燃料电池汽车的介绍及其优缺点

燃料电池汽车也可以算作电动汽车，但你可以在五分钟内给电池灌满燃料，而不是等上几个小时来充满电。电动汽车要做到这一点，就必须更换整组电池。那为什么现在只投产了一种燃料电池汽车，而电动汽车却无处不在呢？这就是一个有关效率、燃料、污染和政治的故事了。

燃料电池汽车是什么？

燃料电池汽车也是电动汽车，只不过“电池”是氢氧混合燃料电池。和普通化学电池相比，燃料电池可以补充燃料，通常是补充氢气。一些燃料电池能使用甲烷和汽油作为燃料，但通常是限制在电厂和叉车等工业领域使用。

和普通电池一样，燃料电池由阳极、阴极和电解质组成。大部分燃料电池汽车如Mirai或本田的FCXClarity使用聚合物交换膜燃料电池(PEMFC)。在这一系统中，氢气受压通过铂催化剂，分解成两个氢离子和两个电子。这些电子会驱动汽车的电动机，而氢离子会和氧气结合成水，以蒸汽“废气”的形式排出。通过将这些电池堆叠在一起，就能为汽车提供足够电力。

哪些厂商在制造燃料电池汽车呢？韩国现代在今年夏天推出了Tucson燃料电池汽车，租期三年，每月需付费499美元，并计划今年在南加州销售60辆Tucson。上文提到的丰田Mirai会在明年上市（出租价格每月499美元，从加州开始）；本田的燃料电池汽车会在2016年上市（本田最近终止了FCXClarity项目，但在2008年至2014年间出租了45辆）；宝马很快就会宣布一款燃料电池驱动的原型车，并同意与丰田共享技术；包括通用汽车在内的其他汽车制造商也在测试燃料电池汽车。

氢气来自哪里？

如果你想要一辆百分百环保的燃料电池汽车，就必须以不造成污染的方式来制造氢气。这可不容易，目前最好的方法是通过电解水来制造氢气，即用电将水分解成氧气和氢气。目前最好的电解水系统的能量转化率只有80%，并不怎么高效。

甲烷转化（上图）要更划算，但却会造成污染。蒸汽需要加热到700到1000摄氏度，然后与甲烷结合生成氢气和一氧化碳，以及少量二氧化碳。得益于水力压裂法生产的大量天然气，美国有95%的氢气通过这种方法来制造。

如何购买氢气？

电动汽车已经在道路上（和你家中）建立了充电基础设施，但氢气销售点却很少，相隔距离也很远。这部分是由于缺少需求，还有就是建造成本高昂。普通的电动汽车充电站只需花数十万美元来建造，特斯拉的超级充电站建造成本高达30万美元。但建造一个氢气燃料站需要花费100万至200万美元，因为需要解决处理液态氢气的问题。因此，美国现在只有大约50个氢气燃料站，其中22个位于加州。

为什么这么贵？根据AutoblogGreen披露的细节，氢气燃料站的主燃料箱以至少负250摄氏度的温度存储着近1万加仑液态氢气。和天然气或柴油不同，液态氢气保存在地面上的一个特别区域，与泵分离。然后液态氢气会在汽化塔内转化成气体，然后加压传输给更小的储罐来销售。

《人车志》描述了充气过程：

首先需要将一个多管通信插头插入汽车，以了解其燃料需求，接着需要连上氢气喷嘴，用扭锁和泵来密封。

一些燃料电池汽车可以同时接受350个大气压和700个大气压的氢气，后者的行程更远。只需3分钟到5分钟就能充满700个大气压的氢气，价格约3美元至3.5美元GGE（每加仑汽油当量）。

丰田和本田将向买家免费提供三年氢气。丰田计划逐步增加在美国的氢气燃料站数目，将在加州新建19个，并在纽约和罗德岛之间建造12个。加州已拨款2亿美元用于兴建氢气燃料站，并想在2016年时将这一数目增至40个。不过，几乎没有其他州宣布类似计划，意味着燃料电池汽车早期用户想要环游美国会有困难。

为什么要关心这事？

如果你正在阅读本文，我猜你不想留给后代子孙一个乌烟瘴气的地球。而且我们已经详细阐述了电动汽车如何来帮助减少温室气体排放。但购买环保汽车也有更自私的理由。从长期来看，如果算上折扣，日产Leaf、丰田普锐斯等环保汽车要比普通汽车更省钱。那么燃料电池汽车的费用相比其他环保汽车如何呢？

燃料电池汽车相比电动汽车的主要优势就是方便。氢气燃料电池汽车只需3到5分钟就能充满长途行驶所需的气量，而TeslaModelS至少需要20分钟才能充满电（见上图），但行驶的距离还不到氢气燃料电池汽车的一半。这让燃料电池汽车更方便日常使用，汽车制造商们据此认为，希望寻找更环保汽车的消费者也许会认为燃料电池汽车要比电动汽车更实用。

州监管机构也这么想。现在汽车制造商需要在15分钟内充满足够行驶285英里的燃料才能获得满额加州零排放汽车(ZEV)信用点。这些信用点可以转售给汽车制造商，特斯拉在去年首次盈利靠的也是ZEV信用点。然而，像ModelS这样的纯电动车现在已经不符合获得满额ZEV信用点的规定，因为大部分电动汽车都达不到补充燃料的要求。你很快就会看到，加州的政策变更或许会增加污染，但这无疑会激励丰田、本田和其他公司在电动汽车之外制造燃料电池汽车。

至于性能和环保性方面，燃料电池汽车使用和电动汽车一样的电动马达，性能表现差不多。丰田Mirai百公里加速时间大约为10秒，能行驶434英里。燃料电池也更适合皮卡和SUV，目前的锂电池没法满足这些车型的需要。锂电池也要比燃料电池组/氢气箱重得多。

但你是否就该为只排放水的燃料电池汽车感到骄傲呢？悲哀的是，答案是不。

燃料电池汽车的问题？

燃料电池汽车的主要问题是，制造驱动它们的氢气燃料要消耗比普通电动汽车更多的能源。污染也是个很严重的问题。

燃料电池汽车的售价和维护费用要比电动汽车贵

丰田表示，全新Mirai售价5.75万美元，联邦和州政府补贴后的价格可低至4.5万美元。这比特斯拉要便宜不少，但日产Leaf的售价差不多是3万美元，补贴后的价格约为2万美元。如上文所述，给燃料电池汽车补充的氢气价格约为3美元GGE，美国能源部估计给一辆车加满气需要花约50美元（丰田的免费燃料不算在内）。这意味着，一辆燃料电池汽车的维护成本是普锐斯混合动力汽车的两倍，是电动汽车的四倍。的确，这一成本会随时间推移降低，但电动汽车和混合动力汽车也一样。

制造和使用绿色氢气的费用更高

除了甲烷转化，获得绿色氢气的唯一可行的方式是通过电解。但坦白讲，这一过程中消耗的电可以更好地用在普通电动汽车上。正如上面的图表所示，相比起氢气燃料电池汽车，电动汽车能更好地利用电力。至少这就是燃料电池技术的现状。

甲烷转化得到的氢气和汽油一样糟

好吧，假设你使用的氢气来自于甲烷转化。这至少要比燃烧天然气或柴油好，对吧？并不完全如此。福特最近表示，相对于燃气发动机，燃料电池汽车“对环境的好处有限”。而且可能要更糟一些，因为最近的研究显示，甲烷基础设施的泄露情况比原先想象的还糟糕（最高达7%），而作为温室气体，甲烷的温室效应是二氧化碳的86倍。

补充氢气燃料的基础设施造价高昂

正如上文所述，氢气具有爆炸性，很难处理。输电就相当简单，每个房子都有电。但氢气燃料电池汽车需要对制造和运送环节投入巨资，每一个环节又会增加成本、复杂性和污染。

这一切是不是说明氢气燃料电池汽车没戏了呢？

从这些标准来看，相对于环保省钱的电动汽车，氢气燃料电池汽车根本没法比。但在消费者的心中，“实用”也很重要，燃料电池汽车加满燃料的速度更快，行驶的距离更远。而且，氢气燃料电池汽车还处于早期阶段，充电式电动汽车在10年前也存在似乎无法克服的问题，现在美国境内有近28万辆电动汽车。

正如一名燃料电池汽车推动者所说的，目前上路的汽车中仍有97%的车辆用汽油做燃料，电动汽车粉丝何必嫉恨氢气燃料电池汽车呢？燃料电池的发展将推动技术改进，希望也能在未来让化石燃料汽车永远从道路上消失。

燃料电池汽车优缺点：

（1）优点

与传统汽车、纯电动汽车技术相比，燃料电池电动汽车具有以下优点。

①零排放或近似零排放，绿色环保。燃料电池电动汽车在本质上是一种零排放汽车，燃料电池没有燃烧过程，若以纯氢作燃料，通过电化学的方法，将氢和氧结合，生成物是清洁的水；采用其他富氢有机化合物用车载重整器制氢作为燃料电池的燃料，生成物除水之外还可能有少量的C02，但其排放量比内燃机要少得多，且没有其他污染排放（如氧化氮、氧化硫、碳氢化物或微粒）问题，接近零排放。与传统汽车相比既减少了机油泄漏带来的水污染，又降低了温室气体的排放。

②能量转换效率高，节约能源。燃料电池的能量转换效率极高。燃料电池没有活塞或涡轮等机械部件及中间环节，不经历热机过程，不受热力循环（卡诺循环）限制，故能量转换效率高，燃料电池的化学能转换效率在理论上可达100%，实际效率已达60%～80%，是普通内燃机热效率的2～3倍（汽油机和柴油机汽车整车效率分别为16%-18%和22%～24%）。因此，从节约能源的角度来看，燃料电池汽车明显优于使用内燃机的普通汽车。

③燃料多样化，优化了能源消耗结构。燃料电池所使用的氢燃料来源广泛，自然界中，氢能大量存储在水中，可采用水分解制氢，也可以从可再生能源获得，可取自天然气、丙烷、甲醇、汽油、柴油、煤以及再生能源。燃料来源的多样化有利于能源供应安全和利用现有的交通基础设施（如加油站等）。燃料电池不依赖石油燃料，各种可再生能源可以转化为氢能加以有效利用，减少了对石油资源的依赖，优化了交通能源的构成。

④续驶里程长，性能优于其他电池的电动汽车。采用燃料电池发电系统作为能量源，克服了纯电动汽车续驶里程短的缺点，其长途行驶能力及动力性已经接近于传统汽车。燃料电池汽车可以车载发电，只要带上足够的燃料，它可以把我们送到任何想去的地方。燃料电池电动汽车在成本和整体性能上（特别是行程和补充燃料时间上）明显优于其他电池的电动汽车。

⑤过载能力强。燃料电池除了在较宽的工作范周内具有较高的工作效率外，其短时过载能力可达额定功率的200%或更大，更适合于汽车的加速、爬坡等工况．燃料电池的短时过载能力可达200%的额定功率。

⑥运行平稳、低噪声燃料电池属于静态能量转换装置，除了空气压缩机和冷却系统以外无其他运动部件，因此与内燃机汽车相比，摆脱了马达的轰鸣，运行过程中噪声和振动都较小。

（2）缺点

汽车业界普遍认同的一个观点是，燃料电池技术是内燃机技术最好的替代物，代表了汽车未来的发展方向。但如果将发展燃料电池汽车的几个制约因素考虑进来，则会发现燃料电池汽车目前和今后一段时间尚不具备商业化的条件。

①燃料电池汽车的制造成本和使用成本过高。制约燃料电池汽车推广应用的最大因素之一是燃料电池的生产成本一直居高不下。如何降低燃料电池的生产成本成为燃料电池汽车实用化的关键。据美国能源部测算，目前燃料电池的生产成本已降为500美元／kN。专家估计，只有当燃料电池的生产成本降至50美元／kW的水平才能为消费者所接受．也就是说．当一台80kW的汽车用燃料电池的成本降到目前汽油发动机的3500美元的价格时，才能创造巨大的市场效益。从市场经济学角度讲，高成本很难完成市场化推广，而无法实现市场化就不可能大规模批量生产，进而成本就无法降下来，最终导致成本与销售的恶性循环。

另一方面，燃料电池汽车的使用成本过也高，氢气的售价并不廉价，因此燃料电池车的运行成本并不令人乐观。目前由燃料电池发电系统提供lkW·h电能的成本远高于各种动力电池，这从一个侧面反映了作为汽车动力源，燃料电池还有相当远的距离。

②启动时间长，系统抗震能力还需提高。采用氢气为燃料的FCEV启动时间一般需要超过3min，而采用甲醇或者汽油重整技术的FCEV则长达lOmin，比起内燃机汽车启动的时间长得多，影响其机动性能。此外，当FCEV受到振动或者冲击时，各种管道的连接和密封的可靠性需要进一步的提高，以防止泄漏，降低效率，严重时引发安全事故。

③经济且无污染地获取纯氢燃料还存在技术难点。通过重整或改质技术转化传统的化石燃料获取纯氢天然气，不仅要消耗大量的能量，而且并没有从根本上摆脱对化石能的依赖，也没有从根本上消除对环境的污染。自然界中，氢能大量存储在水中，虽然取之不尽，但直接使用热分解或是电解的办法从水中制氢显然不划算。因此多数科学家都将目光转向了利用太阳能，但是还存在许多技术障碍。目前，他们正在进行太阳能分解水制氢、太阳能发电电解水制氢、阳光催化光解水制氢、太阳能生物制氢等方面的研究。只有到了能以再生性能源廉价地生产出氢燃料，氢燃料电池民用汽车的燃料问题才算获得了根本性解决。

④氢燃料电池汽车燃料的供应还有大量的技术问题有待解决。通常氢能以三种状态存储和运输：高压气态、液态和氢化物形态。用常用的压缩气体罐储存的氢，只能供燃料电池汽车行驶150km，续驶里程太短，还不如蓄电池驱动的汽车。由于氢气是最小的分子，很容易造成泄漏。哪怕是微量的泄漏，都有可能造成极度可怕的后果。而在-253℃的条件下储存液氢的深度制冷技术目前还很不成熟．就全球来说，目前能够加液氢的加氢站也没有几家。值得欣慰的是，储氢材料的开发已取得了一定的进展。

⑤供应燃料辅助设备复杂，且质量和体积较大在以甲醇或者汽油为燃料的FCEV中，经重整器出来的“粗氢气”含有使催化剂“中毒”失效的少量有害气体，必须采用相应的净化装置进行处理，增加了结构和工艺的复杂性，并使系统变得笨重。目前普遍采用氢气燃料的FCEV，因需要高压、低温和防护的特种储存罐，导致体积庞大，也给FCEV的使用带来了许多不便。

⑥稀有金属铂金Pt被大量应用也制约着燃料电池电动汽车的推广应用。稀有金属铂金作为燃料电池必不可少的反应催化剂，按照现有燃料电池对铂金的消耗量，地球上所有的铂金储量都用来制作车用燃料电池，也只能满足几百万辆车的需求。

⑦加氢站等基础网络设施建设几乎为零，目前全球范围内投入使用的加氢站仅有100多家，且大部分是用于实验用途的。如果说技术和成本是科研机构和企业通过努力可以自行解决的问题，那么相应的配套设施建设则不是举一人之力可以完成的，需要国家政策、产业链条、基础设施建设等多方面的准备，并及时制定完善的行业标准和规范加氢站等基础设施建设，既涉及城市规划、交通、电力等问题，又要解决投资和经营者的获利问题，同时还要有效解决加氢的核心技术和统一标准等问题。对于有一定行驶区间的公交车而言，这个问题可能容易解决，但是对于私家车而言要解决这些问题就任重而道远了。