導語：隨著新能源汽車的快速發(fā)展，動力鋰電池受到行業(yè)的高度關(guān)注，甚至有車企重金投資動力電池領(lǐng)域，固態(tài)電池、燃料電池也在不斷受到高度追捧。那么，未來是鋰電池、固態(tài)電池、燃料電池齊頭并進，還是氫燃料電池等引領(lǐng)潮流呢？對于氫燃料電池在乘用車上的應用，業(yè)內(nèi)仍然存在一定的爭議，這主要在于燃料電池商業(yè)化仍面臨較大挑戰(zhàn)。
一、氫燃料電池汽車帶來投資熱潮
在政策推動下，車企正在加大對氫燃料電池汽車投入的熱情。
多年來，日本和韓國的汽車制造商一直在開發(fā)和推動氫燃料電池汽車。現(xiàn)代汽車集團在2021年9月7日氫之日“Hydrogen Wave”發(fā)布會上已提出，到2040年建立一個全球性的氫能社會。而德國近年來在氫燃料電池汽車領(lǐng)域的支持也讓寶馬和奧迪也加大了投入。基于寶馬X5升級打造的寶馬iX5 Hydrogen氫燃料電池車將在2022年實現(xiàn)小規(guī)模量產(chǎn)。奧迪則組建了研究氫燃料電池的團隊，已經(jīng)制造了一些氫動力原型車。
在中國市場，近幾年的政策拉動在的一定程度上催熱了中國燃料電池車的發(fā)展。長城汽車、上汽、吉利、廣汽等均在這一領(lǐng)域均有所布局。近日，財政部等五部門發(fā)布的《關(guān)于啟動燃料電池汽車示范應用工作的通知》明確指出，京、滬、粵三個城市群成為首批入選氫燃料電池汽車示范城市群的重點區(qū)域。若完成示范任務(wù)，每個城市群擬獎勵金額最高18.7億元，共56.1億元，示范期暫定為四年。以北京為例，北京地區(qū)總目標規(guī)劃是在2023年前建成37座加氫站，推廣燃料電池車輛3000輛，在2023~2025年前，再新增37座加氫站，累計推廣燃料電池車1萬輛。
中國工程院院士衣寶廉在十七屆中國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展（泰達）國際論壇上表示，燃料電池有三個優(yōu)點：一是能量比較高；二是電堆和氫罐是分開的，因此比較安全；三是在燃料電池續(xù)駛里程方面，加氫時間、駕駛的舒適型均可與燃油車媲美。
目前，韓系車和日系車由于布局較早走在前列。公開數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)代汽車集團氫燃料電池乘用車銷量在2020年占全球氫燃料電池乘用車市場的75%。截至2021年8月，現(xiàn)代汽車旗下的NEXO車型全球累計銷量已突破1.8萬輛，是全球最暢銷氫燃料電池車。不過，這一數(shù)字在新能源汽車市場的占比依舊非常小。
現(xiàn)代汽車集團正在研發(fā)的第三代氫燃料電池系統(tǒng)，其尺寸更小、輸出功率更高、價格更低。“第三代氫燃料電池針對乘用車領(lǐng)域的開發(fā)目標是質(zhì)保達到50萬公里，價格則比第二代氫燃料電池系統(tǒng)降低了50%以上。”現(xiàn)代汽車集團會長鄭義宣表示，這是實現(xiàn)2030年氫燃料電池車在價格競爭力上媲美純電動汽車目標的關(guān)鍵因素。寶馬也預計在2030年左右將氫能汽車推向大眾市場，并時刻關(guān)注著歐洲和其他市場關(guān)于氫能源政策的變化。
不過，對于氫燃料電池在乘用車上的應用，業(yè)內(nèi)仍然存在一定的爭議。這主要在于燃料電池商業(yè)化仍面臨較大挑戰(zhàn)。從國內(nèi)市場來看，衣寶廉認為，一是目前燃料電池發(fā)動機貴導致一輛燃料電池車的售價是燃油車的兩倍到三倍、是鋰離子電池車的1.5到2倍；二是加氫站建設(shè)費用比較高，每個加氫站建設(shè)成本為1200萬元到1500萬元，同時在加氫站加氫的費用也較高，達到60~80元，只有降到30元以下才能和燃油車競爭，因此要實現(xiàn)無補貼的燃料電池商業(yè)化，必須大幅度降低燃料電池發(fā)動機的成本和氫氣成本，同時降低加氫站的建設(shè)費用。
EVTank發(fā)布的《中國加氫站建設(shè)與運營行業(yè)發(fā)展白皮書（2021年）》顯示，截至2020年底，中國累計建成118座加氫站，在建/擬建為167座。加氫站成本依舊非常高昂，是等規(guī)模的傳統(tǒng)加油站投資費用的三倍，主要由于目前國內(nèi)加氫站關(guān)鍵設(shè)備進口依賴還很高，國產(chǎn)替代亟需提速。此外，加氫站運營成本中氫氣成本占比最大，接近運營成本的70%，由于制氫和運氫產(chǎn)業(yè)鏈條不夠成熟，產(chǎn)業(yè)規(guī)模不大，導致氫氣價格居高不下，這為加氫站的建設(shè)和推廣帶來一定成本壓力。
而從燃料電池構(gòu)成的成本來看，電堆是其主要組成部分，其他材料包括石墨、聚合物膜、鋼等。過去，電堆中主要使用鉑金催化劑，但其資源稀缺且成本較高，隨著技術(shù)的進步，鉑金催化劑的使用比例已有所降低。不過，與國際水平相比，國內(nèi)燃料電池成本依然較高。“燃料電池車所用的電堆是用鉑來做催化劑的，現(xiàn)在國內(nèi)達到了每千瓦0.3克鉑，國際上達到了每千瓦0.2克鉑左右，要降到0.1克鉑以下才能實現(xiàn)燃料電池商業(yè)化。”衣寶廉表示。
從車企規(guī)劃上來看，2030年可能是一個關(guān)鍵的時間節(jié)點。同濟大學教授明平文在第三屆世界新能源汽車大會上也表示：“我們預測了不同規(guī)模下燃料電池電堆的成本，可以看到50萬產(chǎn)量的時候成本降低非常大，希望通過規(guī)模化以及國產(chǎn)化推動氫能以及燃料電池的整個應用，希望在2030年綠氫成本能夠真正的被市場所接受。”
另一方面，國內(nèi)燃料電池在技術(shù)層面仍存在一些難點。“對于氫燃料電池，現(xiàn)在國內(nèi)的制造工藝沒有大的問題，但汽車供氫系統(tǒng)中的重要零部件車用氫氣瓶口閥依然被國外技術(shù)壟斷。此外，涉及燃料電池發(fā)電模塊的部分材料技術(shù)仍需要進一步提升。”長城汽車氫能技術(shù)中心負責人馬強在接受第一財經(jīng)記者采訪時表示。
燃料電池和我們常規(guī)概念里的電池又不一樣，因為它不是儲能設(shè)備，而是發(fā)電設(shè)備。專業(yè)的角度來講，燃料電池是將燃料所具有的化學能直接轉(zhuǎn)化成電能；例如，氫燃料電池核心是質(zhì)子交換膜（只能讓質(zhì)子通過），這種膜將氫氣分離成質(zhì)子和電子（兩個質(zhì)子H+和兩個電子e-），并讓它們走兩條路，質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜與氧氣氧化反應成水，流動的電子通過電路形成了電流，可以驅(qū)動及電動機或進入電池存儲起來；通俗的說，燃料電池發(fā)電的最終產(chǎn)物就只有電和水。
二、既然燃料電池這么“環(huán)保”，是什么限制了其發(fā)展呢？有哪些技術(shù)難點呢？
1，燃料電池的核心技術(shù)在于——“質(zhì)子交換膜”。而目前全球能夠商業(yè)化供應氫燃料電池質(zhì)子交換膜材料的公司除了美國杜邦之外，就只剩下日本境內(nèi)的一家公司，但這家公司拒絕對任何國家銷售該產(chǎn)品，這就為燃料電池的發(fā)展帶來了阻礙。
2，燃料電池的動力系統(tǒng)是導致燃料電池車成本增加的主要原因，而且后續(xù)的“充能”也是主要問題。一座加氫能力大于200公斤的加氫站建設(shè)成本在1000萬元以上，如此高昂的建設(shè)成本顯然是加氫站快速發(fā)展的最大障礙。
3，再加上氫燃料電池的催化劑是鉑金，要知道鉑金全世界產(chǎn)量很低且價格昂貴，大概是黃金的2倍。
4，加氫站的投資和普通加油站乃至充電站是不可比擬的投入。就算未來氫燃料將成為主流，但是目前的技術(shù)問題仍然沒有取得關(guān)鍵性的進步，再加上目前的氫燃料需求者并不多。所以如果國內(nèi)的氫能源想要在未來電池市場分一杯羹，技術(shù)問題仍然是當前的急需解決的關(guān)鍵
5，燃料電池是串聯(lián)系統(tǒng)對可靠性要求非常高的，非常難控制。
6，大功率電堆設(shè)計需要通過多學科跨尺度的聯(lián)合仿真方法，這是電堆面臨的最大挑戰(zhàn)。試錯成本很高，大部分需要靠計算，但計算很難。
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