燃料電池汽車的介紹及其優(yōu)缺點(diǎn)

燃料電池汽車也可以算作電動(dòng)汽車，但你可以在五分鐘內(nèi)給電池灌滿燃料，而不是等上幾個(gè)小時(shí)來充滿電。電動(dòng)汽車要做到這一點(diǎn)，就必須更換整組電池。那為什么現(xiàn)在只投產(chǎn)了一種燃料電池汽車，而電動(dòng)汽車卻無處不在呢？這就是一個(gè)有關(guān)效率、燃料、污染和政治的故事了。

燃料電池汽車是什么？

燃料電池汽車也是電動(dòng)汽車，只不過“電池”是氫氧混合燃料電池。和普通化學(xué)電池相比，燃料電池可以補(bǔ)充燃料，通常是補(bǔ)充氫氣。一些燃料電池能使用甲烷和汽油作為燃料，但通常是限制在電廠和叉車等工業(yè)領(lǐng)域使用。

和普通電池一樣，燃料電池由陽極、陰極和電解質(zhì)組成。大部分燃料電池汽車如Mirai或本田的FCXClarity使用聚合物交換膜燃料電池(PEMFC)。在這一系統(tǒng)中，氫氣受壓通過鉑催化劑，分解成兩個(gè)氫離子和兩個(gè)電子。這些電子會(huì)驅(qū)動(dòng)汽車的電動(dòng)機(jī)，而氫離子會(huì)和氧氣結(jié)合成水，以蒸汽“廢氣”的形式排出。通過將這些電池堆疊在一起，就能為汽車提供足夠電力。

哪些廠商在制造燃料電池汽車呢？韓國現(xiàn)代在今年夏天推出了Tucson燃料電池汽車，租期三年，每月需付費(fèi)499美元，并計(jì)劃今年在南加州銷售60輛Tucson。上文提到的豐田Mirai會(huì)在明年上市（出租價(jià)格每月499美元，從加州開始）；本田的燃料電池汽車會(huì)在2016年上市（本田最近終止了FCXClarity項(xiàng)目，但在2008年至2014年間出租了45輛）；寶馬很快就會(huì)宣布一款燃料電池驅(qū)動(dòng)的原型車，并同意與豐田共享技術(shù)；包括通用汽車在內(nèi)的其他汽車制造商也在測試燃料電池汽車。

氫氣來自哪里？

如果你想要一輛百分百環(huán)保的燃料電池汽車，就必須以不造成污染的方式來制造氫氣。這可不容易，目前最好的方法是通過電解水來制造氫氣，即用電將水分解成氧氣和氫氣。目前最好的電解水系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化率只有80%，并不怎么高效。

甲烷轉(zhuǎn)化（上圖）要更劃算，但卻會(huì)造成污染。蒸汽需要加熱到700到1000攝氏度，然后與甲烷結(jié)合生成氫氣和一氧化碳，以及少量二氧化碳。得益于水力壓裂法生產(chǎn)的大量天然氣，美國有95%的氫氣通過這種方法來制造。

如何購買氫氣？

電動(dòng)汽車已經(jīng)在道路上（和你家中）建立了充電基礎(chǔ)設(shè)施，但氫氣銷售點(diǎn)卻很少，相隔距離也很遠(yuǎn)。這部分是由于缺少需求，還有就是建造成本高昂。普通的電動(dòng)汽車充電站只需花數(shù)十萬美元來建造，特斯拉的超級充電站建造成本高達(dá)30萬美元。但建造一個(gè)氫氣燃料站需要花費(fèi)100萬至200萬美元，因?yàn)樾枰鉀Q處理液態(tài)氫氣的問題。因此，美國現(xiàn)在只有大約50個(gè)氫氣燃料站，其中22個(gè)位于加州。

為什么這么貴？根據(jù)AutoblogGreen披露的細(xì)節(jié)，氫氣燃料站的主燃料箱以至少負(fù)250攝氏度的溫度存儲(chǔ)著近1萬加侖液態(tài)氫氣。和天然氣或柴油不同，液態(tài)氫氣保存在地面上的一個(gè)特別區(qū)域，與泵分離。然后液態(tài)氫氣會(huì)在汽化塔內(nèi)轉(zhuǎn)化成氣體，然后加壓傳輸給更小的儲(chǔ)罐來銷售。

《人車志》描述了充氣過程：

首先需要將一個(gè)多管通信插頭插入汽車，以了解其燃料需求，接著需要連上氫氣噴嘴，用扭鎖和泵來密封。

一些燃料電池汽車可以同時(shí)接受350個(gè)大氣壓和700個(gè)大氣壓的氫氣，后者的行程更遠(yuǎn)。只需3分鐘到5分鐘就能充滿700個(gè)大氣壓的氫氣，價(jià)格約3美元至3.5美元GGE（每加侖汽油當(dāng)量）。

豐田和本田將向買家免費(fèi)提供三年氫氣。豐田計(jì)劃逐步增加在美國的氫氣燃料站數(shù)目，將在加州新建19個(gè)，并在紐約和羅德島之間建造12個(gè)。加州已撥款2億美元用于興建氫氣燃料站，并想在2016年時(shí)將這一數(shù)目增至40個(gè)。不過，幾乎沒有其他州宣布類似計(jì)劃，意味著燃料電池汽車早期用戶想要環(huán)游美國會(huì)有困難。

為什么要關(guān)心這事？

如果你正在閱讀本文，我猜你不想留給后代子孫一個(gè)烏煙瘴氣的地球。而且我們已經(jīng)詳細(xì)闡述了電動(dòng)汽車如何來幫助減少溫室氣體排放。但購買環(huán)保汽車也有更自私的理由。從長期來看，如果算上折扣，日產(chǎn)Leaf、豐田普銳斯等環(huán)保汽車要比普通汽車更省錢。那么燃料電池汽車的費(fèi)用相比其他環(huán)保汽車如何呢？

燃料電池汽車相比電動(dòng)汽車的主要優(yōu)勢就是方便。氫氣燃料電池汽車只需3到5分鐘就能充滿長途行駛所需的氣量，而TeslaModelS至少需要20分鐘才能充滿電（見上圖），但行駛的距離還不到氫氣燃料電池汽車的一半。這讓燃料電池汽車更方便日常使用，汽車制造商們據(jù)此認(rèn)為，希望尋找更環(huán)保汽車的消費(fèi)者也許會(huì)認(rèn)為燃料電池汽車要比電動(dòng)汽車更實(shí)用。

州監(jiān)管機(jī)構(gòu)也這么想。現(xiàn)在汽車制造商需要在15分鐘內(nèi)充滿足夠行駛285英里的燃料才能獲得滿額加州零排放汽車(ZEV)信用點(diǎn)。這些信用點(diǎn)可以轉(zhuǎn)售給汽車制造商，特斯拉在去年首次盈利靠的也是ZEV信用點(diǎn)。然而，像ModelS這樣的純電動(dòng)車現(xiàn)在已經(jīng)不符合獲得滿額ZEV信用點(diǎn)的規(guī)定，因?yàn)榇蟛糠蛛妱?dòng)汽車都達(dá)不到補(bǔ)充燃料的要求。你很快就會(huì)看到，加州的政策變更或許會(huì)增加污染，但這無疑會(huì)激勵(lì)豐田、本田和其他公司在電動(dòng)汽車之外制造燃料電池汽車。

至于性能和環(huán)保性方面，燃料電池汽車使用和電動(dòng)汽車一樣的電動(dòng)馬達(dá)，性能表現(xiàn)差不多。豐田Mirai百公里加速時(shí)間大約為10秒，能行駛434英里。燃料電池也更適合皮卡和SUV，目前的鋰電池沒法滿足這些車型的需要。鋰電池也要比燃料電池組/氫氣箱重得多。

但你是否就該為只排放水的燃料電池汽車感到驕傲呢？悲哀的是，答案是不。

燃料電池汽車的問題？

燃料電池汽車的主要問題是，制造驅(qū)動(dòng)它們的氫氣燃料要消耗比普通電動(dòng)汽車更多的能源。污染也是個(gè)很嚴(yán)重的問題。

燃料電池汽車的售價(jià)和維護(hù)費(fèi)用要比電動(dòng)汽車貴

豐田表示，全新Mirai售價(jià)5.75萬美元，聯(lián)邦和州政府補(bǔ)貼后的價(jià)格可低至4.5萬美元。這比特斯拉要便宜不少，但日產(chǎn)Leaf的售價(jià)差不多是3萬美元，補(bǔ)貼后的價(jià)格約為2萬美元。如上文所述，給燃料電池汽車補(bǔ)充的氫氣價(jià)格約為3美元GGE，美國能源部估計(jì)給一輛車加滿氣需要花約50美元（豐田的免費(fèi)燃料不算在內(nèi)）。這意味著，一輛燃料電池汽車的維護(hù)成本是普銳斯混合動(dòng)力汽車的兩倍，是電動(dòng)汽車的四倍。的確，這一成本會(huì)隨時(shí)間推移降低，但電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車也一樣。

制造和使用綠色氫氣的費(fèi)用更高

除了甲烷轉(zhuǎn)化，獲得綠色氫氣的唯一可行的方式是通過電解。但坦白講，這一過程中消耗的電可以更好地用在普通電動(dòng)汽車上。正如上面的圖表所示，相比起氫氣燃料電池汽車，電動(dòng)汽車能更好地利用電力。至少這就是燃料電池技術(shù)的現(xiàn)狀。

甲烷轉(zhuǎn)化得到的氫氣和汽油一樣糟

好吧，假設(shè)你使用的氫氣來自于甲烷轉(zhuǎn)化。這至少要比燃燒天然氣或柴油好，對吧？并不完全如此。福特最近表示，相對于燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)，燃料電池汽車“對環(huán)境的好處有限”。而且可能要更糟一些，因?yàn)樽罱难芯匡@示，甲烷基礎(chǔ)設(shè)施的泄露情況比原先想象的還糟糕（最高達(dá)7%），而作為溫室氣體，甲烷的溫室效應(yīng)是二氧化碳的86倍。

補(bǔ)充氫氣燃料的基礎(chǔ)設(shè)施造價(jià)高昂

正如上文所述，氫氣具有爆炸性，很難處理。輸電就相當(dāng)簡單，每個(gè)房子都有電。但氫氣燃料電池汽車需要對制造和運(yùn)送環(huán)節(jié)投入巨資，每一個(gè)環(huán)節(jié)又會(huì)增加成本、復(fù)雜性和污染。

這一切是不是說明氫氣燃料電池汽車沒戲了呢？

從這些標(biāo)準(zhǔn)來看，相對于環(huán)保省錢的電動(dòng)汽車，氫氣燃料電池汽車根本沒法比。但在消費(fèi)者的心中，“實(shí)用”也很重要，燃料電池汽車加滿燃料的速度更快，行駛的距離更遠(yuǎn)。而且，氫氣燃料電池汽車還處于早期階段，充電式電動(dòng)汽車在10年前也存在似乎無法克服的問題，現(xiàn)在美國境內(nèi)有近28萬輛電動(dòng)汽車。

正如一名燃料電池汽車推動(dòng)者所說的，目前上路的汽車中仍有97%的車輛用汽油做燃料，電動(dòng)汽車粉絲何必嫉恨氫氣燃料電池汽車呢？燃料電池的發(fā)展將推動(dòng)技術(shù)改進(jìn)，希望也能在未來讓化石燃料汽車永遠(yuǎn)從道路上消失。

燃料電池汽車優(yōu)缺點(diǎn)：

（1）優(yōu)點(diǎn)

與傳統(tǒng)汽車、純電動(dòng)汽車技術(shù)相比，燃料電池電動(dòng)汽車具有以下優(yōu)點(diǎn)。

①零排放或近似零排放，綠色環(huán)保。燃料電池電動(dòng)汽車在本質(zhì)上是一種零排放汽車，燃料電池沒有燃燒過程，若以純氫作燃料，通過電化學(xué)的方法，將氫和氧結(jié)合，生成物是清潔的水；采用其他富氫有機(jī)化合物用車載重整器制氫作為燃料電池的燃料，生成物除水之外還可能有少量的C02，但其排放量比內(nèi)燃機(jī)要少得多，且沒有其他污染排放（如氧化氮、氧化硫、碳?xì)浠锘蛭⒘＃﹩栴}，接近零排放。與傳統(tǒng)汽車相比既減少了機(jī)油泄漏帶來的水污染，又降低了溫室氣體的排放。

②能量轉(zhuǎn)換效率高，節(jié)約能源。燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率極高。燃料電池沒有活塞或渦輪等機(jī)械部件及中間環(huán)節(jié)，不經(jīng)歷熱機(jī)過程，不受熱力循環(huán)（卡諾循環(huán)）限制，故能量轉(zhuǎn)換效率高，燃料電池的化學(xué)能轉(zhuǎn)換效率在理論上可達(dá)100%，實(shí)際效率已達(dá)60%～80%，是普通內(nèi)燃機(jī)熱效率的2～3倍（汽油機(jī)和柴油機(jī)汽車整車效率分別為16%-18%和22%～24%）。因此，從節(jié)約能源的角度來看，燃料電池汽車明顯優(yōu)于使用內(nèi)燃機(jī)的普通汽車。

③燃料多樣化，優(yōu)化了能源消耗結(jié)構(gòu)。燃料電池所使用的氫燃料來源廣泛，自然界中，氫能大量存儲(chǔ)在水中，可采用水分解制氫，也可以從可再生能源獲得，可取自天然氣、丙烷、甲醇、汽油、柴油、煤以及再生能源。燃料來源的多樣化有利于能源供應(yīng)安全和利用現(xiàn)有的交通基礎(chǔ)設(shè)施（如加油站等）。燃料電池不依賴石油燃料，各種可再生能源可以轉(zhuǎn)化為氫能加以有效利用，減少了對石油資源的依賴，優(yōu)化了交通能源的構(gòu)成。

④續(xù)駛里程長，性能優(yōu)于其他電池的電動(dòng)汽車。采用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)作為能量源，克服了純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程短的缺點(diǎn)，其長途行駛能力及動(dòng)力性已經(jīng)接近于傳統(tǒng)汽車。燃料電池汽車可以車載發(fā)電，只要帶上足夠的燃料，它可以把我們送到任何想去的地方。燃料電池電動(dòng)汽車在成本和整體性能上（特別是行程和補(bǔ)充燃料時(shí)間上）明顯優(yōu)于其他電池的電動(dòng)汽車。

⑤過載能力強(qiáng)。燃料電池除了在較寬的工作范周內(nèi)具有較高的工作效率外，其短時(shí)過載能力可達(dá)額定功率的200%或更大，更適合于汽車的加速、爬坡等工況．燃料電池的短時(shí)過載能力可達(dá)200%的額定功率。

⑥運(yùn)行平穩(wěn)、低噪聲燃料電池屬于靜態(tài)能量轉(zhuǎn)換裝置，除了空氣壓縮機(jī)和冷卻系統(tǒng)以外無其他運(yùn)動(dòng)部件，因此與內(nèi)燃機(jī)汽車相比，擺脫了馬達(dá)的轟鳴，運(yùn)行過程中噪聲和振動(dòng)都較小。

（2）缺點(diǎn)

汽車業(yè)界普遍認(rèn)同的一個(gè)觀點(diǎn)是，燃料電池技術(shù)是內(nèi)燃機(jī)技術(shù)最好的替代物，代表了汽車未來的發(fā)展方向。但如果將發(fā)展燃料電池汽車的幾個(gè)制約因素考慮進(jìn)來，則會(huì)發(fā)現(xiàn)燃料電池汽車目前和今后一段時(shí)間尚不具備商業(yè)化的條件。

①燃料電池汽車的制造成本和使用成本過高。制約燃料電池汽車推廣應(yīng)用的最大因素之一是燃料電池的生產(chǎn)成本一直居高不下。如何降低燃料電池的生產(chǎn)成本成為燃料電池汽車實(shí)用化的關(guān)鍵。據(jù)美國能源部測算，目前燃料電池的生產(chǎn)成本已降為500美元／kN。專家估計(jì)，只有當(dāng)燃料電池的生產(chǎn)成本降至50美元／kW的水平才能為消費(fèi)者所接受．也就是說．當(dāng)一臺80kW的汽車用燃料電池的成本降到目前汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的3500美元的價(jià)格時(shí)，才能創(chuàng)造巨大的市場效益。從市場經(jīng)濟(jì)學(xué)角度講，高成本很難完成市場化推廣，而無法實(shí)現(xiàn)市場化就不可能大規(guī)模批量生產(chǎn)，進(jìn)而成本就無法降下來，最終導(dǎo)致成本與銷售的惡性循環(huán)。

另一方面，燃料電池汽車的使用成本過也高，氫氣的售價(jià)并不廉價(jià)，因此燃料電池車的運(yùn)行成本并不令人樂觀。目前由燃料電池發(fā)電系統(tǒng)提供lkW·h電能的成本遠(yuǎn)高于各種動(dòng)力電池，這從一個(gè)側(cè)面反映了作為汽車動(dòng)力源，燃料電池還有相當(dāng)遠(yuǎn)的距離。

②啟動(dòng)時(shí)間長，系統(tǒng)抗震能力還需提高。采用氫氣為燃料的FCEV啟動(dòng)時(shí)間一般需要超過3min，而采用甲醇或者汽油重整技術(shù)的FCEV則長達(dá)lOmin，比起內(nèi)燃機(jī)汽車啟動(dòng)的時(shí)間長得多，影響其機(jī)動(dòng)性能。此外，當(dāng)FCEV受到振動(dòng)或者沖擊時(shí)，各種管道的連接和密封的可靠性需要進(jìn)一步的提高，以防止泄漏，降低效率，嚴(yán)重時(shí)引發(fā)安全事故。

③經(jīng)濟(jì)且無污染地獲取純氫燃料還存在技術(shù)難點(diǎn)。通過重整或改質(zhì)技術(shù)轉(zhuǎn)化傳統(tǒng)的化石燃料獲取純氫天然氣，不僅要消耗大量的能量，而且并沒有從根本上擺脫對化石能的依賴，也沒有從根本上消除對環(huán)境的污染。自然界中，氫能大量存儲(chǔ)在水中，雖然取之不盡，但直接使用熱分解或是電解的辦法從水中制氫顯然不劃算。因此多數(shù)科學(xué)家都將目光轉(zhuǎn)向了利用太陽能，但是還存在許多技術(shù)障礙。目前，他們正在進(jìn)行太陽能分解水制氫、太陽能發(fā)電電解水制氫、陽光催化光解水制氫、太陽能生物制氫等方面的研究。只有到了能以再生性能源廉價(jià)地生產(chǎn)出氫燃料，氫燃料電池民用汽車的燃料問題才算獲得了根本性解決。

④氫燃料電池汽車燃料的供應(yīng)還有大量的技術(shù)問題有待解決。通常氫能以三種狀態(tài)存儲(chǔ)和運(yùn)輸：高壓氣態(tài)、液態(tài)和氫化物形態(tài)。用常用的壓縮氣體罐儲(chǔ)存的氫，只能供燃料電池汽車行駛150km，續(xù)駛里程太短，還不如蓄電池驅(qū)動(dòng)的汽車。由于氫氣是最小的分子，很容易造成泄漏。哪怕是微量的泄漏，都有可能造成極度可怕的后果。而在-253℃的條件下儲(chǔ)存液氫的深度制冷技術(shù)目前還很不成熟．就全球來說，目前能夠加液氫的加氫站也沒有幾家。值得欣慰的是，儲(chǔ)氫材料的開發(fā)已取得了一定的進(jìn)展。

⑤供應(yīng)燃料輔助設(shè)備復(fù)雜，且質(zhì)量和體積較大在以甲醇或者汽油為燃料的FCEV中，經(jīng)重整器出來的“粗氫氣”含有使催化劑“中毒”失效的少量有害氣體，必須采用相應(yīng)的凈化裝置進(jìn)行處理，增加了結(jié)構(gòu)和工藝的復(fù)雜性，并使系統(tǒng)變得笨重。目前普遍采用氫氣燃料的FCEV，因需要高壓、低溫和防護(hù)的特種儲(chǔ)存罐，導(dǎo)致體積龐大，也給FCEV的使用帶來了許多不便。

⑥稀有金屬鉑金Pt被大量應(yīng)用也制約著燃料電池電動(dòng)汽車的推廣應(yīng)用。稀有金屬鉑金作為燃料電池必不可少的反應(yīng)催化劑，按照現(xiàn)有燃料電池對鉑金的消耗量，地球上所有的鉑金儲(chǔ)量都用來制作車用燃料電池，也只能滿足幾百萬輛車的需求。

⑦加氫站等基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施建設(shè)幾乎為零，目前全球范圍內(nèi)投入使用的加氫站僅有100多家，且大部分是用于實(shí)驗(yàn)用途的。如果說技術(shù)和成本是科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)通過努力可以自行解決的問題，那么相應(yīng)的配套設(shè)施建設(shè)則不是舉一人之力可以完成的，需要國家政策、產(chǎn)業(yè)鏈條、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等多方面的準(zhǔn)備，并及時(shí)制定完善的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，既涉及城市規(guī)劃、交通、電力等問題，又要解決投資和經(jīng)營者的獲利問題，同時(shí)還要有效解決加氫的核心技術(shù)和統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)等問題。對于有一定行駛區(qū)間的公交車而言，這個(gè)問題可能容易解決，但是對于私家車而言要解決這些問題就任重而道遠(yuǎn)了。