燃料电池的展望与辨析

作者简介：

姚昌晟，清华大学汽车工程系本科与在读博士，目前在清华动力系统课题组进行混合动力系统方面的研究。

燃料电池的展望与辨析

近半年来燃料电池“很热”，然而至少在中国，燃料电池技术并不会在未来十年「替代」锂电池技术，也不会成为车用动力的「主流」。

但它仍将作为纯电动汽车的补充，作为柴油机的潜在替代动力系统，快速发展并取得一定的商业化成就。

为什么这么说？下面就从燃料电池技术的意义、定位两方面分别说一说，最后再简单说说燃料电池应用场景和局限。

燃料电池技术路线多样，下文中燃料电池即指代车用主流燃料电池技术：质子交换膜燃料电池（PEMFC）。下次会再更新一篇燃料电池技术路线的文章与各位交流。

一，燃料电池系统与氢能产业的意义

燃料电池系统从来不是2017-2018才开始热起来的，我国在2008年就开始了氢燃料电池汽车的示范运行。在美国，氢燃料电池更是与锂电池技术呈螺旋式的交替发展，这与政治环境密不可分，布什政府时期就曾大力推动「氢经济」，促进了当时的氢燃料电池技术的发展，通用在2002年推出的Autonomy自主魔力概念车曾轰动一时，其动力系统就是氢燃料电池，这一趋势直到2008年奥巴马政府才发生暂停，转回了纯电动的推进路线。

在日本，在「氢能社会」的国家战略下，氢能建设与燃料电池汽车的发展更是如火如荼，由于燃料电池汽车和混合动力汽车技术的相似，也由于燃料电池的上游产业实力，日本在产业端有着强大的优势；另一方面，氢能作为重要的「二次能源」，无论是中东的石油、澳大利亚的煤矿还是日本海的风都可以转化为氢气，这对于多元化日本的能源进口结构有着重要的意义，在福岛事故之前更是与核能发展路线能够相辅相成，因此上升到国家战略并不为怪。

氢能从来不是「终极能源」，但它「二次能源」的意义不仅对于日本，对于中国、美国是一样的能源意义。而在应用端，燃料电池不仅可以车用，在特种领域同样有着极大的潜力：无人机、特种、坦克等载具使用燃料电池相较于发动机可以降低噪音和热源，相较于锂电池极大提升续驶里程；现代化特种特种电源的使用中，燃料电池同样最为可能的长续航能源；在分布式发电的场景，燃料电池同样可以承担和柴油机相似的作用，并且有着更低的噪声、振动和污染。

所以，仅「能源多样化」和「技术储备」两点，就足以支撑燃料电池和氢能产业的发展意义。

二，燃料电池在交通领域的定位

那么为什么说在中国，燃料电池电池在交通领域是次要的地位，而不是替代纯电动车？

还是先来看美国和日本，美国在特朗普政府治下对新型能源并不感冒，这背后一个重要的原因是美国的能源结构已然悄然发生改变，随着页岩油页岩气的大发现和开采技术进步，美国已经成为了能源输出国，能源安全问题相较于日本、欧洲、中国而言，并不急迫。而日本则是强力推动燃料电池汽车发展，原因在上一段提到了，与此同时，民用发电燃料电池、特种用途燃料电池等等用途加在一起，规模和汽车产业比起来都太小了，燃料电池汽车的量可以带动整条氢能产业链的技术发展和成本下降。从这个角度看，汽车无疑是最值得投入的工业。事实上，日本用汽车来拉动技术的尝试已经成功了多次，最近的一次，就是1997年问世的现代混合动力汽车标杆——第一代Prius。Mirai就是新的Prius：一方面赔本赚吆喝，另一方面开放专利力邀全世界加盟。

而对于中国来说，与纯电路线对比，燃料电池缺少了产业基础和自主技术的支撑。我国与日美相比，燃料电池系统中关键的电堆、空压机，以及电堆的关键零部件膜电极，均依赖进口；储氢瓶技术仅可以自主化生产35MPa储氢气瓶，70MPa储氢气瓶未能自主化；运氢技术未能突破液氢运输与管道运氢，仍需拖车运输高压气瓶；加氢站设备同样依赖进口。一方面，整条产业链的落后凸显了亟需对该领域的投入；另一方面也反映了相较于日本，我国缺少氢能工业禀赋，在起跑线上已经落后，所需投入更巨。

但燃料电池技术的用武之地与纯电动并不完全重合。除了无人机/分布式发电等等场景之外，在交通领域，中重载卡车的应用场景纯电动还无法胜任，续驶里程和充电时间的限制，使得纯电动重卡并不是一个现实的命题。燃料电池恰可以承担这样的角色。其他诸如城间长途客运、叉车等场景，同样更适合使用燃料电池。燃料电池系统更像开放式的内燃机系统，或者更具体一点，它更像柴油机系统。这也是潍柴、东风等商用车龙头企业大力投入燃料电池的原因。

所以从需求端来看，燃料电池技术的主要应用场景是中重载卡车、长途客车，乘用车领域是大型乘用车。与纯电动车的场景并不冲突，“替代”无从谈起。

三，燃料电池的应用场景

未来十年，燃料电池汽车会在哪些地方兴起呢？上一节已经谈了需求端，也就是什么样的车型和载具可能使用燃料电池。这一节再谈谈供给端，说说什么样的场景下适合使用燃料电池。

谈这个问题前，先要说说目前燃料电池汽车的局限。上一节中已经谈到我国的氢能产业技术较为稚弱（虽然已经在加速发展，并且涌现出了一些自主技术与公司），与此同时，很多应用场景同样受到限制。比如最现实的问题：氢从哪里来？

氢气的制备方式很多样，包括化石燃料制氢、煤制氢、电解水制氢、氯碱工业副产氢等等。但是这些方式并不完全适用于燃料电池汽车的氢气制备，比如天然气制氢和电网电解水，可以说是对能源增加了一重浪费。

那么什么样的氢能适合呢？氯碱工业副产氢，煤制氢，无法上网的可再生能源制氢。

从产能角度看：

·我国是氯碱工业大国，统计数据显示，2017年中国烧碱产量3365.2万吨，而每生产1吨烧碱约副产280立方米（约合0.025吨）氢气。换言之，中国的氯碱工业每年可以生产出至少85万吨氢气，这些氢气可以让10万辆Mirai加氢每辆车加氢1700次，奔跑85000公里。

·煤制氢的产能不需多说。

·我国的可再生能源无法上网的「弃风」「弃水」「弃光」均为百亿kWh的量级，尽管逐年上网率在提升，仍是巨大的数字。

但这些也是看起来美好。

一，车用主流燃料电池技术质子交换膜燃料电池（PEMFC）需要的氢气纯度极高，一般认为需要「四个9」以上，即纯度大于99.99%，上述途径得到的氢气都需要进行纯化，特别是煤制氢得到氢气纯度较低，如直接使用会导致燃料电池催化剂中毒，这意味着制氢成本的增加。

二，氯碱工业和可再生能源均有着明显的地域特征，氯碱工业集中在华北华东部分省份、可再生能源集中于西北西南地区，但是氢能运输能力有着极大的限制：目前仅有的拖车运氢超出200公里的半径就已经并不经济。这意味着目前氢能的使用将被局限在部分地区。

因而氢燃料电池的使用场景进一步受到了限制：从供给端看，短中期内氢燃料电池商用车的应用场景，或是上述富氢地区的区域内应用；或是公路运输主干线的应用（如北京-武汉-广州这样的公路运输大动脉）。

尽管眼下有着各种局限：上游产业与技术、燃料电池技术、下游应用场景……但燃料电池与氢能产业将在未来十年快速发展：氢能是新能源战略的重要组成部分；燃料电池是重要的动力系统技术；燃料电池汽车在交通领域会成为纯电动汽车的重要补充与支撑。

仅在过去一年里，燃料电池零部件的国产化迅速，可以说是超出预期。而随着示范运营规模的扩大，关键零部件及电堆成本仍将持续下降。此外，储氢、运氢的技术方案也在陆续的推出。中国氢能产业的萌芽已经开始。

在今天，燃料电池汽车或许正相当于2008年开端的纯电动汽车，谁也不会想到10年后，它的发展已经超乎了所有人的想象。