日本新型氢燃料电池汽车及其产业发展前景

张同林　上海社会科学院城市与人口发展研究所



日本新型氢燃料电池汽车及其产业发展前景

张同林上海社会科学院城市与人口发展研究所

摘要：因氢能具有资源丰富、来源广泛、燃烧值高、清洁环保和可循环利用等一系列优点，以氢气为燃料的电动汽车被认为是最有可能实现产业化、替代传统汽车的新型交通工具，为此，多国政府和企业竞相实施氢燃料电池汽车研发和示范计划。2014年12月，日本丰田汽车公司推向市场的一款新型氢燃料电池汽车，以其崭新的氢气直接发电驱动技术原理、续航距离长、能源使用效率高以及实现有害气体零排放等格外引人注目。对国内外电动汽车和氢燃料电池汽车发展相关最新资讯、资料进行综述，对日本新型氢燃料电池汽车发展情况和产业前景等进行简要分析。

关键词：氢动力；电动汽车；产业前景

1　世界氢燃料电池汽车发展概述

氢具有很高的能量密度，释放的能量足以使汽车发动机运转，且氢与氧气在燃料电池中发生化学反应只生成水，没有污染。氢燃料电池车是一种将车载储气罐中储存的氢气通过车载燃料电池发电后驱动电动机运行的电动汽车。以氢为能源的燃料电池技术是21世纪汽车产业的核心技术，它对汽车工业的革命性意义，相当于微处理器对于计算机产业的重要性。

氢燃料电池车本身工作没有噪声、没有振动，其电极仅作为化学反应的场所和导电的通道，本身不参与化学反应，没有损耗，寿命长。与传统汽车相比，氢燃料电池车能量转化效率高达60～80%，为内燃机的2～3倍。氢燃料电池的燃料是氢和氧，生成物是清洁的水，它本身工作不产生CO和CO2，也没有硫和微粒排出。因此，氢燃料电池汽车是真正意义上的零排放、零污染的车，氢燃料是完美的汽车能源。

随着科技的进步，曾经困扰氢燃料电池发展的诸如安全性、氢燃料的贮存技术等问题已经逐步攻克并不断完善，然而氢燃料电池车要走上商业化道路，成本问题依然是阻碍氢燃料电池车发展的最大瓶颈。氢燃料电池的成本是普通汽油机的100倍，这个价格是市场所难以承受的。目前欧美国家以及中国同济大学制造氢燃料电池车的批量生产单车成本大约是普通汽车成本的10倍。尽管氢燃料电池轿车加一次氢可跑300多km，时速达140～150 km/h。但是氢燃料电池轿车比同类型内燃机车重量超过200 kg，市场销售价格贵5倍以上。即使在国际氢燃料电池汽车产业处于领先地位的日本的本田FCX车的售价也在1 000万日元（相当于50多万元人民币）以上。2014年丰田汽车公司推出的氢燃料电池汽车，解决了氢气直接发电驱动汽车行进的难题，使氢气的使用成本能比使用汽油更便宜。

2　日本新型FCV氢燃料电池车概况

2014年6月15日日本丰田汽车公司隆重推出一款新型氢（动力）燃料电池汽车（Fuel Cell Vehicle，FCV）。据报道，该款新型氢燃料电池汽车于2014年12月在日本市场上销售。截止2015 年3月，该型车已经预售出1 200辆，远远超出丰田公司预计销售400辆的市场预期。

2.1性能与价格

该车（丰田FCHV-adv）的车体长度4890mm，宽1 815 mm，高1 535 mm。最大时速可超过160 km/h。氢气充填压力大约为700个大气压（70 MPa），比本田FCX氢动力车高出一倍。氢气储气罐容积为156 L，比本田FCX氢动力车的171 L略小一些。在正常情况下，充气时间只需花费3 min，较最好的电动汽车充电时间减少10min以上。该车充一次氢气即可续航700 km，最大续航距离为830 km，比目前国际市场上最先进的本田公司的本田FCX氢动力车续航距离多210 km。

该车的市场零售价格为7 236 000日元（约合人民币37万6 000元），减去日本政府对环保车减税和政府的CEV车的补贴2 252 900日元，实际销售价格为4 983 100日元（约合人民币25.91万元，低于中国比亚迪汽车公司BYD Qin牌电动汽车约30万元/辆的市场售价）。该车各项的技术性能指标是目前世界同类电动汽车产品中最先进。

2.2动力原理创新及其特点

与丰田之前推出的汽油混合动力电动车和纯电动车型不同，FCV氢燃料电池汽车是通过车载氢气储气罐中储存的氢气直接与氧气反应、产生电能、驱动车辆运行的。该型氢动力燃料电池汽车的动力原理不同于传统的汽油和氢气内燃机汽车，无需通过内燃机内的氢气燃烧产生动力驱动汽车，而是通过氢气与氧气之间的直接电化学反应发电，产生驱动汽车运行的电能，动力原理的创新使该型燃料电池车的综合能源使用效率达到80%以上，较汽油汽车高出近3倍，大大超过普通电动汽车60～80%的能源综合使用效率，节能效果十分显著。

此外，该型车不需要配备笨重的车载外部充电式蓄电池，不仅减轻了车体重量，减少蓄电池资源的消费需求，同时由于氢燃料电池电动车之产生水，不会排出任何汽车废气，从而使其成为真正实现CO2零排放的最清洁的车辆。而同样搭载氢储气罐的内燃机车辆仍会有少量有害的NOx产生，环保效果则相对差一些。

2.3主要技术设备及其功能

（1）燃料电池（图1）

图1　燃料电池

图2　燃料电池将氢气与氧气结合进行发电原理

燃料电池技术是氢动力汽车的核心技术。它在汽车中实际上发挥着发电机的功能。这种燃料电池是一种通过利用氢气与氧气的发生电化学反应产生电能的发电装置，它通过将车载储气罐中的氢气与电池的负极连接、向燃料电池的负极供给氢气，同时把空气送到燃料电池的正极，从而使燃料电池产生电能。

燃料电池就是将那些高分子电解膜上涂有触媒（亦即催化剂，一般由金属铂或者其他具有强烈吸引氢离子能力的金属作为催化剂）的电极复合体（MEA）用分离器将它们集合到一起的、被称为 “发电细胞”的物体组成的。它的单个发电细胞的电压大约在1 V以下，将数百个发电细胞排列连接起来就会提高电压，众多发电细胞集合到一起就会变成蓄电池。通常，人们就把它称为“FC”储存，这就是所谓的燃料电池。

氢燃料电池的能源使用效率高，由于氢气不经过燃烧就会直接变成电能，从理论上讲，氢气拥有能量的83%就会变为电能，这种能量转换比汽油发动机的能量使用效率至少高出2倍以上。

（2）用燃料电池将氢气与氧气结合进行发电的原理（图2）

将氢气提供给电池的负极后，电池负极的催化剂将氢气中活跃的电子释放，从氢气中分离出来的电子就会从电池的负极向正极流动，产生电能。氢气处于释放状态时，从氢气分离出来的电子就会通过高分子电解质膜向正极方向移动，正极的催化剂就会将空气中的氧气与氢离子以及电子结合，从而产生水。

（3）车载电池（图3）

图3　车载电池

即用于实现充电和放电功能的电池，汽车减速是从发动机中收回能量并将其储藏起来，加速时增强燃料电池的输出功率。“丰田FCHV-adv”搭载的是最大功率为21 kW的镍氢电池。

（4）电动机（图4）

“丰田FCHV-adv”使用的发动机是丰田公司自己开发的同步交流电动机，最大输出功率为90kW，最大扭矩为260 N·m（26.5kg·m）,汽车减速是作为发电机发挥功能，将能量回收储存。

图4　电动机

（5）能量控制组件（见图5）

“丰田FCHV-adv”使用的能量控制组件是由能够将燃料电池产生的直流电转化为驱动电动机做功用交流电的变压器以及能够与二次电池进行输出入功率转换的DC/DC转换器构成。它能在汽车运行状态下，对车载燃料电池功率的输出以及二次电池的充放电进行精密的控制。

图5　能量控制组件

（6）高压氢气储气罐（见图6）

“丰田FCHV-adv”氢燃料电池汽车使用的车载高压氢气储气罐是丰田公司开发的用合成树脂和碳纤维等材料制作的70 Mpa高压储气罐（中国目前使用的是35 Mpa储气铝内胆碳纤维复合气瓶）。储气罐储存的性能世界领先；内容积：122.4 L（前面容量60 L，后部62.4 L；储气罐重量5 kg）。

图6　高压氢气储气罐

该型氢气储气罐的内胆采用的是能有效防止氢气泄漏、具有高强度防止氢气穿透功能的PA类合成树脂（世界排名第三的合成树脂生产厂商-宇部兴业公司生产的“UBENYLON 1212IU”碳纤维尼龙合成树脂以及尼龙6树脂），中层使用的是碳纤维强化复合材料；外层使用的是经过优化设计和制造技术改良的玻璃纤维强化复合材料，并在抗挤压、抗扭曲、抗穿透和抗膨胀等方面对储气罐的外层进行了最优化超薄型设计。在提高储气罐内容积同时，实现了储气罐的氢量化，进而通过提高储气罐的氢气充填能力，扩大了汽车的续航距离。能承受行驰速度达到80 km/h汽车的强力冲撞。

2.4氢气制造方法和使用成本

（1）利用天然气分解法制造氢气

出于降低氢气生产成本、减少电能消耗以及氢气的生产和储存安全便利等多方面考虑，丰田汽车公司以日本城乡普遍使用的都市家用天然气作为氢气的生产原料制造氢气。其方法是：用催化剂将大型储气罐中的天然气分别分解为氢气、氧气和CO2等气体后，分别将不同的气体装入不同储气罐内储藏起来。氢气可为氢燃料电池汽车提供燃料；氧气可用于多种生产和生活等方面的用途；CO2气体可制成干冰保存，可用于多种用途。这种制作方法简单易行，生产成本较电解法生产氢气成本较低、环保节能。

（2）氢气和汽油的使用成本比较

根据日本燃料生产厂商岩谷产业株式会社2014年11月发表的氢气充气站的氢气销售价格，目前日本市场上氢气售价为1 100日元/kg。

根据日本经济产业省公布的资料显示，日本的氢气售价为110～150日元/Nm³，氢燃料电池汽车每公里消耗氢气的成本约为10～14日元（约为0.5～0.7元人民币）；汽油的市场售价为140～170日元/L，汽车行驰每公里的成本为14～17日元（约为0.7～0.9元人民币）。由此可见，氢燃料电池汽车的每公里运行成本大约为汽车的运行成本的72%，显然比汽车要低。

3　丰田氢燃料电池车的产业前景

3.1氢燃料电池汽车市场潜力喜人

从目前丰田汽车公司推向市场的“未来”牌FCV氢燃料电池汽车的各种技术经济效果看，其不仅具有逐步代替燃油汽车的广阔产业发展前景和市场潜力，而且正在向产业化和市场化方向推进。

（1）完全实现有害气体零排放，受到市场欢迎和消费者青睐。

截止2015年3月该型车已经预售出1 200辆，远远超出丰田公司预计销售400辆的市场预期，但由于生产技术和生产能力等方面限制，丰田公司不能及时满足市场需求，消费者需要等一年左右才能领到车。

（2）续航能力被市场认同。

该车一次充气的续航能力800 km，已达到世界汽车续航能力领先的技术水准；充气时间仅为3 min，远远小于世界上最好电动车充电所需要的15min时间。

（3）实际售价正在被消费者接受。

该车市场零售价格虽然偏高，但是在减去日本政府对补贴2 252 900日元的实际销售价格为4983 100日元（约合人民币25万9 100元），其售价易被市场和消费者所接受。

（4）具有使用成本优势。

燃料电池车每公里运行成本仅约为内燃机燃油汽车的70%，具备实现汽车使用氢气替代燃油的成本优势，不仅节能降耗效果明显，而且从经济上易被消费者接受。

3.2实现产业化需解决的技术经济问题

氢燃料电池车发展取得喜人成果，但要实现产业化需解决以下几方面的技术经济问题。

（1）燃料电池寿命较短

多份技术资料显示，目前FCV氢燃料电池汽车的核心技术设备燃料电池的使用寿命约为5 a，使用寿命较短，造价较贵，燃料电池替换成本较高，技术和安全上的担心以及使用成本等方面的顾虑，易让消费者望而却步。

造成燃料电池寿命较短和成本较高的原因主要是：1）目前氢燃料电池汽车使用的燃料电池是在低温条件下发挥功能的固体高分子形态的燃料电池（PEFC），汽车频繁进行启动、停止转换产生的热膨冷缩易造成电池损坏；2）通过电解质进行氢离子交换的合成树脂容易老化和劣质化也导致燃料电池性能逐渐降低，从而影响燃料电池寿命。

（2）生产成本和量产能力受铂供给价格制约

用于固体高分子形态的燃料电池进行低温反应的触媒（催化剂）是稀有金属铂，它主要被用作排放和净化氢气的催化剂使用。目前，全世界金属铂年产量只有约250 t，铂的稀缺性及其高昂售价严重制约着燃料电池的生产，受其制约，目前世界上多数汽车生产厂商的氢燃料电池汽车售价都超过1 000万日元。主要技术原因是铂作为催化剂的功能无法被其他金属替代，寻找能够代替铂发挥相同作用的其他金属材料是目前汽车科技攻关的世界性难题，也是降低氢燃料电池汽车生产成本、提高产量，推进氢动力汽车真正实现产业化的根本出路。

（3）充气基础设施建设滞后

氢气充气站较少、充气不便、难以满足氢燃料电池汽车使用者日益增长的补充燃料需求问题，是困扰消费者的市场购买行为的主要原因。为加速推广和应用氢燃料电池汽车，必须加速充气基础设施建设满足市场发展需求。然而，要在原有汽车加油站的基础上大规模兴建氢气充气配套相关设施，需要投入大量的基础设施建设资金。据日本有关部门计算，新建一个氢气充气站大约需要3～5亿日元（约合人民币1 600～2 600万元）投资。如果在日本进行大规模的氢气充气基础设施建设，日本政府和相关企业都难以拿出数十万亿日元的投资资金，因此目前日本正在东京周围以及几个重要的大城市尝试进行数十个充气站的改扩建活动。充气站建设的滞后严重影响氢燃料电池汽车的推广应用，使其产业化和市场化发展举步维艰。

（4）售价依然偏高、推广普及难度较大

尽管丰田汽车公司通过率先采用合金材料替代稀有金属铂作为燃料电池催化剂而大幅度降低了新型氢燃料电池汽车的生产成本，但是该车的市场销售价格依然达到723.6万日元。这个价格相当于日本高档皇冠（Royal）牌燃油汽车售价363万日元的两倍，相当于日本普通工薪阶层职员两年的实际纯收入。过高的售价让普通的工薪阶层望而生畏，尽管日本政府通过加大补贴力度，将该车的售价降到498.3万日元，该车的市场销售有所起色，但是目前该车的市场销售情况与真正实现产业化要求相比仍然有很大的距离，还有很长的路要走。

参考文献

[1]日本丰田汽车公司网页登载的氢燃料汽车相关资料。http://www. toyota.co.jp/jpn/tech/environment/technology_file/fuel_cell_hybrid.html

[2]“水素エネルギーの期待と課題”、http://www.itmedia.co.jp/ articles/1408/07/news019.html.

[3]“江大与新能源车企联手攻克电动车产业国际难题”，《江南晚报》2015年4月21日。

[4]“亚洲两大汽车重镇——中国和日本，在争夺电动汽车能源供应方式主导权——电池还是氢燃料电池。”，《凤凰网》2015年10月29日。http://tech.ifeng.com/wys/special/zghrbzqclyzkzdz/。

[5]Joao Vitor Fernandes Serra著、朱磊译《电动汽车技术、政策与市场》，机械工业出版社，2013年5月。

节能信息与动态

New Type Hydrogen Fuel Cell Vehicles in Japan and Its Industry Development Prospects

Zhang Tonglin
Shanghai Academy of Social Science City and Population Development Institute

Abstract:Hydrogen has some advantages, such as: rich resources, extensive supplies, high calorific value and recyclable use so that hydrogen fuel cell automobiles is considered to be new type transportation vehicle to achieve industrialization instead of traditional vehicles. Many countries and enterprises compete to implement hydrogen fuel cell vehicles research and demonstration programs. in Dec, 2014, Japanese toyota company introduces one new type hydrogen fuel cell vehicle, whose brand new and impressive advantages include direct hydrogen driven technology, long distance endurable power, high energy efficientybook=87,ebook=33and zero harmful emission. The article describes lastest relevant information and materials domestic and overseas electric vehicle and fuel cell vehicles and briefly analyzes development situation and industry prospect of japanese new type hydrogen fuel cell vehicles.

Key words:Hydrogen Power, Electric Vehicles, Industry Prospect

[作者简介]

DOI:10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.02.007

张同林：（1961-），男，日本筑波大学博士，现任上海社会科学院城市与人口发展研究所区域发展研究室主任、副研究员。