作者簡介：

姚昌晟，清華大學(xué)汽車工程系本科與在讀博士，目前在清華動(dòng)力系統(tǒng)課題組進(jìn)行混合動(dòng)力系統(tǒng)方面的研究。

燃料電池的展望與辨析

近半年來燃料電池“很熱”，然而至少在中國，燃料電池技術(shù)并不會(huì)在未來十年「替代」鋰電池技術(shù)，也不會(huì)成為車用動(dòng)力的「主流」。

但它仍將作為純電動(dòng)汽車的補(bǔ)充，作為柴油機(jī)的潛在替代動(dòng)力系統(tǒng)，快速發(fā)展并取得一定的商業(yè)化成就。

為什么這么說？下面就從燃料電池技術(shù)的意義、定位兩方面分別說一說，最后再簡單說說燃料電池應(yīng)用場景和局限。

燃料電池技術(shù)路線多樣，下文中燃料電池即指代車用主流燃料電池技術(shù)：質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）。下次會(huì)再更新一篇燃料電池技術(shù)路線的文章與各位交流。

一，燃料電池系統(tǒng)與氫能產(chǎn)業(yè)的意義

燃料電池系統(tǒng)從來不是2017-2018才開始熱起來的，我國在2008年就開始了氫燃料電池汽車的示范運(yùn)行。在美國，氫燃料電池更是與鋰電池技術(shù)呈螺旋式的交替發(fā)展，這與政治環(huán)境密不可分，布什政府時(shí)期就曾大力推動(dòng)「氫經(jīng)濟(jì)」，促進(jìn)了當(dāng)時(shí)的氫燃料電池技術(shù)的發(fā)展，通用在2002年推出的Autonomy自主魔力概念車曾轟動(dòng)一時(shí)，其動(dòng)力系統(tǒng)就是氫燃料電池，這一趨勢直到2008年奧巴馬政府才發(fā)生暫停，轉(zhuǎn)回了純電動(dòng)的推進(jìn)路線。

在日本，在「氫能社會(huì)」的國家戰(zhàn)略下，氫能建設(shè)與燃料電池汽車的發(fā)展更是如火如荼，由于燃料電池汽車和混合動(dòng)力汽車技術(shù)的相似，也由于燃料電池的上游產(chǎn)業(yè)實(shí)力，日本在產(chǎn)業(yè)端有著強(qiáng)大的優(yōu)勢；另一方面，氫能作為重要的「二次能源」，無論是中東的石油、澳大利亞的煤礦還是日本海的風(fēng)都可以轉(zhuǎn)化為氫氣，這對(duì)于多元化日本的能源進(jìn)口結(jié)構(gòu)有著重要的意義，在福島事故之前更是與核能發(fā)展路線能夠相輔相成，因此上升到國家戰(zhàn)略并不為怪。

氫能從來不是「終極能源」，但它「二次能源」的意義不僅對(duì)于日本，對(duì)于中國、美國是一樣的能源意義。而在應(yīng)用端，燃料電池不僅可以車用，在特種領(lǐng)域同樣有著極大的潛力：無人機(jī)、特種、坦克等載具使用燃料電池相較于發(fā)動(dòng)機(jī)可以降低噪音和熱源，相較于鋰電池極大提升續(xù)駛里程；現(xiàn)代化特種特種電源的使用中，燃料電池同樣最為可能的長續(xù)航能源；在分布式發(fā)電的場景，燃料電池同樣可以承擔(dān)和柴油機(jī)相似的作用，并且有著更低的噪聲、振動(dòng)和污染。

所以，僅「能源多樣化」和「技術(shù)儲(chǔ)備」兩點(diǎn)，就足以支撐燃料電池和氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展意義。

二，燃料電池在交通領(lǐng)域的定位

那么為什么說在中國，燃料電池電池在交通領(lǐng)域是次要的地位，而不是替代純電動(dòng)車？

還是先來看美國和日本，美國在特朗普政府治下對(duì)新型能源并不感冒，這背后一個(gè)重要的原因是美國的能源結(jié)構(gòu)已然悄然發(fā)生改變，隨著頁巖油頁巖氣的大發(fā)現(xiàn)和開采技術(shù)進(jìn)步，美國已經(jīng)成為了能源輸出國，能源安全問題相較于日本、歐洲、中國而言，并不急迫。而日本則是強(qiáng)力推動(dòng)燃料電池汽車發(fā)展，原因在上一段提到了，與此同時(shí)，民用發(fā)電燃料電池、特種用途燃料電池等等用途加在一起，規(guī)模和汽車產(chǎn)業(yè)比起來都太小了，燃料電池汽車的量可以帶動(dòng)整條氫能產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)發(fā)展和成本下降。從這個(gè)角度看，汽車無疑是最值得投入的工業(yè)。事實(shí)上，日本用汽車來拉動(dòng)技術(shù)的嘗試已經(jīng)成功了多次，最近的一次，就是1997年問世的現(xiàn)代混合動(dòng)力汽車標(biāo)桿——第一代Prius。Mirai就是新的Prius：一方面賠本賺吆喝，另一方面開放專利力邀全世界加盟。

而對(duì)于中國來說，與純電路線對(duì)比，燃料電池缺少了產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和自主技術(shù)的支撐。我國與日美相比，燃料電池系統(tǒng)中關(guān)鍵的電堆、空壓機(jī)，以及電堆的關(guān)鍵零部件膜電極，均依賴進(jìn)口；儲(chǔ)氫瓶技術(shù)僅可以自主化生產(chǎn)35MPa儲(chǔ)氫氣瓶，70MPa儲(chǔ)氫氣瓶未能自主化；運(yùn)氫技術(shù)未能突破液氫運(yùn)輸與管道運(yùn)氫，仍需拖車運(yùn)輸高壓氣瓶；加氫站設(shè)備同樣依賴進(jìn)口。一方面，整條產(chǎn)業(yè)鏈的落后凸顯了亟需對(duì)該領(lǐng)域的投入；另一方面也反映了相較于日本，我國缺少氫能工業(yè)稟賦，在起跑線上已經(jīng)落后，所需投入更巨。

但燃料電池技術(shù)的用武之地與純電動(dòng)并不完全重合。除了無人機(jī)/分布式發(fā)電等等場景之外，在交通領(lǐng)域，中重載卡車的應(yīng)用場景純電動(dòng)還無法勝任，續(xù)駛里程和充電時(shí)間的限制，使得純電動(dòng)重卡并不是一個(gè)現(xiàn)實(shí)的命題。燃料電池恰可以承擔(dān)這樣的角色。其他諸如城間長途客運(yùn)、叉車等場景，同樣更適合使用燃料電池。燃料電池系統(tǒng)更像開放式的內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)，或者更具體一點(diǎn)，它更像柴油機(jī)系統(tǒng)。這也是濰柴、東風(fēng)等商用車龍頭企業(yè)大力投入燃料電池的原因。

所以從需求端來看，燃料電池技術(shù)的主要應(yīng)用場景是中重載卡車、長途客車，乘用車領(lǐng)域是大型乘用車。與純電動(dòng)車的場景并不沖突，“替代”無從談起。

三，燃料電池的應(yīng)用場景

未來十年，燃料電池汽車會(huì)在哪些地方興起呢？上一節(jié)已經(jīng)談了需求端，也就是什么樣的車型和載具可能使用燃料電池。這一節(jié)再談?wù)劰┙o端，說說什么樣的場景下適合使用燃料電池。

談這個(gè)問題前，先要說說目前燃料電池汽車的局限。上一節(jié)中已經(jīng)談到我國的氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)較為稚弱（雖然已經(jīng)在加速發(fā)展，并且涌現(xiàn)出了一些自主技術(shù)與公司），與此同時(shí)，很多應(yīng)用場景同樣受到限制。比如最現(xiàn)實(shí)的問題：氫從哪里來？

氫氣的制備方式很多樣，包括化石燃料制氫、煤制氫、電解水制氫、氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫等等。但是這些方式并不完全適用于燃料電池汽車的氫氣制備，比如天然氣制氫和電網(wǎng)電解水，可以說是對(duì)能源增加了一重浪費(fèi)。

那么什么樣的氫能適合呢？氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫，煤制氫，無法上網(wǎng)的可再生能源制氫。

從產(chǎn)能角度看：

·我國是氯堿工業(yè)大國，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2017年中國燒堿產(chǎn)量3365.2萬噸，而每生產(chǎn)1噸燒堿約副產(chǎn)280立方米（約合0.025噸）氫氣。換言之，中國的氯堿工業(yè)每年可以生產(chǎn)出至少85萬噸氫氣，這些氫氣可以讓10萬輛Mirai加氫每輛車加氫1700次，奔跑85000公里。

·煤制氫的產(chǎn)能不需多說。

·我國的可再生能源無法上網(wǎng)的「棄風(fēng)」「棄水」「棄光」均為百億kWh的量級(jí)，盡管逐年上網(wǎng)率在提升，仍是巨大的數(shù)字。

但這些也是看起來美好。

一，車用主流燃料電池技術(shù)質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）需要的氫氣純度極高，一般認(rèn)為需要「四個(gè)9」以上，即純度大于99.99%，上述途徑得到的氫氣都需要進(jìn)行純化，特別是煤制氫得到氫氣純度較低，如直接使用會(huì)導(dǎo)致燃料電池催化劑中毒，這意味著制氫成本的增加。

二，氯堿工業(yè)和可再生能源均有著明顯的地域特征，氯堿工業(yè)集中在華北華東部分省份、可再生能源集中于西北西南地區(qū)，但是氫能運(yùn)輸能力有著極大的限制：目前僅有的拖車運(yùn)氫超出200公里的半徑就已經(jīng)并不經(jīng)濟(jì)。這意味著目前氫能的使用將被局限在部分地區(qū)。

因而氫燃料電池的使用場景進(jìn)一步受到了限制：從供給端看，短中期內(nèi)氫燃料電池商用車的應(yīng)用場景，或是上述富氫地區(qū)的區(qū)域內(nèi)應(yīng)用；或是公路運(yùn)輸主干線的應(yīng)用（如北京-武漢-廣州這樣的公路運(yùn)輸大動(dòng)脈）。

盡管眼下有著各種局限：上游產(chǎn)業(yè)與技術(shù)、燃料電池技術(shù)、下游應(yīng)用場景……但燃料電池與氫能產(chǎn)業(yè)將在未來十年快速發(fā)展：氫能是新能源戰(zhàn)略的重要組成部分；燃料電池是重要的動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)；燃料電池汽車在交通領(lǐng)域會(huì)成為純電動(dòng)汽車的重要補(bǔ)充與支撐。

僅在過去一年里，燃料電池零部件的國產(chǎn)化迅速，可以說是超出預(yù)期。而隨著示范運(yùn)營規(guī)模的擴(kuò)大，關(guān)鍵零部件及電堆成本仍將持續(xù)下降。此外，儲(chǔ)氫、運(yùn)氫的技術(shù)方案也在陸續(xù)的推出。中國氫能產(chǎn)業(yè)的萌芽已經(jīng)開始。

在今天，燃料電池汽車或許正相當(dāng)于2008年開端的純電動(dòng)汽車，誰也不會(huì)想到10年后，它的發(fā)展已經(jīng)超乎了所有人的想象。