燃料电池汽车生存空间知多少

文/阮晓东

燃料电池汽车生存空间知多少

文/阮晓东

燃料电池汽车革命也许在不久的将来就会到来，届时将迎来汽车产业更新换代、重新洗牌的时代

在普通电动车逐渐深入人心的时候，燃料电池汽车也开始了上路的征程。作为21世纪最有前途的新能源环保型汽车，燃料电池汽车以其高效、无噪音、零污染等高科技优势，正逐渐成为世界汽车厂商竟相研究开发的热点。目前世界各大强国都制定了自己在燃料电池汽车领域的发展战略，各大汽车企业也纷纷投入巨资对燃料电池进行研究开发。作为一项重要的战略选择，任何国家一旦在燃料电池技术上取得突破并形成产业技术，都会对世界能源和交通发展格局产生重大影响。燃料电池汽车革命也许在不久的将来就会到来，届时将迎来汽车产业更新换代、重新洗牌的时代。

燃料电池汽车再次回归

回顾2015年上半年在新能源汽车领域的新闻，最突出的不是众多企业推出的各式各样的电动汽车，也不是上汽集团与阿里巴巴合作推出的互联网汽车，而是丰田公司推出的Mirai，因为丰田让燃料电池汽车再次回到了人们的视野中。

许多人还记得两年前，丰田宣布将要在2015年上市一款造价控制在5万美元左右的燃料电池汽车，而在当时，一款普通的燃料电池汽车的成本就在100万美元左右，丰田在众多人的质疑声中开始了研发过程。很多人没想到，两年后，丰田居然兑现了诺言。丰田发布Mirai的影响有多强烈，看一下众多汽车界大佬的反应就知道了。

日本汽车巨头本田不甘示弱，马上表示将在2020年前大规模量产燃料电池车。本田内部人士表示，本田的燃料电池车从概念阶段转化为量产的工作进行的非常顺利，之前亮相的FCV概念车在技术上已经接近量产。据了解，FCV概念车采用了70兆帕压力的氢燃料罐，这使得其燃料电池堆的体积比之前FCX Clarity车型所装配的小了33%，但容量却提升了60%。宝马公司也在之后几个月发布公告称计划在2020年前推出一款量产燃料电池汽车，或隶属于旗下“i”新能源车系列。据悉，宝马现阶段正在与盟友丰田展开技术合作，涉及燃料电池领域。

与此同时，汽车巨头包括奔驰、现代、通用和福特都表示将于近期推出自己的燃料电池汽车，也有分析人士认为，作为接替纯电动汽车的下一代汽车产品，燃料电池汽车几乎是这些汽车厂商的唯一选择。

目前，燃料电池技术已取得很多进步，成本方面降低了很多。根据美国能源部研究：目前燃料电池成本比2008年降幅超过30%，比2002年降低80%(据大规模制造预测，从2002年的275美元/kW降到49美元/kW)。成本降低反映出包括膜电级、白金使用量减少等一些关键技术的进步。美国能源部要求到2017年燃料电池成本控制到与目前汽油机相当的水平，即30美元/kW。

表1： 部分国际汽车企业及集团推出的燃料电池车型和推广基本情况

与此同时，5月8日发布的《中国制造2025》与2012年6月28日发布的《节能与新能源汽车产业发展规划》（2012～2020年）都具体列出了中国新能源汽车的发展方向。

而《节能与新能源汽车产业发展规划》（2012～2020年）的表述是：本规划所指新能源汽车主要包括纯电动汽车、插电式混合动力汽车及燃料电池汽车。《中国制造2025》的表述是：继续支持电动汽车、燃料电池汽车发展。对于燃料电池汽车领域，《2025》要求，到2020年，燃料电池车将不再局限于是概念车，到2020年，生产1000辆燃料电池汽车并进行示范运行;到2025年，制氢、加氢等配套基础设施基本完善，燃料电池汽车实现区域小规模运行。

之所以各个国家都非常重视燃料电池汽车的发展，是因为和充电式电动车比起来，氢燃料电池汽车的战略地位非常重要，特别是对于中国这样的非石油出口国来说。

因为在世界的能源格局中，燃料电池具有明显优势。氢是世界上最多的元素，氢气来源极其广泛并且是可再生资源，由于燃料电池是化学能直接转换为电能，相比内燃机的燃烧作用不会产生大量废气与废热，转化效率更可超过50%（内燃机转化效率为10%），排放物也只有水，也不会对环境温度造成影响。使用寿命长于电化学电池并且电池维护工作量很小。相比于纯电动车的充电时间来说，一个优势在于补充能源速度较快——直接在氢燃料补充站添加燃料即可。燃料电池加注氢气的时间很短，几乎与内燃机汽车添加燃油时间相当，大约在3-5分钟左右。比如刚刚上市的Mirai这款燃料电池车加满一箱氢气只需3分钟，加满燃料后可连续行驶650公里以上，续航能力丝毫不亚于传统的石化燃料车辆，所需的燃料费用与汽油成本相当。

表2： 燃料汽车工业化过程中面临的主要问题

燃料电池汽车VS纯电动汽车

近些年来中国电动汽车的频繁亮相，人们早就习以为常。加上政府的大力支持和充电站的建设日趋成熟、电动汽车在市场上已经成为重要的汽车换代产品。

相比之下，同样作为新能源的燃料电池汽车却是几度沉浮，虽然各方面性能都让它有望成为内燃机汽车的替代者，但曾经燃料电池组件高昂的售价和人们对其可靠性的质疑，使其仍旧离我们很远。对于中国来说，发展燃料电池汽车需要解决的问题还很多，有些问题如氢气的安全储存、贵金属的代替，质子交换膜稳定性、燃料电池的低温性能、环境敏感度、启动速度和能源耗费都是摆在中国厂商面前的难题。

如果以产业链组合的角度来理解燃料电池汽车，就会发现汽车厂商只是其中的一环，燃料电池汽车行业本真涉及的关联行业太多，其发展对整个国民经济都有影响。比如对于中国来说，要发展氢燃料电池汽车，就必须重建一套产业链，要付出极大的科研投入来更新整个产业链上的技术，而且这套产业链的建立本身就很昂贵，性价比不高。所以我们看到目前美国、德国甚至中国都会从自己本国的优势出发，首先发展的是电动汽车，没有给氢燃料电池路线过多的补贴，跟进的企业也没有太多。

但在今天看来，电动汽车的优势随时都可以转化为劣势。即使业界从没有否定纯电动汽车的说法，尤其认为纯电动汽车在近距离通勤方面占有优势，比如作为近距离通勤车，EV可以在晚上睡觉的时候充电，供第二天使用；另外电是直接通入家中的，这样即使建立充电桩，但是其在社会基础设施方面已经没有问题。不过，EV在续航里程方面的限制也造成了著名的“历程焦虑”问题，这也成为很多人在电动汽车面前犹豫不决的原因。

比如中国推出的多款电动汽车，江淮的IEV5只有180公里作用，北汽的EV200也只有200公里左右，其他的比亚迪秦在300公里左右，但是电池的容量到这里已经成为一个峰顶，目前业界还无法说能够解决EV续航的问题。由此这也至今导致电动汽车的易用性大打折扣。

自由出行、想到哪儿就能到哪儿是汽车的根本价值。也就是说，能够自己决定目的地、路线、日程非常重要。需要花很长时间补充燃料会限制汽车的使用概率。从汽车的属性来看，汽车已经不仅是“代步的工具”，而是成为延伸人的社会属性的“必要产品”，对于扩大人的社交范围和提高人的工作效率非常重要。但是对于EV来说，即使提高电池的能量密度，增加容量，充电也需要很长时间；即使快速充电设备30分钟左右可以充满，但是如果前面有1辆汽车在等候充电，轮到自己充好就需要1个小时。而MIRAI充满氢气只需要大约3分钟，与汽油车相当。这样的效率，能不让人心动吗？

此外，对于燃料电池汽车的一系列关键问题，也并非无法解决。比如目前供氢基础设施还不完善，在易用性上存在限制，但这不是本质问题，只要花时间就能解决。虽然燃料电池内的电解质薄膜制作工艺复杂，产量很难提高，催化剂铂金属的价格很高。但丰田降低了铂金属的使用量，并且将电解质薄膜做的更薄用来提升燃料电池的性能。这都表明上述问题可以通过技术的进步得以解决。

燃料电池，超越电站和叉车到汽车

燃料电池是当下新能源应用中最令人激动和遐想的领域。在今天的社会，化石燃料给社会的挑战正在已趋严重。当一个社会无法再继续依赖化石燃料的时候，能源的储存和运输性将依靠什么?很多科学家认为是氢气。所以为了实现社会可持续发展，发达国家首先完成了燃料电池在固定式电站和叉车等领域的商业应用。

比如美国燃料电池的产业化就主要应用在大型商用固定式电站和叉车等领域。著名燃料电池应用企业PlugPower的GenDrive燃料电池叉车系统得到了奔驰、宝洁、沃尔玛等企业的较大规模订单；BloomEnergy的S0FC固定式燃料电池发电站不仅被Apple选用为位于北卡的iCloud服务器提供电源，还得到了Google、Microsoft、Adobe、eBay等IT巨擘以及可口可乐、FedEx等传统产业龙头的青睐；FuelCellEnergy还在北美和亚洲各建立了100MW燃料电池产能发电站，为浦项制铁等工业企业提供电力供应。

加拿大Ballard公司作为全球领先的燃料电池的设计和制造商，Ballard为电信、交通、分布式发电、叉车和公交车等下游提供燃料电池系统以及整体解决方案。该公司在美国上市后，成为NASDAQ上市公司中首个实现经营性盈利的燃料电池企业。同时近年来，加拿大在燃料电池公交等市场的商业化推广节奏也实现了与美国接近同步。日前加拿大Ballard能源系统公司与北京碧空氢能源科技股份有限公司签订了意向性协议，将为中国客车开发燃料电池。目前Ballard已经开始为加拿大、巴西、印度、中国和更多国家的客车生产燃料电池。

在燃料电池完成在电站和叉车等领域的布局之后，很多公司都认为燃料电池最大的市场其实是在汽车中。100多年以来，推动汽车不断进步的一直是以汽油为燃料的内燃机。内燃机汽车的飞速发展也成就了规模宏大的石油行业。但在未来，汽车必须降低对于汽油等化石燃料的依赖，化石燃料的储量终归是有限的，包括中国在内的许多国家已经承诺要对气候变暖的问题作出实质性的贡献。目前在发达国家，消耗的能源中，汽车占1/5～1/4左右。为了能够让能源多样化，目前热门候选是电和氢。特别是以氢为燃料的燃料电池汽车在行驶时不排放氮氧化物和二氧化碳，这一点极具魅力。

正因为如此，众多的汽车公司站在未来的角度开始布局燃料电池汽车。一方面，汽车拥有远胜于叉车和家用乃至商用储能的市场容量；车用燃料电池也是燃料电池商业化领域中综合要求最高的一类。而选择了燃料电池汽车，则是从技术路线的选择与战略地位的角度奠定一个公司未来数十年的汽车领域竞争格局。

以这样的观点来看，大众、现代、通用、丰田、上汽等多家国内外车企加大对燃料电池的研发力度是非常正确的。从技术进步的角度来看，这些公司也没有将投入放在一个篮子里，而是在混合动力、电动汽车、燃料电池等领域都有分布。技术的进步是不可想象的，一旦这些国家的燃料电池技术取得突破，那么将对类似中国这样以电动汽车为主要新能源汽车发展方向的国家产生致命的威胁。到时候，中国的电动汽车产业要么被孤立，要么则要为中国在5年前一哄而上做电动汽车的决定付出代价。能源的技术是21世纪飞速发展的技术，今天来看丰田用三年左右时间将一台100万美元成本的燃料电池汽车降低到5万美元，就能看出技术的发展有多么快。如今，动力电池领域还有最新的锌-空气电池，超级电容器、红磷-石墨烯电池和锌碘流体电池，任何一项技术，都有在未来成功商业化的可能。

作为一项重要的战略选择，任何国家一旦在燃料电池技术上取得突破并形成产业技术，都会对世界能源和交通发展格局产生重大影响。

表3： 美国派克公司对车用燃料电池发展阶段的时间预期

美国市场研究机构派克公司认为，2020 年之后燃料电池汽车有望达到锂电池汽车目前的水平。在 2015-2020年阶段行业的变化趋势逐渐趋于明显，随着基础设施的完善和个人需求的增长，燃料电池将在这一阶段加速发展。