摘要：作為在應用環節裡真正意義上零排放的清潔能源，氫燃料電池有其獨到優勢。燃料電池汽車具備綠色環保、加氫時間短、續航裡程長等優點，但發展關鍵在於氫能產業和氫能供給體系的建立。新能源汽車的發展不僅僅影響出行方式，同時更是國家能源戰略的重要組成。國內氫供給體系在能源戰略中的輔助定位，使得在未來一段時間內，氫燃料電池汽車恐難以像純電動汽車一樣快速大規模推開，而更適合應用於區域交通等特定場景。
隨著全球化石燃料消耗量日益增加，對於清潔能源的應用需求日益增加。氫能來源豐富，可以高效轉化，使用過程無排放汙染，作為二次能源的載體，在工業、交通等領域中有重要前景。從1968年通用汽車設計生產了第一輛氫燃料電池汽車開始，將氫能應用於交通出行一直是解決環境汙染和能源供需問題的重要途徑。隨著近年來新能源汽車的發展趨勢日益強勁，燃料電池汽車也得到越來越多的關注。氫燃料電池汽車何時爆發，如何判斷其發展方向和關鍵環節，本文將梳理現狀並加以分析。
一、燃料電池原理概述
與普通電池儲能應用不同的是，燃料電池是一種能量轉化裝置，通過反應過程轉化產生能量。由於反應物質從外界而非電池內部供給，因此被稱為「燃料」。氫燃料電池使用的反應物質為氫氣和氧氣，其發電的基本原理可以理解為電解水的逆反應，氫氣作為燃料與氧氣反應後生成電能與水。相較內燃機中燃燒過程而言，氫燃料電池的能量轉化效率更高（>80%），更加清潔環保。
氫燃料電池中，工作於60℃-120℃的低溫燃料電池因其安靜高效，工作溫度適宜，主要應用於汽車。而質子交換膜燃料電池（PEMFC）又是最為主流的技術方向。它利用聚合物質子交換膜如全氟磺酸樹脂膜作為其中的電解質隔膜，用以分隔氫氧並同時傳導質子，通常情況下使用鉑炭作為催化劑。工作時氫氣於電池陽極分解為質子和電子，質子通過隔膜到達陰極，電子在外部電路運行產生電能，電子、質子和氧氣在陰極反應生成水。由於單體電池的放電電壓僅為0.6-0.75V，需要將一定數量的單體電池串聯形成電堆使用。
二、燃料電池產業鏈現狀
（一）燃料電池系統
燃料電池系統包括電堆、供氫系統、進風系統、冷卻系統、加注系統、控制系統等。目前國產燃料電池的水平距國外尚有差距，其中核心部件是電堆。國內電堆生產企業如北京氫璞、威力克、新源動力等，在關鍵指標如壽命、衰減功率上都不及加拿大巴拉德（大洋電機入股，國內建有合資公司）、美國Plug Power（亞馬遜入股）和豐田的TFSC（全封閉體系）。因此部分車型採用系統集成國產化，電堆極板等進口，其他部件採用國產件。
從技術發展現狀看，制約燃料電池應用的瓶頸包括：（1）電堆耐久性差，國內多數在售產品的耐久性在3000-5000小時之間，國外產品在8000小時左右。這意味著在長時間使用情境下如公交車，有可能2-3年就需要更換電堆。（2）生產成本過高。目前燃料電池系統佔整車成本的65%左右，而電堆成本又超過電池系統的60%，其中質子交換膜、鉑催化劑等都造價不菲。此外氫氣容易滲漏對密封性要求極為嚴格，造成維護困難，啟動需要預熱時間等都影響了燃料電池的商業化進程。
（二）整車生產
根據2017年中國新能源汽車目錄統計，共有10家車企、11個品牌的22款燃料電池車。其中客車19款，專用車3款。所有車型續航裡程在300km至600km之間，最高車速在69km／h至110km／h之間。2017年燃料電池車共有8個品牌的10款車型在產，總產量為1272輛，其中燃料電池專用車992輛，佔比78％，燃料電池客車280輛，佔比22％。較2016年燃料電池車總產量629輛同比增長了102％。
國內燃料電池車全部為專用車和客車，一方面是因為乘用車對於技術和成本的要求更高，且面向個人用戶銷售使用的條件尚不具備；另一方面國內燃料電池車處於政策扶持階段，專用車和客車面向園區和公共運輸，符合政策試點推廣的需求，對基礎設施要求也相對較低。根據燃料電池公共汽車在上海世博園區道路運行試點結果，氫氣消耗量約為12kg/100km，單車行駛累計超過3000km，運輸乘客超過1.5萬人次，基本可以滿足公共運輸需求。
乘用車方面中最為知名當屬豐田Mirai，自2014年底上市以來，被認為是最接近商業化的乘用車型。該車最大輸出功率為114kW，10s內可以完成百公裡加速，加氫6kg續航裡程超過500km，售價為44萬元。據統計上市以來累計銷量超過2000輛。此外乘用車還有本田 Clarity、現代 ix35 FC等車型。
（三）氫能產業與基礎設施
從燃油供給體系到電力網絡充電設施，交通車輛一直與能源供給體系協同發展，因此燃料電池汽車的發展關鍵在於氫能產業和氫能供給體系的建立。
國內氫氣主要用於工業生產，交通用氫可忽略不計。氫能產業鏈主要包括制氫、儲運和加氫等環節。根據統計，國內純度≥99%的氫氣年產量約為700億m3，其中90%從各類含氫氣體中提純獲得，另有2%-4%通過電解水獲取。在氫氣儲存環節，主要方式有高壓氣態儲氫、液態儲氫和固態氫化物儲氫。液態氫儲罐和拖車已在國內製造並應用於航天領域，而管道氫氣輸送尚處於基礎研究階段。總體而言小規模儲運有解決方案，但是規模化輸送還不成熟，需解決提高密度、減少蒸發、降低成本等問題。
截止到2017年12月，我國加氫站已有19座。國內外運行的加氫站，基本都採用的是現場制氫加氫模式，避免了輸運環節諸多問題，也適應現階段試點運行的少量需求。國內加氫站建設成本超過1000萬元（200kg/天，不含徵地成本和補貼），現場制氫價格40-50元。未來如果要進一步降低成本並滿足燃料電池汽車大規模使用需求，必須解決規模化制氫和經濟安全輸運的問題。
加氫
三、能源戰略視角下的燃料電池汽車發展
當前很多關於新能源汽車的討論圍繞電池和汽車本身展開。但實際上，新能源汽車不僅僅影響出行方式，同時更是國家能源戰略的重要組成，判斷其發展趨勢應當結合宏觀角度下的能源構成和應用特點加以考量。
如果不考慮能源戰略這一層面，就很難理解以豐田為代表的日本車企為何一度在純電動汽車領域猶豫不決，而試圖堅持從混動到燃料電池汽車這一獨有的發展路線，這與日本政府確立的「氫能社會」目標密不可分。在2014年日本的《能源基本計劃》中，將氫能源定位為與電力和熱能並列的核心二次能源。二次能源是由自然界一次能源轉化而來，是現代社會中能源得以作為商品輸送和應用的載體，無論電力、燃油或者氫能，這些二次能源的配置比重將深刻影響能源應用結構，同時也與本國的能源分布、獲取方式、地域人口等特點密不可分。日本人口密度大，一次能源匱乏，也不具備大規模修建光伏風電水電的條件。因此日本政府考慮在海外利用伴生氫、原油伴生氣和褐煤等利用率較低的能源製造氫再運送到日本國內，並通過推廣家庭燃料電池實現熱電聯供，減少了能源損失。日本的氫能供應體系是隨著整個社會能源體系而建立，其技術發展也不僅僅應用於汽車，氫燃料電池汽車對於將氫能定位為核心二次能源的日本也就順理成章。
反觀中國與日本的能源國情大不相同，廣袤的國土和不均衡的能源分布，使得電力成為最主要的二次能源形式，並通過推廣特高壓等輸電通道和智能電網建設加以強化。如果將火電用於制氫，實際是增加了能量轉化環節，不可避免的帶來能源損失。而建立全國性的氫輸運體系，成本極高也沒有意義。合理模式一是圍繞氫氣製備企業一定距離內開展區域化供給；二是將氫能作為未能上網電能（如部分風光電或水電密集區域）或波谷電能的消納方式，實現能源消納轉移。這樣可以解決部分新能源上網困難，以及能源時間/空間分布不均衡導致的浪費等問題。
因此我國的能源戰略決定了電力是二次能源的核心主體，這為推廣純電動汽車提供了堅實保障。反過來純電動汽車規模越大，在能源戰略中所能夠發揮的調節作用和影響也就越大。國內氫供給體系在能源戰略中的輔助定位，使得在未來一段時間內，氫燃料電池汽車恐難以像純電動汽車一樣快速大規模推開，而更適合應用於區域交通等特定場景。
四、結語
作為在應用環節裡真正意義上零排放的清潔能源，氫燃料電池有其獨到優勢。具備綠色環保、加氫時間短、續航裡程長等優點的燃料電池汽車，得到了有力的政策扶持。在《中國製造2025》中明確指出，到2025年，制氫、加氫等基礎設施要基本完善，燃料電池汽車實現區域性規模運行。國家發改委、能源局發布的《能源技術革命創新行動計劃（2016－2030年）》中把氫能源與燃料電池技術創新研究列為15項重點任務之一。我國的新能源汽車政策中給予燃料電池汽車補貼支持，上海等地也出臺了多項地方性產業政策。
下一階段，提高核心技術水平，降低成本和加強基礎設施建設將是發展重點。根據《國家節能與新能源汽車技術路線圖》的規劃，電堆耐久性2020年達到5000小時，2025年達到6000小時；電池的系統成本2020年降至5000元/kW，2025年降至2000元/kW；加氫站2020年超過100座，2025年超過300座；燃料電池汽車到2020年銷量5000輛，2025年銷量50000輛。通過政策技術雙驅動消除瓶頸，規模效應降成本，推動燃料電池汽車最終實現商業化，成為我國未來新能源汽車戰略中的重要組成。
氫能源汽車
來源：五礦經濟研究院