“大镜头”看氢燃料汽车

　　近期在日本东京举办的国际燃料电池及二次电池展已经顺利降下帷幕。从本次展会的参展商来看，以日本公司居多,除了有氢燃料样车展示，还可以让观众试乘体验。作为亲临现场者，笔者就业内共同关心的氢燃料电池汽车的动向, 结合多方面的资料，提出些看法。

　　1.各国燃料汽车开发比较

　　日本

　　氢燃料电池车在日本国内属于重点鼓励扶植发展的未来行业。从政府到企业，一开始都投入了巨大的人力物力进行研发。在2002年至2010年间，日本经济产业省(METI)已组织三大汽车制造商、三菱化工、岩谷产业等大型企业，对燃料电池车的可行性进行了全面的研究，制定发展战略，并定下具体目标。

　　研究内容包括氢气的制备、运输、填充，燃料电池车的性能、量产可能性，安全性及氢能源效率论证。2009年7月，由JX集团牵头，由日本三大汽车制造商、大洋日酸、岩谷产业等大型企业组成的HySUT(氢气供给-利用技术研究组)正式成立，为在2020日本全面进入氢气社会展开合作。

　　HySUT作为本次展会的核心，重点展示了丰田、本田及日产的氢燃料汽车及加氢站，并提供了试乘体验环节。

　　美国

　　从2013年起，美国开始重视氢燃料电池技术。美国能源部先后成立有2个组织：一是氢燃料基础设施的研究和技术展(H2FIRST);另一个是H2USA，联合燃料电池产业，专注燃料电池产业发展。目前只有美国加州为氢燃料电池和加氢站营运提供补贴，提出到2025年有150万辆零排放汽车上路。

　　韩国

　　作为能源短缺和重视环保的国家，韩国政府也积极支持新技术的开发。在氢燃料汽车方面，目前韩国现代汽车公司已经在美国推出氢燃料汽车，采用交流感应电机，输出功率100千瓦，输出功率密度1.65KW/L，搭载2个压力为70MPa储氢罐。另外，韩国还已经启动了氢燃料电站的建设工作。

　　其他国家

　　2014年9月，德国通过了电动交通法案,明确了燃料电池汽车的定义。在2014年车展上，德国大众公司推出了三款燃料电池汽车，采用自己研发的第四代100千瓦低温质子交换膜燃料电池堆技术，显示了相当的技术实力。

　　2014年1月，挪威政府启动了为机场交通提供氢能源的计划。

　　2 解剖Mirai

　　本次展会的焦点莫过于丰田前不久推出的Mirai氢燃料汽车。其搭载交流同步电机,拥有482功力的续航里程，从静止到100KM/H， 约需10秒。据现场工作人员介绍，Mirai的燃料电池堆栈位于汽车驾驶舱底,最大输出功率100KW。系统功率密度为3KW/L，电池为镍氢电池，高压储氢罐及镍氢动力电池组放置在车身后桥部分。

　　Mirai的两个储氢罐体积分别为60和64.4升，内部压强高达70MPa，储氢量为5kg，加注满氢燃料仅需3分钟,可供汽车行驶640km。为提高安全性，储氢罐采用三层构造制成:内层为塑料内胆，中间保护层采用碳纤维强化塑料，外部减震保护层采用玻璃纤维强化塑料。并且其纤维纹路都根据所处的位置做了额外的优化，使纤维顺着压力分布的方向，进一步提高了安全性。该车在2014年12月15日在日本已经上市，预计2015年开始投放欧美市场。

　　Mirai的运行方式与日本丰田公司推出的油电混合的Prius相似，当整车负载低时可利用镍氢动力电池组单独供电给车辆前进，同时燃料电池会为电池组充电;汽车负载高时燃料电池则直接向电动机输电;当车辆减速时行驶时，电动机可将动能以电能的形式回收，并输送到镍氢电池组中储存起来。

　　从能耗的角度来说，目前氢气价格为1000日元/kg，即能耗为7.8日元/km。而普通汽车油耗为13.5日元/km，混合动力为6.7日元/km(计算依据：日本国内油价135円/升，混和动力汽车油耗：20km/升，普通汽车油耗：10km/升)。若氢气实现量产之后价格继续下降，对于消费者还是很有吸引力的。

　　从笔者试乘体验来看，这辆已经悬挂正常车辆牌照的车，外形时尚，内部设置及驾驶性能上与普通汽车几乎毫无差别，且运行过程中非常安静，噪音很小，无气味，唯一的缺点是由于后座位于体积庞大的储氢罐上方，导致后座高度升高不少，个头高的人坐着容易碰到车顶。相信随着储氢装置制造技术的提升，这个缺点会很快被消除。

　　此外，由于日本地震灾害较多，Mirai还可以作为应急供电电源使用，其供电能力与其他电动车相比要强4-5倍。一辆载有5kg的氢气的Mirai汽车可提供60kWh的能量，让普通家庭日常使用一周以上。

　　值得一提的是，在2014年12月，本田公司也发布了氢燃料汽车，简称FCV。本田公司主要积极推广和采用本田独有的高压水电解系统的一站式智能氢气站。

　　3.日本车用氢气的来源及技术分析

　　本田(电解水法)

　　本田在本次展会上除了展示了新型燃料电池汽车FCV CONCPET以外，还推出了小型的制氢-加氢一体化装置。该系统目前仍处于试验阶段，其原理为：利用太阳能、风能、生物质能等再生能源转化而来的电能用于电解水。电解生成的氢气将直接储存到35MPa的储氢罐中。笔者了解到，该装置一天可制备1.5kg的氢气，存储量为18kg，占地面积仅为7.8平方米，非常适合家庭使用。设备组装在工厂内完成，安装时只需平整地面，通水通电后即可使用。

　　三菱化工(LNG/LPG分解法)

　　LNG主要成分为甲烷，除了从海外进口天然气以外，日本还可以利用下水道污泥产生甲烷。甲烷与水反应后可生成氢气，副产物二氧化碳可用吸附法除去。提纯后的氢气通压缩后，可输送至自带的加氢站中，或用运氢车输送至其他加氢站。

　　三菱气体化学(甲醇分解法)

　　甲醇与水蒸气在反应器中混合后，会在催化剂的作用下发生以下反应 CH3OH+H2O → H2O+3H2 。

　　该反应为吸热反应，需要由外界提供热量。未反应的甲醇及水蒸气通过冷却回收，副产物通过PSA法除去。

　　以上3种是目前主要的氢气制备方法。不论是天然气、甲醇，还是电解水，都需要其他能源做基础来实现。

　　4. 日本氢气主要运输方式

　　在本次燃料电池展上，大阳日酸及岩谷产业分别展示了最新的运氢车以及处于设计阶段的运氢船。运氢车存储压力为37MPa，可以为加氢站补充氢气，或直接为15台以上的氢动力汽车加氢。

　　5. 日本燃料汽车成本状况

　　目前Mirai的整车价格为723万日元，购车者可享受日本政府最高达两百万日元的补贴及购车税优惠，实际最低价格为500万日元。该价格与丰田Prius 350万日元的最高售价相差较大，目前市场投放价格在人民币38万元左右，而差价主要来自氢燃料电池中使用的铂催化剂。

　　研究人员在为如何减少铂的用量或者用其他物质取代铂方面，已取得不少突破。在本次展会中，昭和电工展示了一种以金属钛的氧化物为基础的无铂催化剂，价格与之前相比再次下降不少。相信在不久的将来，随着催化剂研究的深入，成本还会进一步下降。

　　基础设施建设与燃料汽车普及是个“先有鸡还是先有蛋”的问题。日本要进入氢气社会，广泛建立加氢站，需要使国民的生活习惯做出重大改变，这不是一朝一夕的事情，也是任何一家公司都不可能单独办到的事情。这需要利用政府的领导地位，以公共交通作为突破口，加强基础设施建设，辅以政策支持，让氢气一点点地走进国民的生活。最近日本丰田公司就宣布，将无偿提供自己拥有的5680项燃料电池已经申报和正在申报的专利技术，以促进燃料汽车行业的技术进步。

　　日本东京都政府也发布消息，将在2020年东京奥运会期间投资452亿日元(约3.85亿美元)，用于投资氢燃料电池汽车的补贴和建设加氢站的费用，确保奥运会时有6000辆氢燃料汽车使用。

　　根据日本国内做的经济测算，单个加氢站的建设成本，除去政府补贴后，为人民币1200-1500万元，具体成本构成如下(图表1):

　　目前日本从技术、资金、研发、营运及社会关注度等都基本确立了一条可行的路线图，加上政府的大力扶植，制造厂家成本的大幅度下降，可以预言，这个无任何污染排放的氢燃料汽车将在未来10年内占据日本市场的主要销量。纵观世界范围内，从政府推进力度、技术研发水平、设备制造水平、国家环保治理力度上看，恐怕未来10年在氢燃料汽车及其运用方面，只有日本、德国、美国能够引领潮流。从国内的能源结构来看，煤炭占的比重仍然相当大，仅从环保政策上要求去发展这种零排放的氢燃料汽车显然是不够的。

　　笔者建议，一是要有战略眼光，氢燃料技术不仅仅是汽车的运用，而是一项先进技术的总集成;二是政府层面应给予支持与鼓励;三是国内科研机构、企业协同合作，提高制造工艺;四是打破垄断既得利益，跨行业、跨地区联合推广氢燃料汽车。这一切乃是庞大的“系统工程”，说来容易做起来难。但若仍忽视氢燃料汽车的发展，中国或只会重复现在的燃油汽车发展的道路。