氢燃料电池车究竟如何？造价成本大揭秘

https://www.pcauto.com.cn/hj/article/468029.html

我们正处在能源变革的时代。在过去一百多年里，人类尽情燃烧了几十亿吨汽油，然而捉襟见肘的石油储量将我们从大排量发动机美梦中唤醒，不得不着手寻找新的驱动方式来保证持续发展。从油电混合，到纯电，再到氢燃料电池，通往不同未来的分岔口展现在面前，我们该如何选择？我想最终的答案是“氢”这一条光明但充满坎坷的路。

氢燃料电池虽然被称为电池，但是它并不储存电能，而是一种发电装置。其根本原理是利用了氢气和氧气反应生成水这一化学机制，将化学能转化为电能，为汽车提供动力。跟燃油车要加汽油一样，氢燃料电池车需要在加氢站补充氢气作为燃料，并将氢气储存在储氢罐中。储氢罐就相当于燃油车的油箱，而氢燃料电池就相当于发动机，从储氢罐中获取氢气，跟吸入的氧气反应，产生电能，并将电能存储在动力电池中。在汽车工作时电动机从动力电池中获取电能，驱动汽车。

单个氢燃料电池主要由用来规定粒子运动方向，形成电流的膜，用来引导气体进入反应区域的两块扩散层和两个用来导电的双极板组成。在膜的两个外表面还分别涂了一层催化剂，用来加快反应速率，提高电能产生的效率。在车中许多这样的单个电池被组装起来形成电池堆来使用。

氢能源车优势明显。氢是理论上最清洁的能源，反应后产物只有纯净水，不会对环境造成任何污染，达到零排放，且可循环利用！氢燃料电池效率高，普通的油车发动机效率在36%—40%左右，然而氢燃料电池可以达到60%以上！（因为其直接将化学能转化为电能，不经过热机等中间环节）。氢燃料电池很安静，研究表明，氢燃料电池车的噪音和普通燃油发动机相比很小，小到加速时会被胎噪和风噪掩盖。氢燃料电池车补充燃料快，加氢五分钟，续航数百公里，远比电动车充电时间短。氢燃料电池车续航强，普通电动车续航在400—500km，氢燃料电池车可以轻松达到600km以上。

现在阻碍氢能源车发展的大山主要有两座：一是氢基础设施的建设，二是车本身的生产成本。

为了实现氢能源车的普及化，大量的加氢站是必不可少的。加氢站建造成本高，其花费是建造一个特斯拉超级充电站的数倍，且我国氢设施尚处在向产业化、商业化转变的过程中，企业投入不大，做不到大规模生产，使得成本得不到控制。同时，氢气具有易燃、易爆属性，对运输提出了高要求，使得存储氢气的成本也不低。

在产品生产方面，高成本主要源自燃料电池和低产量。对于燃料电池而言，用来加快反应速率的催化剂是最费钱的，原因是其含有一种贵金属：铂金。现阶段氢能源车产量大约为每年1000辆，这一产量下电池成本大约为每千瓦180美元，因此制造一个100kw电堆成本约12万6千人民币。再加上储氢罐、动力电池等成本，一套氢能源车的动力总成价格逼近20万！这也是为什么像丰田Mirai，现代NEXO等氢能源车售价高达40万人民币左右，几乎是同品牌混动车型的两倍。若能将产量提升50倍，则成本可以缩减至每千瓦45美元。虽然随着生产规模发展，制造成本会有所下降，但是由于铂金是稀有资源，铂金的成本不会减低。一辆功率为100kw的氢能源车现阶段需要30多克铂金，折合人民币6000-8000元。

虽然前途艰险，困难重重，但是氢燃料电池车仍有光明未来。

1. 氢能源化是大势所趋

全球氢能委员会指出：“氢能源将在2050年之前，在全球能源消耗量中占比约18%，全年的二氧化碳排放量能较现在减少约60亿吨。”目前，世界各国正致力于氢能源的发展，日本、韩国更具野心，希望借此机会彻底改变能源结构，打造氢能社会。而中国作为石油进口大国，长距离的运输和国际局势使能源安全如履薄冰。风能、太阳能等新能源受环境影响大，我们急需寻找一种新的不受限制的能源保证供给，氢能源便是最好的选择。

2. 政策上已有完整蓝图

我国政府规划今年可以完成氢燃料电池车千辆计划，并计划于2025年氢燃料电池车保有量达5万辆，于2030年达百万辆。在未来的5-10年内，氢燃料电池车就会大范围推广。同时，氢基础设施正在大力建设中，截至2019年底，我国已有加氢站46座，在建38座。预计2030年底，我国将建成1500座加氢站。

我国将采用“先商后乘”的推广模式，即率先推广商业运输领域的大型氢能源车，逐步推进到个人乘用车。大型运输车由于污染物排放量大，氢能化需求迫切，且因为车身容量大，对于电池技术要求较低，产业化更加容易。目前我国已有几十辆氢燃料客车投入运营，其电池寿命可以达到15000h以上，而普通氢燃料乘用车的电池寿命大概仅在5000h。

3. 氢燃料电池车性能已经达到燃油车水平

国际车用燃料电池已经进入了产业化的初步阶段。丰田、本田、尼桑、通用、奔驰、现代等都推出了自己的氢燃料电池车，平均电池功率超过了90kw，续航能力也越来越强。

4. 技术突破使得成本可控

我国正大力扶持氢能源科技企业，上汽、一汽、宇通、东风等都在积极研发氢能源项目。在成本控制方面，已有理论验证现有燃料电池和催化剂还远远没有达到性能的极限！预计在10年左右，电池催化剂的铂金用量可以降低到现在的1/5，电池成本可以降低到每千瓦30美元，100kw电堆成本大约2万人民币，接近现在燃油发动机的水平。丰田汽车欧洲销售和营销主管马特·哈里森也曾表示：“到(MIRAI)第三代，我们预计燃料电池的成本将与混合动力车相当。我们相信燃料电池汽车有巨大的潜力。”同时，电解水制氢等技术的产业化也在快速推进，将来能够实现在加氢站直接制氢，减去运输成本。

氢能源是人类未来的最佳选择，环保、安静、高效、长续航等优点使其不容被忽视。国家的大力扶持和世界的发展趋势给氢燃料电池车铺好了前进道路，而技术突破带来的成本控制可行性更是如在黑暗中点了明灯，坚定了我们的信心。我们必将走上氢道路，乘上氢能源车，驶向人类的氢未来。

衣宝廉：2023-2025年，氢燃料电池成本有望降至与锂电一样

http://www.caam.org.cn/chn/38/cate_430/con_5226029.html

8月31日下午，在2019中国汽车产业发展（泰达）国际论坛上，中国工程院院士衣宝廉就“提高车用燃料电池可靠性与耐久性”作了主题演讲。

    衣宝廉院士表示，不管是从续航里程、加氢的时间，还是从驾驶人员的感受以及舒适性来看，燃料电池车的性能都达到了燃油车的水平，但发动机的成本和运行费用还比较高，使得燃料电池不能完全代替燃油车。

    以下为演讲实录（略有删减）

    尊敬的杨院士、李院士、高书记以及各位嘉宾，下午好！我讲的题目是提高车用燃料电池的可靠性和耐久性。

    我分两部分进行演讲，第一部分简单介绍一下国内外燃料电池车的现状，下一部分是怎么提高燃料电池的可靠性和耐久性。

    燃料电池发电的原理是电化学，因此效率比较高，燃料电池的工作方式是内燃机的，跟锂电池比它的能量不是储存在电池里，所以尽管燃料电池的膜也有破的时候，但是破了电压下降，我们把氢气关掉，不会产生燃烧和爆炸，所以燃料电池是比较安全的，能量和转化发电是分开的。

    把燃料电池装到车上，现在一般都是混合动力的、电电混合的、直驱的方式，不是充电式。

    跟燃油车相比，用氢瓶代替了油箱，燃料电池发动机代替了内燃机，得到的好处就是排放没有污染物了，就是排放水，代价现在就是运行费用高、发动机成本高，两个贵。

    燃料电池车的性能现在从续驶里程、加氢的时间，从驾驶人员的感受以及舒适性、适应性都达到了燃油车的水平。

    因此如果不存在两高，燃料电池完全可以代替燃油车，但是它有两个最大的拦路虎，一个是发动机的成本比较高，一台燃料电池车的售价是燃油车的一倍，比如说大巴车，柴油车卖一百多万，燃料电池车卖到二百万，小轿车也是这种状况。

    再有运行费用比较贵，运行费用现在是用市电电解水，制氢。 

    燃油车一百公里大概消耗七八升油，也就是40多块钱，一公斤氢七八十，运行费用比较高，费用最低的锂电池车，跑一百公里平均15度电左右，一度电一块钱，才15块钱。

    所以燃料电池车要想大规模应用，还要把两高消灭掉，一公斤氢卖40块钱左右，燃料电池车成本与锂离子车相近，我想燃料电池车是可以普及的，这个时间我预计还要三年到五年左右。

    现在燃料电池发动机从体积来看，已经可以跟内燃机相比，去年在海口开会，本田说已经达到了六缸内燃机的水平，乘用车都超过了5000小时，大巴车达到了20000多小时，寿命还是可以的，但不是每一辆都能达到这种水平。

    从造价来看还是比较贵的，这里有一个不仅仅是价钱，还有资源的限制，就是铂的用量问题。

    现在一千瓦国际上用铂是0.2克，国内降到了0.3克左右，要想成百万辆的生产需要降到0.1克以下，现在实验室已经达到了这个要求，所以铂用量不是一个核心因素了，原来我们看得很重，但是由于比功率的提高和催化剂活性的提高，铂的问题现在看来有希望了。

    国内从2001年成立电动汽车国家专项以来到现在就做这方面的研究，已有20年的时间了。

 
 
我们从2005年以后，整车开始跑了，2007年参加了上海大赛，2008年奥运会有23辆燃料车参与运行，2007年有16辆轿车到美国加州进行了实验，2010年有一辆大巴到新加坡参加了世青赛，196辆燃料电池车参加了上海世博会的示范运行，所以国际上看中国示范的燃料电池车还是比较多的，积累了丰富经验。

    但是在世博会以前的示范着眼点不是经济，不是做一台车花多少钱，运行一百公里花多少钱，而是着眼燃料电池车能不能适用，着眼的是技术问题。

    那个时候的示范叫技术性的示范，现在也叫示范，产业化的初始阶段，但是这个示范是经济性的示范，我考察经济上可不可行。

    在奥运会示范以后上汽搞了一个创新征程，分南线和北线，它的目的就是考察三种电动车，锂电池车、燃料电池车和混合动力车对中国环境的适应性。

    所有的车都在西藏进行了预热，当时我最担心的燃料电池车在西藏能不能跑起来，实验结果还是能跑，速度上不去，因为西藏的氧浓度只有10%，所以三种车在我国的地理环境下不管是沿海还是内地，都能行。

    所以这个示范还是挺成功的。

    另一个大行动的是2018年2月11日成立了中国的氢产业联盟。我们国家的大国企，像能源集团、“三桶油”都在能源联盟里，所以它是发展氢能和燃料电池的中流砥柱，国企还是有雄厚的资金实力，所以联盟的成立现在又发表了白皮书。

    2018年“十三五”支持燃料电池的经费已经达到了8个多亿，最后批的一批还未计入，拿得最多的一个是北方团队，就是大连化物所，搞燃料电池基础研究，4900万，还有上汽的第一大股东的新源动力，拿了一亿两千五百多万，总计近1.8个亿。

    这个是燃料电池车的公告数，现在已经过时了，近期又批了好多。

    现在装车的电堆大部分还是卡补贴的，以30千瓦起步，上限是60千瓦。

    国际上装车的都是100千瓦左右，我们的功率相比来讲还是低的，特别是做乘用车，乘用车燃料电池的功率要是五六十千瓦，就得依靠锂离子电池，所以锂离子电池的不安全性带到了燃料电池车上。

    所以乘用车用的燃料电池应该在100千瓦数量级。到现在，要按车数算，大概有4000多辆车投放了市场，但是我得到的消息是有2000多辆车在运行。

    发动机成本占比，燃料电池堆大约是50%，现在实际装车燃料电池发动机的成本燃料电池堆已经达到了60%到70%，因为空气循环泵和氢瓶成本都大幅度下降了，原先在国内装车是1：1，现在电堆的成本已经上升到70%左右。

    国内到现在有23个省市相继发布了氢能和燃料电池的发展计划，所以国内很热。

    我认为基础最好的还是以上海为中心的长三角地区，他们有三大平台，示范的车辆也近千辆，所以发展基础是最雄厚的。

    其次是珠三角，广东省为核心的，还有就是北方以清华、亿华通支撑起来的，和宇通公司，以冬奥会为突破口的张家口地区，所以燃料电池三个示范比较好的地方，长三角、珠三角和张家口地区。

    现在的车国内公开出售的商用车是V80，V80是上汽大通做的，电堆是大连新源的，辽宁省新宾想买60辆，实际到货是40辆，在新宾县运行。

    乘用车方面，也是上汽装的荣威950，在黑龙江跑了，可以在零下20度储存和使用，用的是新源动力复合板的电堆，性能还不错，可以公开买到。

    亿华通收购了神力，能够组装三种功率的电堆，30千瓦的电堆和60千瓦的电堆，它这个电堆的双极板是石墨粉和树脂冲压出来的，所以这个双极板电导低一点，但是很实用，跟新源的复合板可以相比，实际丰田也是复合板。

    亿华通在电池系统方稳坐是第一把交椅。

    宇通车做得比较多，已经是第四代了，自己建了加氢站，亿华通和宇通的客车在张家口，大客车一共是74辆，利用亿华通的技术福田装了49辆，宇通提供了25辆，这74辆车在张家口跑的非常好。

    得出的结论，燃料电池车非常适合于寒冷地区的运行，因为锂离子电池车在冬天负30度的时候容量衰减比较大。

    如果开空调续驶里程又大幅度下降，燃料电池工作温度是靠自己的余热，所以冬天跟夏天没什么区别，夏天排热还困难，冬天可以用燃料电池的余热，因为它是80度给大客车取暖，空调还不耗电。

    所以说得出来一个结论，在张家口示范运行证明燃料电池车特别适合于寒冷环境下的运行，不但里程不缩短，能量利用效率由于空调不用开，还提高了。

    我上面讲的两种不管是上汽跟新源，还是亿华通和神力这都是国产技术。

    下边就是国鸿，膨胀石墨双基板，把膨胀石墨冲压成型，往里面灌树脂，这种电堆体积比功率在1.5-1.8，比较低，但是很可靠。

    所以国鸿生产的电堆在国内示范车当中的占有率达到了70%-80%，国内跑的好几千辆车有70%-80%的电堆出自国鸿。

    而且国鸿引进除了30千瓦、50千瓦，还有80千瓦、85千瓦，85千瓦装大巴车就更好了。

    同时他们在云浮利用这种电堆装了城市的轻轨下线示范运行了，所以说国内这两条路走的都不错。

    所以我们现在看来，国内电堆已经超过了5000小时，达到了一万多小时，跑车也跑出来了，但不是每一辆，不光国鸿的电堆还是新源的，还是神力的都跑过了5000小时和10000小时。

    我们也成长起来一些企业，但是我们的问题就是产业链还不全，大部分的关键材料与部件还是依赖进口。

    现在装车的电堆都是在每立升两千瓦左右，正在发展的以新源动力以及国内其他一些公司都做到了每立升三千瓦，但是这些电堆装车是装了，但是还没有跑过5000、10000，要把这个数据跑出来才能说达到了国外的水平，在这个过程当中还有很长的路要走。

    这是新源动力装的金属板电堆，这个电堆它是75千瓦，正常输出功率，峰值功率是85，已经达到了每立升3.4千瓦，正在装车跑。

    所以万部长在长春的科学年会上讲了，国内燃料电池在寿命、可靠性、使用性上基本达到了车辆使用要求，中国初步掌握了相关的核心技术，基本建立了具有自主知识产权的燃料电池汽车动力系统技术平台，未来要加强协同创新，加快推进氢能燃料电池产业的全面发展。

    我总结了几点。

    第一，我们积累了大量的示范经验，具备了进行大规模示范，考核经济性的基础。

    第二，我们应该尽快实现关键材料、电催化剂、质子交换膜、双极板等批量生产，为降低电堆成本和提高电堆一致性奠定基础。

    第三，提高电堆的比功率，降低电堆成本和铂用量。

    燃料电池车发展了二三十年，成本降下来主要是提升比功率，一开始国内国外每平方厘米是300毫安，后来升到了500-800毫安，第三阶段是800到1个安培，现在是1-1.5安培，将来的发展方向是2-3安培。

    如果能做到2.5-3安培每平方厘米，燃料电池的成本就能达到每千瓦一千块钱，铂用量就小于0.1克，别的都不用改，所以说提高电堆的比功率是降低电堆成本的最有效的办法。

    第四，我们要进一步提高电堆的可靠性和耐久性。

    为什么要这样做呢？因为现在燃料电池堆里用的材料把氢气和氧气送进去要稳定的开，在车用工况下很快垮了。

    我们要给燃料电池堆制造一个非常温馨的，适合它生存的环境，来确保燃料电池的寿命。

    下边我就讲这部分。

    第一就是工况，车开起来一会儿加速、一会儿减速，一会儿停车，导致燃料电池堆电流电压大幅度波动，湿度、压力都是波动的，所以这些波动就导致催化剂腐蚀，化学损伤，头三辆大巴车都不到一个月全部都死掉了。

    那么解决的措施，第一件事情就是电电混合，司机把油门踩下去，这个电大概毫秒级到微秒级就变化了，可是燃料电池把电发出来，空气氧气要送进去，这个时间是秒级的，所以燃料电池就跟不上，它就欠气，要反极和腐蚀。

    一开始做纯燃料电池车，国外怎么做呢？

    要延迟几秒，即要做预供气，司机踩油门先把气量增加，包括开始买的外国的纯的燃料电池车都有预供气，也就是说踩下去都有延迟，根据速度不一样，延迟时间不一样。

 
 
采用了电电混合以后，驾驶性能达到了燃油车的要求，踩下以后锂离子电池先给驱动电机供电，燃料电池增加气体，同时增加功率输出，燃料电池功率输出增加锂离子电池往下降，最后都是燃料电池，锂离子电池电量少的时候给锂离子充电，所以说这个电电混合是必须的，被全世界采用。

    这个就是我们国家以万钢为代表的搞车的同志提出来的，不是可有可无的事，纯燃料电池车就是要回到预供气那个阶段，它的操作方式跟燃油车不一样。

    司机的感受不一样，马上是加速不了的，这就是说燃料电池它的功率增加是有一定的限制，得把气供上，所以电电混合以后就解决了这个问题。

    二是电池使燃料电池运用更平稳、寿命更长。

    像丰田为了安全不用锂电池，也有用超电容的，这就是解决了快速加载的问题。

    第二个是开路、怠速、低载都会产生高电压。

    在0.85以上，碳粉的氧化速度也加快，这都会产生铂的流失，铂的流失以后用铂越来越少，所以寿命就会缩短，要控制燃料电池的电压在0.85伏以下，就要限制这些高电位，特别是启动停车。

    启动停车会造成铂大量的流失，启动停车最有效的办法是采用放电，把高电位消除。

    高电位不消除，启动停车一次每节电池系统衰减0.35豪伏。消除以后基本上就平稳了，像丰田的电堆，一个电堆370节，一次启停就要下降十几豪伏。

    再有一个，低温，水结冰体积会增加，所以一定要解决低温储存和启动问题。

    电池里边有三种水，一个跟磺酸结合的束缚水，一个是自由活动的自由水，还有是介于之间的半束缚水。

    半束缚水束缚力越强结冰温度越低，所以在低温下要将燃料电池内自由水全部吹光，这样的话结冰以后才不会破坏膜和电极的结构，启动的时候可以用二次电池辅助加热电堆，在制定一定提升电流程序等就可以启动起来了。

    丰田为了更好的解决这个问题，它可以现场测量水含量。现在国内清华大学和化物所都能做到这一点了。

    最后一个就是阳极水管理，燃料电池的水是在氧电极生成的。所以不能叫氢电极表面有水滴，要搞阳极的氢循环，氢循环搞起来阳极就没有水滴了，这件事情可以延长燃料电池的寿命2000小时以上。

    在中国还有一个特点就是硫化氢和二氧化硫，二氧化硫对燃料电池是一个累计性的毒物，二氧化硫多了以后性能比较下降，我们买德国的三辆大巴，在北京开两三个月不行了，后来说是因为北京市冬天大气中的二氧化硫的影响。

    所以二氧化硫中毒可以用高电位方法扫描清除，但是性能不会恢复到原有的。

    我们所搞了电化学氧化，我们用电化学的办法把二氧化硫氧化为三氧化硫，氧化就是要做一个电化学反应器，电量消耗很少，空气当中的二氧化硫是PPM极。

    作为燃料电池除了解决上述问题，我们还要借助锂电池车的经验解决电安全问题，还要解决氢安全问题。

    要建立燃料电池健康状态的指示。

    这个车是黄灯还是红灯，红灯得停了，红灯是检修了，绿灯是正常的，另外在突发事故的时候，怎么把燃料电池的电堆电压从200多伏怎么降到安全电压60伏以下，这些工作我们都在做，都有了一些结果。

    所以我建议尽快完善燃料电池发动机的产业链，提高电堆的工作电流密度，提高燃料电池的体积和重量比功率，为乘用车奠定基础。

    另外深入研发电堆衰减机理，开发抗腐蚀新材料、大幅度提高发动机的可靠性与耐久性，希望我们在2023-2025年把燃料电池车的成本降到跟锂离子电池车比较近的水平。