[深度长文]氢燃料电池汽车的原理和未来展望
目前国内纯电动车已经发展到了第四阶段，预计在2025年纯电动车达到第五阶段，那时的纯电动汽车综合性价比将会超过燃油车，达到纯电动车“大发展”的时代。
每当我们聊到这些新能源话题时，都会谈论电动车、混合动力车、燃油车这三者谁更经济更环保。也总会有网友的评论就好像弹幕一样在我脑海中浮现“电动车都是骗人的”、“混动车省油不省钱”、“燃油车终将被淘汰！”。
最近我还看到这样一句评论“氢燃料电池车才是未来！”
没错，燃料电池车也是国家推广的新能源路线之一，那么氢燃料电池车能否完全取代电动车、燃油车成为真正意义上的未来呢？今天熊主任从氢燃料电池车的原理、氢燃料电池车可行性经济性、未来发展前景三大方面来分析。
第一部分，燃料电池车（FCEV）的工作原理。
1，氢燃料电池反应堆栈工作原理：
说到氢燃料，想必大家都能联想到火箭推进器的一种燃料类型——液态氢液态氧。我在儿时佳片有约看过的电影《火星任务》中有个片段，就是飞行器遭遇微流体星，燃料泄露，点火爆炸导致飞行器损坏的大场面。还有就是6天冲破20亿，被誉为中国科幻电影的里程碑——《流浪地球》，氢气是贯穿整部电影的核心线索，开场对白就有“氢气是什么”。
之所以用氢做燃料，一方面是氧化反应后只产生没有污染的水（化学方程式2H₂+O₂=2H₂O）。另一方面就是氢气的能量密度极高，氢气的能量密度最高可达到143MJ/Kg，是汽油的3.25倍，是三元锂电池的130倍。这么说可能不是很好理解，我们就简单拿氢燃料电池、汽油、纯电动轿车对比：
氢燃料电池车加注1kg氢气，大约可以行驶100km；燃油车加注1kg汽油大约可以行驶20km；纯电动车1kg电池单体储存的电量仅能行驶1~2km！
备注：燃油紧凑轿车百公里7L油耗计算、紧凑纯电动车汽车百公里能耗15kWh，电池单体密度150~300Wh/kg计算
我在和朋友们聊天时了解到，一部分人会认为氢燃料电池车是以氢气燃烧产生动力驱动车辆行驶的，其实不然，氢燃料电池是一种通过氢气与氧气的化学反应从而产生电能的装置，是一种利用化学能发电的装置。（当然也会存在纯粹靠燃烧氢气产生动力的车辆，那种就不是氢燃料电池了，可以定义为“氢内燃机”，这类不在此次讨论范围。）
如上图所示，氢燃料电池中，“质子交换膜”两侧的铂催化剂层将氢分子和氧分子分别分解为带电离子状态。因为氢分子体积非常小，携带电子的氢可以透过质子交换膜的微孔游离到对面去，但带电子的氢质子在穿过“质子交换膜”孔洞的过程中，电子被剥离，只有带正电的氢质子达到了薄膜的另一端。而电子只能通过“导线”在两块极板之间移动，电荷的移动就是产生了电流。随后2个氢离子和1个氧离子结合成为水，这就是氢燃料电池车唯一的排放物——水（H₂O）。
当然只靠一片质子交换膜产生的电能是非常有限，例如丰田首款量产氢燃料电池车Mirai其氢燃料电池模组可输出114kW的发电功率，它就是由370片薄片燃料电池叠堆组成的，因此被称为“氢燃料电池堆栈”。
2，氢燃料电池车工作原理和结构：
上为氢燃料电池车的工作原理图和结构图。加氢站加注氢气到高压储氢罐=>>燃料电池反应堆栈利用氢气和空气中的氧气反应发电=>>通过升压转换器提升电压给动力控制单元=>>驱动电动机转动牵引车辆。其中还是有一个储能电池，它是可以储存燃料电池产生的多余的电能，也可以在燃料电池输出不能满足电机动力需求时提供稳定的电力，相当于缓冲/稳定电能的作用。当然也可以用来能量回收，在刹车的过程中将动能转换成电能储存到电池里。
3，对比内燃机增程式电动车、纯电车，氢燃料电池车的优点：
通过了解氢燃料电池车的结构图，大家应该会联想到，氢燃料电池车的结构是和增程式电动车有点类似的！没错，它们都有电池、电机、电控这3大件。不同之处是增程式电动车增程器是使用燃油内燃机，依旧会排放尾气。而氢燃料电池车发电装置是使用的清洁能源，只会产生没有污染的水。
同样“零排放”的纯电动车和氢燃料电池车对比，最大的区别是，后者只需要加氢3分钟即可获得500km以上的续航。而纯电动车的充电速度。。。呃~怎么说呢~充电1小时都鲜有达到500km的，并且很多电动车综合续航还无法达到500km。未来5~10年，纯电动车或将达到350kw的充电速度，换算到3分钟大概可以充100km。
氢燃料电池车如此完美的拥有了0污染、氢气加注速度快的优点，这是燃油车和纯电动车望尘莫及的。貌似这2点就足以支撑“氢燃料电池车才是未来”的理论！你们看，丰田首款量产氢燃料电池车Mirai的命名，Mirai即为“未来”的意思。
第二部分，氢燃料电池车可行性和经济性
看了第一部分原理分析和优点，什么各种完美，又什么未来的，是不是感觉熊主任把燃料电池车（FCEV）吹上天了啊？那么第二部分还是着手实际谈一下氢燃料电池车的技术可行性和经济性。
1，技术可行性：
在国内氢燃料电池研发相对日韩是比较滞后的，主要原因是研发起步晚，致使氢燃料电池车整个体系，从制氢、储氢、燃料电池堆等技术上都没有足够产业支持。
（1）氢气的来源的技术难点
国内主流的制氢方法有：
① 电解水制氢法：技术成熟、过程简单，但是成本较高、耗电巨大；
② 甲醇裂解制氢法：甲醇(CH3OH)原料来源广泛，制氢投资低，但是生产规模有限。目前也有加注甲醇的燃料电池车，就是在车上完成制氢、氢发电的过程；
③ 焦炉气中取纯氢法：这是个大规模制氢的方法，技术成熟成本也低。焦炉气主要含有H2（55~60%）、CH4（23~27%）、CO（5~8%）等，是炼焦工业的副产品，具有污染；
④ 天然气制氢法：也是大规模制氢法，但是工艺复杂、原料利用率低，并且我国的天然气也是比较缺乏的资源（天然气通式是CnH(2n+2)，n≥1。甲烷（CH4)占大部分，少量乙烷(C2H6)，丙烷(C3H8)和丁烷）。
从以上的制氢方法来看，虽然制氢方法很多，但是都不能同时兼顾环保、高效、成本低、规模大的制氢技术优点。
（2）储氢罐的技术难点
氢的储存方法分为高压气态储存、低温液态储存、固态储存三种。目前新能源车应用的是高压气态储存，全球范围量产车达到了70MPa的水平，正在往80MPa级别发展。高压气态存氢罐是由碳纤维、玻璃、陶瓷等组成的薄壁容器。而我国目前70Mpa高压储氢容器处于探索阶段，还没有生产能力，主要依靠于日本进口。
通过查询相关资料，目前国内投放市场的氢燃料电池车以公交车为主，其储氢罐为35MPa级别。这是什么意思？意思就是我国的量产氢燃料电池车还是受储氢罐的技术限制的，还处于公共交通领域的试点阶段。35MPa的储氢罐技术还不能塞进乘用车里，或者塞进乘用车续航还不能达到目前的电动车的续航水平。
这个说法不难验证，比如丰田Mirai，车身长度4890mm，轴距2780mm，属于中型车的尺寸，2只70MPa的储氢罐容纳122.4L氢气，可提供500km的续航里程。但是它的后排乘坐空间和后备箱空间就比较鸡肋了！本田Clarity储氢罐的容积达到了141L，续航589km，车身长度4915mm比本田Mirai尺寸还大，同样也被储氢罐侵占了很多后备箱空间。很明显，虽然氢气的能量密度很高，但是受制于整套燃料电池系统庞大的体积，圆柱状的储氢罐塞进车内严重侵占乘坐和储物空间，使燃料电池乘用车的实用性大打折扣。
如果换成国产的35MPa级别的储存罐，塞进轿车里，您觉得还能有多少乘坐空间，或者续航降低多少呢？
（3）氢燃料反应堆栈的材料、寿命等技术难点
好的，终于说到燃料电池本身了，上篇原理也讲过了。氢燃料反应堆栈核心的材料是“质子交换膜”和“铂催化剂电极”。
①质子交换膜：
常用的质子交换膜为全氟磺酸质子交换膜，全氟物质的合成和磺化都非常困难，而且在成膜过程中的水解、磺化容易使聚合物变性、降解，使得成膜困难，导致成本较高。资料显示美国科慕Nafion质子交换膜价格为120美元/kW，例如一台燃料电池车电池堆栈为100KW，那么仅质子交换膜成本就高达1.2万美元。这单价可比80美元/KWh三元锂电池的原材料成本要高一些。当然燃料电池是发电装置，三元锂电池是储电装置，只能在限定条件下对比，也不能直接对比。
质子交换膜工作时对温度和含水量要求很高，工作温度为70~90℃，超过此温度会使其含水量急剧降低，导电性迅速下降，甚至损坏质子交换膜。温度过低氢气活动性变差，发电效率低。所以燃料电池也要通过复杂的温度和湿度控制循环系统以保证电池堆栈的寿命和效率。
东岳集团是唯一一家通过AFCC技术鉴定的中国企业。目前，东岳集团质子交换膜生产规模将可2.5万辆燃料电池汽车所需。
②铂催化剂电极：
铂是一种贵重金属，俗称白金，它的化学符号Pt。铂有良好导热性和导电性，并且有很高的化学稳定性，耐腐蚀性极强，催化活性高。铂除用于珠宝饰物外，大量用于化学反应的催化剂。
氢燃料电池使用铂催化剂，最大的问题就是铂原材极为稀有。一般花上5-6个月的时间，处理10吨矿石，才能从原料中铸成“一盎司的铂锭”（合31.1克）。而获得相同数量的黄金，只须花3-5周时间，就能从3吨矿石中提炼出。全球铂的产量仅为黄金的1/30，并且我国也不是铂的主要原产地（80%以上产于南非）。
数据显示，现代NEXO每辆车的铂金用量为56克。技术较为先进的本田Mirai则需要15克铂。目前全球每年的铂产量仅为90吨左右。就算全部用来生产氢燃料电池最多也只能满足600万辆的产能（以15克/辆计算）。而2017年全球汽车销量超过9000万辆。2018年仅中国汽车销量就达到了2800万辆。就铂可怜的产量就想让氢燃料电池车成为“未来”，我表示“呵呵”！
③氢燃料反应堆栈的寿命和功率密度：
刚才说的是氢燃料电池的成本高，如果再和大家聊聊氢燃料电池寿命的话，估计会有更多的小伙伴要抓狂了。都说电动车锂电池的寿命怎么不行（几年或是几百次循环寿命），很多媒体都说锂电池贵，“换电池比买新车都贵”。那么氢燃料电池堆栈的寿命是多少呢？
目前国内技术生产的氢燃料电池寿命普遍只有3000小时（效率在40%左右），没错！单位是小时！小时！ 较为先进能突破5000小时的技术还处于研发阶段。反应发电3000小时换一次昂贵的电池堆栈，这可就不是一般的壕了！
影响氢燃料电池寿命的原因之一就是“催化剂中毒”的问题。从氢来源一节我们了解到，碳氢燃料制氢是一种成本低的大规模的工业制氢法。其中一个难以克服的就是氢气纯度问题，即使经过了净化，其中仍然存在0.2%的一氧化碳（CO），如此微量的一氧化碳会在铂催化剂电极上积聚，逐步减缓燃料电池的反应，最终使燃料电池失效。
氢燃料电池堆栈有很多技术参数，有功率、效率、功率密度、冷启动温度、寿命、成本等。这边也不一一介绍了，想了解国内氢燃料电池堆栈技术参数发展路线的请看下图。
2，经济性：
汽车做为交通工具，综合经济性大体分为：购车、用车、养车、残值这四个方面。养车成本、残值（保值率），这就不谈，因为无法预见。
（1）购车成本：
燃料电池车（FCEV）的售价高是和其产量低有一定关系（基本处于手工打造阶段），最主要还是其他系统复杂，燃料电池系统成本高，导致售价较高。丰田mirai在美售价5.7W美元（合约38万人民币）起，而同样续航500km的特斯拉model3电动车美国售价仅为3.5W美元（合约24万人民币）起。在国内氢燃料电池乘用车享有国家补贴20W元，还享有相应的地方补贴。但国内的氢燃料电池苦于各种技术难点，即使面对高额的补贴，鲜有企业涉足。就更谈不上性价比了。
（2）使用成本：
燃油车需要加油，电动车需要充电。氢燃料电池车当然是需要加注氢气了。
电动车这几年发展比较快，也可能是和油价格上涨有关。目前一辆小轿车加油成本大约0.5元/公里，纯电小轿车使用家庭充电桩成本仅为0.1元/公里。而氢燃料电池车一公里需要多少钱的氢气呢？这个答案非常的扣人心弦，我可以很明确的告诉大家——肯定大于0.1元/公里，并且和汽油车的费用相当。
在日本加氢站的氢气售价为1000日元/kg（约合人民币52元）。国内新闻报道武汉首座加氢站，号称国内目前最大的加氢站，运营成本也在50元/kg。1kg氢气可以驱动轿车行驶约100km，合约每公里的费用即为0.5元。这个使用成本是和汽油车一样的啊！也不难预测，未来氢燃料电池车的使用燃料成本应该会低于汽油车，一方面氢气大规模工业生产、燃料电池效率提升。最主要的还是油价格必然会保持整体上涨！
可以说氢燃料电池车想走近家庭，从经济性角度还是比较困难的。即使未来8~10年燃料电池车整体水平提高了。但在家庭日常通勤需求内，续航500km以内的乘用车依旧会以电动车为主导，超过500km续航以上的，或因需要大量的动力电池成本，燃料电池车才会有明显的优势。
第三部分，氢燃料电池车发展前景
看了第二部分关于氢燃料电池车技术可行性和经济性的分析，大家应该对于氢燃料电池车现状有所了解。尤其在国内的相关的技术还处于“婴儿”阶段。2017年国内累计运行在1千辆左右，加氢设施12座，2018年公告车型80款 ，年产超1500辆。可以说2017年是燃料电池车商用化的元年。比纯电汽车产业进化进程晚了约10年。
中国能源政策的基本内容是：坚持“节约优先、立足国内、多元发展、保护环境、科技创新、深化改革、国际合作、改善民生”的能源发展方针。
从燃料电池车（FCEV）的特点和目前国内汽车市场现状。燃料电池车在乘用车市场应该是很难比肩纯电动车的。但在纯电动车适应不佳工况，比如高寒、重载、持续行驶，这就是燃料电池车应该重点发展的领域。你看某电动车为了去“燃油车能去的地方”居然被爆出百公里消耗40L柴油的新闻。如果换成氢燃料电池车，每次加氢只需要几分钟，并且燃料电池内部的工作温度就是70~90℃，这个是不是和内燃机工作温度很相近了啊！理论上取暖不是什么问题了吧！
再例如货车这类重载车，如果使用纯电动力，不光充电速度慢续航短，就自身的电池重量就够负担了，再载满货，估计不是在充电就是在开往充电站的路上。此类重载车辆若使用氢燃料电池，成本上虽然比柴油机要高，但是对环保贡献是非常大的，氢气能量密度高、加氢速度快的优点也能体现出来。
纯内燃机车若是被新能源取代，那么纯电车应该是代替汽油车，氢燃料电池车是代替的柴油车。这么划分貌似就很明显了。
还有一种存在，比如现在的“理想制造ONE”和概念车“比亚迪汉”这类需求，不是追求的性价比。追求的是没有里程忧虑或者追求强大性能的时候。这类车熊主任觉得可以依旧放入容量足够大的动力电池组，驱动性能强大的电动机，而氢燃料电池系统可以用来“增程发电”，实现充电、加氢双能量来源。当然电氢混合车价和“五菱宏光”完全不在同一个市场需要内。
考虑到氢燃料电池系统的体积，国内技术很难做到轿车内，未来8~10年最多应用到大型SUV或者皮卡中，最小也得是中大型轿车。或许10年后的今天，我们才会开始讨论哪款燃料电池车更好，更具性价比吧。而实现二氧化碳完全0排放最理解的预计是2050年了。