司的燃料电池汽车开展包裹快递服务。

       戴姆勒集团燃料电池运营部门高级经理Arwed Niestroj也告诉网易汽车，目前奔驰所有乘用车和商用车的氢燃料车型，已经经过了 450 万公里的道路测试。正是这样多车型、长里程的运营经验，才让奔驰敢于宣布在2015年推出量产的氢燃料电池车型。

燃料电池车何时能“上路”？

虽然各个汽车企业对于燃料电池上的进入市场的时间各有判断，但奔驰首次提出了一个明确的时间节点，2015年，并且Arwed Niestroj还表示，奔驰定义的上市，是指燃料电池汽车可以以一个消费者比较能够接受的价格进行商业化运营。

2015年将要上市的B级燃料电池车

        具体的价格虽然尚未明确，但他也透露，奔驰燃料电池车的价格会比柴油混合动力车稍贵，“因为柴油车在价格上就比汽油车稍微贵一点，混合动力的柴油车可能还要再多加一点钱。也就是略高于目前混合动力车的一个水平，燃料电池车可以实现量产。”

        奔驰为了达成这个时间点的目标，还与合作伙伴签署了一个《谅解备忘录》，其中有一些是奔驰供货商，“我们都达成了共识，认为在 2015 年实现氢燃料汽车的量产是指日可待的。”

        其实价格一直是燃料电池车推广的一大阻碍，因为目前燃料电池系统尚处于研究阶段，少量购买时，价格较高， 约为3000～5000美元/k W。据2006年11月美国能源部发表的研究报告，若按大批量生产（一般指年产50万套) 的燃料电池发动机计算，2002年燃料电池发动机的价格为275美元/k W，2006年下降为110美元/k w。

        美国能源部提出的目标则是2010年降到45美元/kW，2 015年降到30美元kW，与目前汽油机的价格水平相当。

        除了价格之外，Arwed Niestroj也坦率地承认，“从研发阶段来说，也许可以投入很多，可以造出一辆车来使用氢燃料，但是从研发到变成一个真正的量产的车型，也就是从技术开发到生产的阶段，这中间是有很多技术难关的，包括车辆空间等等各种要素的，因为量产车市必须要考虑消费者的使用感受。”

        这种消费者的“使用感受”事实上不仅指燃料电池汽车产品本身，固然在动力性能、维修、操控等方面，汽车厂商为这种新产品投入了许多精力，但在更重要的销售、服务、加氢等配套环节，才是决定消费者会不会使用燃料电池车的关键所在。

        也即是说，除了燃料电池汽车目前成本高、寿命短、耐久性和可靠性差等主要难点为，配套设施的缺乏，才是燃料电池车在技术进步之外，与成熟的内燃机产业体系最大的差距所在。

        例如如加氢站，维修、配件供应等，基础设施配套建设匮乏让燃料电池车离大众仍然很远，目前各国的计划，都是由点到线、到小区域示范和试用，再逐步扩大、延伸和推广，这需要几十年的时间。目前，北京和上海各只有少数几个加氢站在示范运行。

        虽然Arwed Niestroj表示，在欧洲、日本、美国都有试运行的氢燃料电池车，但无论相关标准还是操作规范，目前都仍在起步阶段，短期内难以与内燃机，甚至电动汽车相比。

政府推动仍然必不可少

正因为配套设施的建设，已经不仅仅是汽车企业，甚至汽车产业一个环节能解决的问题，因此各国政府在燃料电池汽车的研发、推广中扮演的角色，就显得格外重要。

加氢设施的建立必须依靠政府推动

        但各国政府在对研发燃料电池技术上也存在分歧，在支持力度上也各不相同。日本经济产业省前几年就对燃料电池汽车开发与推广制定了时间表，其战略目标是到 2010年，日本使用的燃料电池汽车达到 5万辆；2020年达到500万辆；到 2030年，要全面普及燃料电池汽车。近期日本又计划在 5 年内斥资 2090 亿日元开发以天然气为原料的液体合成燃料技术、车用电池，以及氢燃料电池科技。

        美国前总统布什曾把燃料电池电动车作为“氢经济”论的“法宝”大肆宣传，但2006年2月他已改变了腔调，承认燃料电池电动车“不是近期的解决方法，也不是中期的解决方法，而确实是远期的方法”。在布什第二任总统任期的后3年里，“氢经济”论在美国已气息奄奄，燃料电池的研发重点已转向了基础性研究。2009年5月，美国政府正式宣布停止支持燃料电池电动车的研发。

        不过美国政府对燃料电池技术的研究面很宽，尤其是对燃料电池技术的研究，不仅用于汽车领域，还拓宽到固定电站等其他应用领域。一些州政府也有各自的政策出台，如利福尼亚州于1999年就成立了加州燃料电池合作组织（CaFC P），由汽车公司、燃料供应商、燃料电池开发者和政府机构共同参加，开展燃料电池汽车和代用燃料基础设施示范运行，并拓展商业化途径，其中包括提高公众意识。

        欧盟2008年夏天决定斥资10亿欧元用于燃料电池和氢能源的研究和发展。欧盟此举旨在把燃料电池和氢能源技术发展成为能源领域的一项战略高新技术，使欧盟在燃料电池和氢能源技术方面处于世界领先地位，欧盟将力争在2020年前建立一个燃料电池和氢能源的庞大市场。

        此外为了增强欧盟各国的竞争力，有效利用各国的人力物力资源，欧盟还制定了一些统一的研究计划。欧盟对氢能和燃料电池研发与推广的支持主要通过框架计划（FP）进行。在第6框架计划（2002-2006）（FP6）的175亿欧元资助资金中，有1亿欧元用于涉及氢能制造、氢能贮藏、氢能安全及其标准制订、氢能运输、氢能的最终应用、高温燃料电池、固体氧化物燃料电池、便携式燃料电池以及其他通用技术研发等30个项目。

        正在实施的第7框架计划（2007-2012）（FP7）) ，目的是突破燃料电池和氢能发展的一些关键性技术难点，已开展了灯塔（ LIGHTHOUSE）公开实验项目，包括氢气车队项目、轿车零区（ZERO-REGIO）项目和小型车辆氢气链（HhCHAIN）项目的公开实验，并对这些活动进行管理、分析，其目的是对于已经完成或新开始的与燃料电池汽车相关的公开实验项目进行评价。

        值得注意的一点是，一向被认为长于混合动力汽车，并已取得百万辆销量的日本企业，如丰田、日产、本田等，其实在燃料电池领域也投入不小。在此次新能源系列专题采访中，多个企业或研究机构的人士都对记者表示，日本在燃料电池领域的实力不可小觑。

        在未来的新能源汽车格局中，无论欧洲、美国还是日本，无不想借此发挥自己的优势，改变劣势，纷纷将燃料电池车视为改变市场格局的一次机会。