氢燃料电池车(Fuel cell vehicle-FCEV)的发展瓶颈和发展前景

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氢燃料电池车(Fuel cell vehicle-FCEV)的发展瓶颈和发展前景

氢能车的前景如何？万亿市场何时启航？

氢燃料电池车有望成为未来汽车发展的方向

目前氢能源汽车产业发展存在什么样的阻碍？

一、氢燃料电池车(Fuel cell vehicle-FCEV)的发展瓶颈和发展前景

本篇主要来阐述氢燃料电池汽车（Fuel cell vehicle-FCEV），了解什么是氢能源汽车以及它的工作原理，氢能源对于碳排放有什么影响，以及氢能源汽车有哪些发展瓶颈。

氢能源汽车（FCEV）基本介绍

氢燃料电池车(Fuel cell vehicle-FCEV)是使氢或含氢物质与空气中的氧在燃料电池中反应产生电力推动电动机，由电动机推动车辆，广泛使用氢燃料作为交通能源是氢经济的一个关键因素。

氢能源汽车，使用氢为能源的最大好处是它跟空气中的氧反应，仅产生水蒸气排出，可以实现0排放，有效减少了传统汽油车造成的空气污染问题，这也是氢能源汽车区别于纯电动/混动汽车的显著特征，但目前它们并不像纯电动汽车、混合动力汽车以及插电式混合动力汽车那样普及。

丰田2022款 Mirai氢能源汽车（图片来源Toyaota网址）

电动和混合动力汽车越来越受欢迎，一部分原因是它们有助于降低排放到大气中的碳排放量，另一方面电动汽车充电要比氢能源汽车加氢更容易。但它们不是更环保驾驶的唯一选择，氢燃料电池电动汽车听起来像是科幻小说中的东西，但这些汽车的存在时间可能比你想象的要长。

氢能源汽车主要架构和组件

氢能源汽车架构和组件（图片来源afdc.energy.gov)

什么是燃料电池？

燃料电池的工作示意图（图片来源戴姆勒公司）

燃料电池是氢和氧之间发生电化学反应的装置，燃料电池的主要部件包括阳极、阴极和电解质。在电解质存在下，燃料离子（即氢离子）与氧离子反应以产生电、水蒸气和热。此外，该反应仅在800℃的温度下进行。因此，该反应的另一个名称是“冷燃烧”，这样产生的电力驱动电动机，电动机又旋转车辆的车轮。

单个燃料电池的厚度约为2毫米，但是，它只能产生1伏的电势差。因此，燃料电池电动汽车使用数百个燃料电池阵列，称为“燃料电池堆”。

氢燃料电池的工作原理

氢能源汽车是一种电动汽车，它使用燃料电池为电动机提供动力，而不是主要依靠锂离子电池组。

氢能源汽车也不像汽油车那样燃烧燃料，与电动汽车一样，氢能源汽车不会产生有害排放物，唯一的副产品是水蒸气，可以实现0排放。因为它们是电动汽车，所以你也会听到它们也被称为燃料电池电动汽车（FCEV）。

Mirai通过将氢与来自外部空气的氧结合来发电（图片来源Toyaota网址）

燃料电池在设计上类似于锂离子电池：它们有一个阳极、一个阴极和一个催化剂，触发电子和质子从泵入的氢气中分离。像电动汽车电池中的锂离子电池一样，氢能源汽车有多个燃料电池同时工作来发电，这种电池的集合称为氢燃料电池堆。

来自汽车车载燃料箱的氢气与燃料电池堆中的氧气结合，通过一种称为反向电解的过程发电。电子从氢气中移除，通过电路为电机提供动力，并与电路另一侧的氧气结合形成水蒸气，水蒸气通过汽车排气排出。

氢罐、电池和电机共同为FCEV提供动力（图片来源BMW）

根据情况，氢燃料电池产生的电力可以采取两种途径。这些能量要么直接为电动机提供动力，要么为一个小型锂离子电池充电，该电池有助于为电动机提供电力，并可以储存能量供以后使用。

该电池还可以从车辆的再生制动系统获取电力，以供以后使用，并在低能量驾驶期间存储来自燃料电池堆的多余电力。如果对发动机的要求更高，电池将起到帮助作用。

加氢与里程之间的关系

丰田Mirai燃料电池车的估计行驶里程为402英里（照片来源Toyota网址）

燃料电池电动汽车的氢燃料箱加氢的速度大约和汽油车加油一样快，这是氢燃料汽车比电池电动汽车具有的一个重要优势。你只要把车停到加油站，连接软管，大约五分钟后油箱就满了。

氢能源汽车相对于电池电动汽车的另一个优势是其行驶里程更长，根据相关数据显示，FCEV加满一次氢后可以行驶300到400英里（482km ~ 644km）。另一方面，所有电池电动汽车的平均行驶里程约为250英里（402km）。

FCEV可在车上安装多个氢气罐，但是如果处理不当，氢气可能会易燃，因此这些氢气罐壁厚和抗压性能必须经过严格的测试，以确保碰撞安全。车辆中还内置了故障保护装置，以确保在燃料电池被移除或过热的情况下，氢被分散和释放。

在高速碰撞中，传感器被设计成阻止氢的流动，任何泄漏的氢都会迅速安全地逃逸回大气（照片来源Toyota网址）

氢能源汽车面临的挑战和瓶颈是什么？

快速加氢，电力，以及唯一的副产品是水，这听起来像是完美的绿色交通工具，但是氢能源汽车有它的欠缺的地方。

2021，本田Clarity燃料电池的EPA续航里程额定值为360英里，装满氢（图片来源Honda）

第一点，氢能源车辆成本高。

虽然氢能源汽车的续航里程比电动汽车更长，但氢能源车辆的加氢成本更高，部分原因是氢的生产成本太高。氢虽然是地球上最丰富的元素，但将其提炼成一种可以为车辆提供动力的形式需要付出努力，而这种努力反映在每辆车储氢罐的成本中。

戴姆勒不久前宣布终止氢燃料电池乘用车研发计划，这意味着自2013年以来与福特和日产合作开发的项目已经停止，戴姆勒放弃燃料电池项目的核心原因是制造氢燃料电池乘用车的成本太高。

作为直接面向消费者的产品，氢能源汽车的价格是其购买的重要原因。一些组织对氢燃料电池汽车的成本进行了初步统计，FCEV的价格是BEV的1.5至2倍，是燃油汽车的3至4倍。如果氢燃料电池乘用车的成本居高不下，未来将很难有市场。

本田汽车安装储氢罐（图片来源网络）

丰田汽车的储氢罐（图片来源网络）

第二点，FCEV加氢基础设施目前也严重缺乏。

基础设施是FCEV的第二大障碍，如果未来加氢站布局不足，FCEV的市场会存在很大的挑战，截至目前，中国有59座加氢站在运营，53座在建，20座在规划，而且发展很慢。

全世界只有不到400个FCEV加氢站，尽管正在努力建设更多的加氢站。美国的目标是到2030年实现1000个在线加氢站，不过这比电动汽车充电站要少得多，截至2021电动汽车充电港在美国的数量约为11万个。

加氢站（图片来源网络）

加氢站（图片来源网络）

第三点，氢燃料的制造过程中存在大量排放。

氢能源汽车面临的另一个挑战是氢气的制造，尽管氢燃料电池汽车可以自己无排放运行，但制造氢燃料的工厂通常通过燃烧化石燃料，这一过程称为蒸汽重整。如果这种情况继续下去，FCEV将无法尽可能多地保护环境，也不能真正被称为零排放汽车。

图片来源Ifri

目前正在探索氢气制造的替代工艺，包括水电解，它使用太阳能等可再生能源发电，可用于将氢与水分离，如果这一技术的突破，将会对氢能源汽车市场的发展有很大的刺激作用。

第四点，技术问题不容忽视。

同济大学汽车学院副教授马天才表示，从产业链角度看，中国氢燃料电池发展在车辆水平和系统水平上与国外差距不大，虽然水平差距不大，但关键材料却很弱。

例如，电堆占氢燃料电池系统总成本的25%以上，其核心材料几乎全部依赖国外制造商，在催化剂领域，国内消费量是国外企业的3-5倍，主要来自国外企业，只有少数国内企业能够小批量生产。此外，质子交换膜、膜电极等主要由国外企业供应。

氢燃料电池堆工作原理（图片来源网络）

氢燃料电池堆工作原理（图片来源网络）

氢燃料电池汽车能否可以突破发展的瓶颈，迈向一个新阶段？

氢燃料电池汽车能否突破瓶颈，可以从以下四点进行探讨：

第一点是基础建设的发展，中石化、中石油以及国外能源巨头（比如壳牌）等能源终端企业进入氢能行业，开始进行大规模的基础设施建设。

第二点是产品开发，从产品端看，主流汽车公司和零部件公司需要进行长远的产品规划。

第三点是氢能供应链，从应用场景端来看，需要越来越多的氢能商业化公司，打造完善的氢能供应链。

第四点是氢能战略规划和发展，这一战略需要来自政府政策和支持计划。

从目前的市场发展可以看出，中国氢燃料电池乘用车的发展状况正在改善，在2020年新能源汽车补贴政策中，燃料电池汽车将以“以奖代补”的方式授予示范城市。如《广州市氢能产业发展规划（2019-2030年）》所述，广州市燃料电池乘用车将主要用于出租车、租赁等公共出行领域，预计2022年燃料电池乘客车数量将达到100辆左右。

在不久的将来，氢燃料电池乘用车的示范运营，或以租赁形式推广，将是一个合理的选择。从长远来看，随着示范运营规模逐步扩大，成本进一步下降，氢燃料电池乘用车走向普通消费者只是时间问题。

但是这些问题的解决，不会来得那么快。换而言之，氢燃料电池汽车在新能源汽车市场需要一段时间，根据相关专业人士预测，氢燃料电池乘用车达到一定规模需要大约5年时间，也就是说，消费者小规模购买至少需要五年时间。

氢燃料电池乘用车行业已经迎来春天

上海重塑能源科技有限公司董事长兼首席执行官林将燃料电池汽车的全球发展大致分为三个阶段：

第一阶段是燃料电池乘用车发展阶段，包括丰田、本田、奔驰等乘用车企业主导的燃料电池技术发展，为燃料电池技术的发展奠定了良好基础，实现了许多技术问题的突破。

第二阶段是燃料电池商用车的开发，在过去三四年中，燃料电池商用车在全球市场，特别是在中国保持了快速增长。无论是整车企业还是零部件企业，我们都逐渐将目光转向长期、高负荷商用车。

第三阶段，即从2020年开始，是燃料电池汽车新征程的开始。世界氢能应用的发展趋势逐渐清晰，商业化场景已逐步实现，并处于不断发展的过程中。

氢能源汽车在中国市场商业化

2018年9月28日，武汉首批氢燃料电池动力公交车在中国光谷武汉东湖新技术开发区359路公交线路试运行，武汉首座加氢站同步启用，标志着武汉市氢燃料电池动力公交车全面进入商业化示范运行新阶段。

全国首批氢燃料电池通勤客车在武汉开发区交付

全国首批氢燃料电池通勤客车在武汉开发区交付

2021年12月，上海将陆续上线31辆氢燃料公交车，覆盖嘉定、奉贤、金山、临港4个区域，目前已配套八座加氢站。

氢能源公交：2021/10/17 临港7路、临港7路B线正式投入运营(图片来源网络）

氢能源公交：2021/10/17 临港7路、临港7路B线正式投入运营(图片来源网络）

2022年2月，北京 2022 年冬奥会和冬残奥会开幕，根据北京冬奥组委公布的数据，北京冬奥会将示范运行超 1000 辆氢能源汽车，配备 30 多个加氢站，是全球最大的一次燃料电池汽车示范。包括来自丰田汽车、北汽集团、宇通客车、福田汽车等等一众车企的氢燃料电池汽车均将投入到北京冬奥会之中。

北京首座冬奥会配套加氢站顺利投运（图片来源网络）

延庆赛区北京公交氢能源公交车服务冬奥（图片来源网络）

结语

2020年，中国正式宣布力争2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和。此外，还包括二氧化碳、甲烷、氢氟化碳等，即涵盖了二氧化碳到非二氧化碳的全部温室气体。

减少二氧化碳排放量的手段，一是碳封存，二是碳抵消。一旦彻底消除二氧化碳排放，就能进入净零碳社会。

希望随着科技的发展，可以优化提氢能的工艺，使得制造过程更加的环保和低碳，进一步降低储氢的成本，可以大幅度刺激氢能市场的发展，为碳中和目标贡献一份份额。

2030年实现碳达峰目标（图片来源网络）

一、氢能车的前景如何？万亿市场何时启航？

发展氢能是实现“碳中和”的重要途径，氢燃料电池车的减排优势也已经成为了业界的共识。从产业全生命周期看，目前主流的锂电池并不环保，尤其是废旧电池的回收利用市场还没有发展起来，眼看着首批锂电池电动车大量退役的情况即将来临，其带来的环境污染问题应该被重视起来。而氢能车呢，在退役报废时，只涉及铂催化剂的回收问题，再加上氢燃烧只剩水，对环境的污染明显小很多。

我国在锂电池和氢能这两条技术领域均有涉足，因为两者的应用场景都符合国情。

比如电动车，加速快、续航短、环境适应性弱，适合用作乘用车。氢能车呢，动力强、续航长、环境适应性强，适合长距离、中重载的物流车、卡车、工程车等，以及北方寒冷地区的新能源车替代。

而发展氢能车，目前面临的困难较多，主要有以下几点：

绿色制氢成本高 ，除了天然气裂解，其他手段都不成熟。对于中国这样缺油少气的国家，除非太阳能制氢技术大爆发，否则从战略和能源安全角度讲，推进氢能是不现实的。另外，由于氢气在我国被列入危化品，工厂必须远离城市，所以大大增加了运输成本。

加氢站尚处于起步阶段 。目前市面上大多数加氢站的氢气主要来源于外部供氢，购买进口加氢设备加上购氢费用，使其建设成本高达1500万元，过高的建设费用使得大多数加氢站都处于亏损状态。

氢能车发动机价格昂贵 ，导致整车价格是燃油车的三倍，是锂电池车的1.5-2.0倍。再加上加氢站的高达60-80元的加氢费用，使得大部分消费者仍处于观望阶段。

不过，氢能是我们必须追赶的前沿能源，特别是在国家重视“碳中和”的大环境下，氢能发展正在提速。虽然电动车替代燃油车的趋势已经很明显，但是也不排除氢能技术取得突破，一举翻盘，而且其在重载商用车和光伏储能上还有很大的机会。虽然我国的氢能产业正在经历一段较长时间的技术迭代和创新，但是，我相信追上世界主流水平是指日可待的。

二、氢燃料电池车有望成为未来汽车发展的方向

燃料电池被不断提及，成为清洁能源的代表之一。

氢能作为最易获得的能源，在燃料电池中获得较高的地位。随着对环境的重视，我们越来越强调「低碳经济」与「生态文明」，因而世界的主旋律都在向新能源看齐。众所周知，新能源因污染小、储量大、分布广，更能满足当下的需求。

在新能源诸多分支里，燃料电池却没有掌握绝对的话语权，在人们最常使用新能源的场景——汽车上，搭载锂电池的电动汽车成为了新能源的领先者，占据了新能源的「半壁江山」。

但是，即便是目前最主流的应用，电动汽车也存在无法避免的劣势，如充电时间长、续航里程短，电池维修及保养成本高等等。受技术发展限制，电动汽车能否成为人们出行的绝对唯一选择，仍然有许多不确定因素。而在锂电池之外，还有着不少其他技术方面的问题，正在等待爆发当中。

氢燃料电池车，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，从而达到驱动车辆。

它的本质上其实是一种以压缩氢气作为燃料的增程式电动车。但是和如今比较常见的燃油增程式电动车不同，它的排放物只有纯净的水，能够做到真正的无温室气体排放。与纯电动车相比，它补充燃料的过程也十分方便，和燃油车加油的过程耗时相差无几，更没有纯电动车充电耗时长的不便之处。这使得它成为了很多国家追逐的技术新方向。

汽车是燃料电池的最好载体之一。

早在20年前，就已经出现了以氢燃料电池为动力的原型车。1999年的东京车展上，本田就推出了FCX概念车，其中由巴拉德动力系统公司（BallardPowerSystems）制造的氢燃料电池有78kW的功率输出，EPA认证的续航里程为170英里（约273公里）。

氢燃料电池车对充能基础设施的需求较高。氢燃料电池汽车只能在加氢站充能，如果基础设施没有成大规模分布，那么对于人们出行都成了难题。根据中国氢能联盟发布的《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》，截至2018年底，中国已建成加氢站共有23座，占全球加氢站的比例约为6.23%。

但人们并未放弃这类清洁能源。水氢联盟早在2002年就开始研发氢能并且着手开发小型移动制氢机。在2013年，广东合即得成立，致力于氢能转化技术、水基能源技术的开发和应用的。开发研制出的水氢动力模块AH7500（水氢机）在电动车上测试成功。水氢动力模块是采用催化重整及纯化多项技术从醇水中获得高纯氢，通过质子膜系统产生电、热等多种能源。搭载该模块的水氢汽车使用的氢气是即产即用，只要原料箱中有充足的水氢原料（甲醇水）即可保证水氢汽车的续航能力。它可有效缓解充电基础设施覆盖不足的问题，还可以减少充电设施的投入。

水氢机经过多年的研发，技术逐步趋向成熟，特别是在汽车领域的应用空前飞速，受到各界的广泛关注和政策的大力支持。

氢燃料电池车，凭借自身的清洁优势，有望成为未来发展的一个方向。

来源：第一电动网

作者：广东合即得

本文来源于汽车之家车家号作者，不代表汽车之家的观点立场。

三、目前氢能源汽车产业发展存在什么样的阻碍？

氢能具有燃烧热值高、发电效率高、清洁无污
染、储运便捷、来源广泛、利用形式多、安全性能
好等诸多优点，但目前，我国氢能源汽车产业发展遇到了不少瓶颈，具体体现在以下方面：

首先，是政策的不确定性。早期政策导向偏颇, 氢能
源发展意识不足，导致资金过多投向金属电池汽车产业，氢能源汽车产业投资受到挤压。2017年实施
的双积分制度，初衷是为了建立推动新能源汽车发
展的长效机制，实现传统汽车降低油耗和扩大新能
源汽车产销规模，但由于已有车企只需减少碳排放
或者通过非法交易获得新能源积分，大多数传统企
业没有动力转型氢能源汽车产业发展，而是将更多
精力发展混合动力汽车或者纯电动汽车。

其次，是技术的不确定性。虽然我国氢能源汽车
产业技术上有了一定发展，但在制氢、储氢、燃料
电池、加氢站、商业化等环节还存在明显短板。此
外，供氢系统故障、冷却系统故障、燃料电池模块
故障、燃料电池DCDC故障、辅助系统故障和绝缘故
障等六大问题亟待解决。

再次，是需求的不确定性。氢能源和氢燃料电池进
入市场的时间和节奏、市场需求和欲望，依然不好
把握，亟需政府进行干预以便保持稳定需求量。氢
能源汽车当前存在产业链难以贯通的困境，特别是
氢气供应仍然是制约产业发展的环节，常规的氢气
产业运营模式暂时无法与新兴的燃料电池应用产品
无缝衔接，安全轻便的储氢材料还没有出现，这使
得氢能产品商业化进展十分缓慢。氢能与燃料电池
技术突破、燃料电池成本下降不及预期，加上氢能
知识普及缺失和不足，使得氢燃料电池和氢能源汽
车市场化短期内没有达到应有效果。

最后，是竞争的不确定性。由于竞争政策的设计和
实施存在严重不足，原有企业和新进入市场者仍存
在冲突。市场在位者往往投入大量研发成本，而新
进入者则通过非法手段窃取技术专利或者在已有研
究水平上搭便车进行更新换代，从而出现后来居上
和打压原有市场在位者的情况，使得很多大型企业
不愿意投入巨资研发，而是继续观望等待技术的突
破或成熟，阻碍了氢能源汽车产业的发展。