二、氫燃料電池汽車的前景

氫燃料電池（電動(dòng)）汽車的關(guān)鍵所在和奧妙之處，在于它的動(dòng)力來(lái)源——?dú)淙剂想姵亟跬昝篮头浅＠硐氲墓ぷ髟砼c機(jī)制，它名義上叫電池，而實(shí)質(zhì)上是一種基于電化學(xué)原理，將作為“燃料”（此“燃料”已非傳統(tǒng)意義上的燃料，因?yàn)樗⑽础叭紵保┑臍浜涂諝庵械难趸瘎┓磻?yīng)生成的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置（或者稱為“氫氣發(fā)電機(jī)”）。燃料電池早期主要應(yīng)用于航天和軍事目的，后來(lái)，鑒于其巨大的潛在優(yōu)勢(shì)和應(yīng)對(duì)日趨嚴(yán)重的交通環(huán)境污染，人們又研究將之應(yīng)用于汽車動(dòng)力裝置。經(jīng)過(guò)數(shù)十年，尤其是自20世紀(jì)90年代以來(lái)，科技人員扎扎實(shí)實(shí)的埋頭探索和反復(fù)試驗(yàn)研究，如今，世界上氫燃料電池汽車的技術(shù)進(jìn)步飛快，成果顯著，大大超出國(guó)內(nèi)許多人的預(yù)想，已經(jīng)展現(xiàn)出光明的發(fā)展前景；在（純）電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)障礙久攻不破的困擾下，的確給人們帶來(lái)一種“眼前一亮”的感覺(jué)。在世界汽車工業(yè)界多年艱難嘗試了多種新能源汽車技術(shù)方案之后，依據(jù)氫燃料電池汽車表現(xiàn)出來(lái)的無(wú)與倫比的卓越環(huán)保性和很高的能效，再參照對(duì)全球正在醞釀興起的第三次工業(yè)革命的預(yù)判，學(xué)界有人甚至斷言，氫燃料電池汽車很可能是世界汽車的最終發(fā)展目標(biāo)和新能源汽車的終極（解決）方案。該項(xiàng)革命性的技術(shù)成果對(duì)人類未來(lái)經(jīng)濟(jì)社會(huì)將產(chǎn)生的重大影響和廣闊的發(fā)展前景，已被世界一些具有敏銳眼光的科學(xué)家所認(rèn)識(shí)。據(jù)稱，一個(gè)由18位頂尖科學(xué)家團(tuán)隊(duì)——世界經(jīng)濟(jì)論壇新興技術(shù)跨界理事會(huì)，評(píng)選出全球未來(lái)最具發(fā)展?jié)摿ΓT如無(wú)人機(jī)、新一代機(jī)器人、3D/4D打印等十大新興科技，其中，氫燃料電池汽車位居榜首（見(jiàn)2015年第六期《中國(guó)經(jīng)濟(jì)報(bào)道》）。

燃料電池潛在的遠(yuǎn)大發(fā)展前景，不僅為汽車業(yè)界人士所認(rèn)識(shí)，而且也受到航空界的青睞。意大利都靈理工學(xué)院成功研制出世界首架燃料電池飛機(jī)，并在柏林航空展上展出。在此之前，該架飛機(jī)已在漢堡試飛成功（見(jiàn)2012年9月15日《環(huán)球時(shí)報(bào)》）。2012年，在漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上，德國(guó)航空航天中心也展示了其研發(fā)的燃料電池飛機(jī)（見(jiàn)2012年4月28日《科技日?qǐng)?bào)》）。同樣，鑒于其巨大的優(yōu)越性，燃料電池潛艇也是目前世界各軍事大國(guó)研發(fā)的熱點(diǎn)之一。

過(guò)去，我國(guó)城鄉(xiāng)許多人的代步工具是燃油摩托車，后來(lái)被蓄電池（電動(dòng)）自行車所取代。基于燃料電池的巨大優(yōu)越性及清潔可再生能源的快速發(fā)展，未來(lái)，傳統(tǒng)的蓄電池（電動(dòng)）自行車也可能會(huì)被氫燃料電池（電動(dòng)）自行車替代。據(jù)報(bào)道，最近法國(guó)普拉格馬工業(yè)公司推出了世界首款被命名為“阿爾法”的氫燃料電池（電動(dòng)）自行車，法國(guó)郵政總局已表示有意訂購(gòu)。普拉格馬公司宣稱，將在2016年首批量產(chǎn)100輛“阿爾法”自行車，2017年將增加至1000輛，每輛售價(jià)約2300歐元，不會(huì)超過(guò)眼下頂級(jí)傳統(tǒng)電動(dòng)自行車，以后大批量生產(chǎn)售價(jià)更會(huì)大幅下降。

更值得人們關(guān)注的是，近期國(guó)外有關(guān)機(jī)構(gòu)已研發(fā)成功可作為手機(jī)和電腦電源的燃料電池。如果此種電池也能獲得大量應(yīng)用，則不僅會(huì)有力促進(jìn)燃料電池事業(yè)的快速發(fā)展，而且也能大大推動(dòng)可再生清潔能源的普及應(yīng)用。

1 氫燃料電池汽車的主要優(yōu)勢(shì)

（1）基本優(yōu)點(diǎn)

裝備以質(zhì)子交換膜為代表的氫燃料電池汽車的主要優(yōu)點(diǎn)，在很大程度上歸功于燃料電池非常理想的工作原理（機(jī)理）。可以說(shuō)，它在保持和擴(kuò)大純電動(dòng)汽車優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，又?jǐn)P棄了后者固有的缺陷和不足。

①極好的環(huán)保性。就車輛本身而言，在行駛過(guò)程中，只排放純凈水而無(wú)其他任何有害物質(zhì)；同時(shí)，這也很符合大自然的循環(huán)規(guī)律。汽車運(yùn)行工作的副產(chǎn)品——水，雖然以目前的狀況看，汽車使用者還不能直接回收利用，但排入大自然總歸還是要被利用（例如再次電解水制氫等）。從能源的全壽命周期看，如果汽車使用的氫燃料是來(lái)自工業(yè)廢氣等副產(chǎn)品以及通過(guò)可再生清潔能源而制取，那么車輛總的排放污染也是很低、很少的。在全球環(huán)境污染加劇、氣候變化異常的嚴(yán)峻局面下，促使人們現(xiàn)在把發(fā)展新能源汽車的目光聚焦到氫燃料電池汽車上，說(shuō)到底是更看重其卓越出眾的環(huán)保性。

②能源效率特別高。從車輛的動(dòng)力裝置——?dú)淙剂想姵氐墓ぷ髟韥?lái)審視，它產(chǎn)生的動(dòng)力不經(jīng)熱機(jī)過(guò)程，不受熱力循環(huán)限制，基本上沒(méi)有熱釋放和熱能損失。因此，能源轉(zhuǎn)換效率高達(dá)60%～70%，甚至更高，大致是內(nèi)燃機(jī)的2～3倍。從這個(gè)角度上來(lái)看，大力發(fā)展氫燃料電池汽車也是我國(guó)破解能源困局的有效之策和重要舉措。

③氫能資源豐富。向燃料電池提供的燃料——?dú)洌瑏?lái)源和分布都十分廣泛，理論上講，在宇宙質(zhì)量中，約有75%的氫元素。地球上的氫也幾乎無(wú)處不在，無(wú)處不有，制取氫的資源豐富，途徑多樣，亦可謂取之不盡，用之不竭。從現(xiàn)實(shí)可采用的技術(shù)手段上講，既可以用包括風(fēng)能、太陽(yáng)能等清潔可再生能源電解水制氫，也可利用光直接解水制氫、陽(yáng)光生物（例如仿照植物光合作用）制氫、廢物利用制氫等。

④乘坐舒適度高。燃料電池汽車與傳統(tǒng)汽車相比，動(dòng)力系統(tǒng)不存在機(jī)械振動(dòng)和熱輻射等問(wèn)題，不僅可保證汽車有關(guān)零部件有更長(zhǎng)的使用壽命和更高的可靠性，而且汽車運(yùn)行平穩(wěn)，噪聲小，汽車的舒適性極佳。

（2）與純電動(dòng)汽車相比的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)

基于燃料電池工作原理的科學(xué)、合理性，氫燃料電池汽車就從根本上避免了純電動(dòng)汽車的若干重大缺陷，例如續(xù)駛里程局限和易著火的安全隱患等。

①續(xù)駛里程的局限小，補(bǔ)充能量快。前面已經(jīng)提到，純電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程之所以較短，在于其蓄電池存儲(chǔ)的能量有限。而燃料電池汽車的所謂電池，只“發(fā)電”并不蓄電，裝在儲(chǔ)氫罐（或容器）里的氫才是車輛存儲(chǔ)的能量，只要將氫源源不斷地提供給燃料電池，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)就能獲得足夠的電能而驅(qū)動(dòng)汽車行駛。這也就是說(shuō)，氫燃料電池汽車的續(xù)駛里程并不取決于“電池”，而取決于車載儲(chǔ)氫罐所存儲(chǔ)氫的多少。據(jù)有關(guān)科技資料顯示，氫的能量密度很高（大致為1 kW·h/kg），大約是汽柴油的2～3倍，車載鋰離子電池的10倍；5kg的氫儲(chǔ)量可支持氫燃料電池汽車連續(xù)行駛400km以上，而要達(dá)到相同的里程數(shù)，純電動(dòng)汽車則要搭載約半噸多重的鋰離子電池。相比之下，氫燃料電池堆則要輕很多。由此可見(jiàn)，純電動(dòng)車上的能量有很多都被電池的自重消耗掉了，很不經(jīng)濟(jì)，也不科學(xué)合理（見(jiàn)2014年7月18日《中國(guó)工業(yè)報(bào)》）。氫燃料電池汽車除上述的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)外，其補(bǔ)充能量的速度也很快，幾分鐘之內(nèi)，就能給儲(chǔ)氫罐充滿至達(dá)到最大續(xù)駛里程（400km乃至更多）的氫氣量，與傳統(tǒng)汽車加油一樣方便快捷。而如前所述，純電動(dòng)汽車“慢速充電”需要7～8h，“快充”也要30min，充一次電也只能連續(xù)行駛150～200km。通過(guò)這種對(duì)比，還使人們看出一個(gè)重要問(wèn)題，就是在推廣普及純電動(dòng)和氫燃料電池汽車時(shí)都需要建立基礎(chǔ)設(shè)施的情況下，氫燃料加注站的設(shè)置密度要比純電動(dòng)汽車充電站的設(shè)置密度低很多，這將會(huì)帶來(lái)一系列的節(jié)約，產(chǎn)生積極的社會(huì)效應(yīng)。

②電池安全性高，對(duì)環(huán)境友好。氫燃料電池由極板夾著很薄的電解膜構(gòu)成。在電解膜一側(cè)的陽(yáng)極上，氫被諸如鉑一類的催化劑分解為電子與質(zhì)子。質(zhì)子可以穿過(guò)電解膜，與空氣中的氧生成水蒸氣排出，而電子則統(tǒng)統(tǒng)被電解膜攔下，集中起來(lái)生成電流。這一過(guò)程是在物質(zhì)的原子水平上發(fā)生的，從理論上講，基本沒(méi)有熱輻射，就是在實(shí)際的應(yīng)用工作過(guò)程中，電池的溫度最高也不會(huì)超過(guò)100℃，如果再采取一些冷卻措施，則溫度會(huì)更低。由于燃料電池失能甚微，即使隔膜裂了也不會(huì)發(fā)生爆炸。加之電池組件是由固態(tài)材料構(gòu)成，從根本上避免了類似于純電動(dòng)汽車因電池?zé)崾Э睾腿芤海▌┬孤┑榷鴮?dǎo)致的安全隱患，可獲得更高的安全性。要說(shuō)氫燃料電池汽車在安全方面還有什么薄弱環(huán)節(jié)的話，儲(chǔ)氫裝置（或容器）可算得上是一個(gè)需要認(rèn)真對(duì)待的問(wèn)題（下面將涉及），但已經(jīng)有比較成熟的技術(shù)可以應(yīng)用。因此氫燃料電池汽車的安全性基本上與傳統(tǒng)汽車相當(dāng)，并無(wú)特別之隱憂。關(guān)于氫燃料電池在全壽命周期內(nèi)對(duì)環(huán)境的影響，就整體而言，其構(gòu)成材料基本上沒(méi)有毒性，在制備、使用和回收處理環(huán)節(jié)，不存在對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題。當(dāng)然，這主要還是理論認(rèn)識(shí)。在世界范圍內(nèi)，氫燃料電池汽車尚處在少量示范運(yùn)用的階段，積累的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)尚少，若大量使用時(shí)，燃料電池究竟對(duì)環(huán)境是否會(huì)產(chǎn)生明顯的負(fù)面影響，還要由實(shí)踐來(lái)回答。

2 氫燃料電池汽車的發(fā)展難點(diǎn)

盡管氫燃料電池汽車具有如上所述的諸多優(yōu)點(diǎn)，但它畢竟是一個(gè)完全創(chuàng)新型、革命性的技術(shù)產(chǎn)品，不可避免的會(huì)有一些不完善和需要改進(jìn)的地方。

（1）燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)性能需大幅提高

早期階段，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)性能欠佳，需要極大改進(jìn)才能滿足實(shí)際使用要求，主要涉及以下幾個(gè)問(wèn)題。

一是燃料電池的功率密度較低，整個(gè)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的功率受到局限；由于其動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，在汽車均速行駛時(shí)問(wèn)題尚不突出，而路況改變時(shí)，如在加速或爬坡需要更大功率的情況下，就顯得很困難，影響到汽車的正常使用。

二是燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的耐久性較差，使用壽命較短。在前期階段，國(guó)際上燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命普遍不超過(guò)3000h（美國(guó)能源部制定的、可滿足正常使用要求的2020年目標(biāo)為5000h），與實(shí)際應(yīng)用的要求還有不小差距；燃料電池汽車行駛4萬(wàn)～5萬(wàn)km后，功率即下降約40%，與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)普遍可保證汽車行駛50萬(wàn)km以上相比，還遜色得多。

三是燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性較差，尤其是低溫情況下起動(dòng)比較困難（純電動(dòng)汽車也有這種弱點(diǎn)），不能很好滿足天氣寒冷時(shí)的汽車正常使用要求。

（2）系統(tǒng)可靠性要求高

為使燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)具有足夠大的輸出功率，需要把成百上千（乃至更多）個(gè)單體燃料電池集成于一體，構(gòu)成燃料電池堆，不僅要求每個(gè)部件都具有一致的質(zhì)量，而且串聯(lián)作業(yè)時(shí)也不允許有任何的差錯(cuò)。如果單體電池間由于水、熱、壓力、燃料供應(yīng)以及膜的情況不同而出現(xiàn)性能上的差異，那么電池堆內(nèi)部就會(huì)出現(xiàn)不平衡性，從而影響電池發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作。例如燃料電池的核心部件膜電極制備，其可靠性要求就很高，需要高度關(guān)注單片膜電極制備的均一性和膜電極批量生產(chǎn)的一致性等。

除此之外，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，由許多不同的部件或單元組成，它們之間也要有完美的匹配。總之，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)技術(shù)含量高，創(chuàng)新潛力大，系統(tǒng)可靠性要求也很嚴(yán)苛。

（3）氫燃料電池汽車制造成本高

在氫燃料電池汽車的前期發(fā)展階段，根據(jù)不同的科技文獻(xiàn)資料的粗略估計(jì)，氫燃料電池汽車的成本是傳統(tǒng)汽車的數(shù)倍乃至10倍。尤其是質(zhì)子交換膜燃料電池，要使用價(jià)格昂貴的鉑金屬催化劑，不僅導(dǎo)致電池成本高升，而且還要受到鉑金屬礦產(chǎn)資源有限的約束，因?yàn)槭澜缟香K礦儲(chǔ)量不多。

（4）氫燃料供應(yīng)是大難題

氫燃料電池汽車的燃料供應(yīng)等基礎(chǔ)設(shè)施，與傳統(tǒng)汽車的完全不同，需要從頭建起。這是一個(gè)龐大復(fù)雜的系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)，將經(jīng)歷一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)期才能逐步建立形成。并且，在氫燃料供應(yīng)的各個(gè)環(huán)節(jié)上，都要進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新和一定的投資。其中，以下問(wèn)題需要重點(diǎn)解決。

首先是氫的制取。比較理想的、符合可持續(xù)發(fā)展要求的制氫途徑：一是本著“廢物利用”和“循環(huán)經(jīng)濟(jì)”的原則，通過(guò)工業(yè)（比如化工、鋼鐵行業(yè)等）副產(chǎn)品和煤層氣（俗稱瓦斯）等制氫；二是通過(guò)清潔可再生能源電解水制氫；三是通過(guò)陽(yáng)光直接分解水制氫。經(jīng)由這三種途徑而經(jīng)濟(jì)地大批量制氫，需要進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新才能突破各種障礙。

其次，需要通過(guò)技術(shù)進(jìn)步而獲得安全可靠的管道輸送氫和車載儲(chǔ)氫的技術(shù)解決方案。就車載高壓儲(chǔ)氫而言，為使儲(chǔ)罐能存儲(chǔ)更多氫以保證汽車一定的續(xù)駛里程，就得提高儲(chǔ)罐的壓力，由此，就要確保儲(chǔ)罐的高壓安全性和密封性。若車載容器內(nèi)是液態(tài)氫，則需要有足夠低的局部環(huán)境溫度等，同樣涉及一系列的安全問(wèn)題。

再次，從理論上分析，雖然加氫站的設(shè)置密度沒(méi)有純電動(dòng)汽車充電站那么高，但建設(shè)起來(lái)卻比后者要復(fù)雜，牽涉面也更廣些。