燃料电池电动汽车发展现状与前景
燃料电池是一种高效、清洁的电化学发电装置，近年来得到国内外高度重视，成为最被看好的可用于替代汽油和柴油等传统的ICE内燃机发动机技术的先进新能源汽车技术。日本希望其到 2020年的FCVs燃料电池汽车销量达到500万辆，再通过10年的研发推广实现全面普及FCVs燃料电池汽车。美国在2003年投入12亿美元大力推进氢技术和燃料电池技术，其中重要项目之一就是美国能源部（Department of Energy，DOE）在北加州、南加州、密歇根州东南部、大西洋区中部和佛罗里达州中部等5个区域开展的氢技术和基础实施验证与示范综合工程，吸引了Hyundai-Kia/Chevron、DaimlerChrysler/BP、Ford/BP和GM/Shell等多家汽车制造/能源供应商参与。
美国能源部大力推进氢经济和燃料电池技术，尤其是商业化推广应用方面取得显著进展，比如目前高容量和低容量燃料电池制造成本分别为55美元/kW和280美元/kW[6] ，汽车燃料电池2014年的制造成本自2006年下降50%并自2008年以来进一步下降30%以上（基于高容量电池制造），这必将带动创造工作岗位、投资机会和可持续、安全的能源供应。为了在2020年前争取把欧盟建立成一个具有全球领先水平的燃料电池（Fuel Cell，FC）系统和氢能源(Hydrogen Energy，HE)经济的巨大市场，欧盟高度重视燃料电池技术和氢能源技术并把之视作能源领域的战略高新技术大力推进。中国高度重视FC燃料电池和FCVs燃料电池电动汽车技术，作为国家 “863”重大科技项目予以重点研发，北京公交示范、北京奥运会和上海世博会示范运行了我国自主研发的燃料电池客车与轿车。目前通常认为，FCVs燃料电池电动汽车技术可显著减少GHG温室气体排放，成为新一代汽车的主要发展方向。
一、电动汽车发展趋势 现代电动汽车一般可分为3类：BEV纯电动汽车、HEV混合动力汽车、FCVs或FCEVs燃料电池电动汽车。近年来在常见的HEV混合动力汽车基础上，又派生出一种插电式混合动力电动汽车 (plug-in hybrid electric vehicle，PHEV)。
法国人Gustave Trouvé于1881年11月巴黎国际电气博览会上推出第1款BEV纯电动汽车，采用的是铅酸电池供电的的直流电动机驱动的三轮电动汽车，较低的行驶速度（15km/h）和较短的续驶里程(16km)的早期EV电动汽车难以激发潜在的用户。在发展至今的100多年历史中，目前仅只有主要汽车制造商生产的几款BEV纯电动汽车。可是，几乎所有厂商均拟在近年发布新款BEV纯电动汽车。虽然早在20世纪90年代就有多款BEV纯电动汽车，但是由于高昂的售价和有限的续航里程等制约因素所致均未能量产商用。目前发布的BEV纯电动汽车款式主要有：美国通用汽车公司Chevrolet Volt、美国福特公司Focus Electric、日本三菱汽车公司Mitsubishi i-MiEV、日本尼桑公司的Nissan Leaf、德国戴姆勒集团的Smart Fortwo electric drive (or Smart ED) 、美国特斯拉公司的Tesla Roadster全球首款量产版电动敞篷跑车和中国比亚迪汽车BYD e6等。国内外代表性BEV纯电动汽车性能参数见表1。 *1美元=6.2065人民币汇率计算确定 BEV纯电动汽车具有减少GHG温室气体排放和降低燃油成本等优势而被用户接受，但其性价比一直远低于传统的ICE内燃机汽车。即使随着高性能锂离子电池的研发和性价比不断提升，预计未来5～10年内市场上可能会出现最高车速≥100km/h、续驶里程≥250km的高性能纯电动汽车，从现在开始的未来10年，BEV纯电动汽车占全美汽车销量仍将不到1%。
早期的混合动力电动汽车的制造是为了辅助那时功率偏小的ICE内燃机汽车，或是为了增进EV电动汽车的续驶里程，即使是这样仍难以与汽油发动机已获重大改进的ICE内燃机汽车相竞争。随着燃料油的消耗不可持续和节能减排任务日益迫切，HEV混合动力汽车成为各大汽车制造商研发的重点之一和目前制造销售最多的EV电动汽车。混合动力电动汽车是指至少采用2种不同类型的动力源的电动汽车，目前通常指综合运用ICE内燃机和电池电动机（有时还采用一个以上电池电动机）的电动汽车。日本丰田公司的“先驱者”（Prius）混合动力汽车和本田公司的Insight与Civic混合动力电动轿车是最具代表性的成果，前者早在1997年率先向日本、美国和欧洲等各国市场推出并获得较大成功。和传动汽车相比，HEV混合动力汽车在大大降低排放水平条件下，燃油效率可显著提高2～3倍。近年来派生出的常用PHEV可进一步减少燃油的使用并显著增加单纯依靠电池驱动的行驶时间，受到各国、汽车企业和研究机构的普遍关注。PHEV特别适合于工作日正常上、下班和行驶里程在50～90km之间的车主使用，随着技术进步和性价比不断提高，PHEV有望在未来10年内的北美、亚太和欧洲地区等全球主要电动汽车市场得到大面积推广使用。
FCVs燃料电池电动汽车是BEV纯电动汽车和HEV混合动力汽车多年研究和开发推广的结果，目前更多地还停留在概念车测试和集成汽车系统展示上。英国科学家格罗孚（William Robert Grove）早在1839年就提出了氢和氧反应发电的原理，常被称为燃料电池之父。直到50年后才由Charles Langer和Ludwig Mond创造了“燃料电池”术语，并利用空气和煤气力图设计制作了第一个实用的燃料电池。20世纪60年代，美国UTC公司研发出了液氢和液氧发电的燃料电池，首先用于航天和军事用途。根据燃料电池电解质的类型，燃料电池主要分为质子交换膜燃料电池、碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固态氧化物燃料电池和直接甲醇燃料电池等6种类型。近20年来，由于多次石油危机和大气污染日趋严重，降低汽车燃料油的消耗和减少污染物的排放成为日益迫切的艰巨要求，以质子交换模式为代表的燃料电池技术，受到世界各国普遍重视。图1为质子交换膜型燃料电池(proton-exchange-membrane fuel cells，PEMFC)工作原理示意图。FCVs燃料电池电动汽车具有安静、高效和零污染（或低污染）排放的特点，同时续驶里程完全可以和ICE内燃机汽车相媲美，从能源的利用和环境保护方面来看，燃料电池汽车是一种理想的车辆，具有结束ICE内燃机汽车百年统治地位的潜力。图1 质子交换膜型燃料电池的工作原理示意图
二、燃料电池电动汽车市场现状 许多大型汽车制造商都推出了FVCs燃料电池电动汽车，迄今为止，为了开展测试和展示目的大部分公司已经推出极少量FVCs燃料电池电动汽车。
通用汽车早在1966年推出了世界上第1款燃料电池电动汽车GMC Electrovan，为2人座厢式货车，测试输出功率为32kW，峰值输出功率为160kW，最高时速为113km/h，续航距离为193km，因成本高昂和当时氢基础设施匮乏未持续开发。本田早在1999年推出了世界上第1台商用的燃料电池电动汽车FCX-V4，并于2002年12月在日本和美国商用生产；随后于2007年11月推出新一代燃料电池车FCX Clarity (见图2a)，该车采用 “V Flow FC Stack” 燃料电池堆核心技术实现了超级的清洁性。本田早在 2008 年夏天本田将每辆价值上百万美元的少量 FCX Clarity 燃料电池车向美国加州、日本和欧洲市场低价租赁，随后推出了2009 款本田 FCX Clarity 燃料电池车，该车依然存在燃料电池电动汽车制造和使用成本高昂的问题。丰田汽车与美国SRNL萨凡纳河国家实验室以及NREL可再生能源国家实验室共同实施了燃料电池车“Highlander FCHV-adv”的公路实验，2009年在美国南加州一天的上路测试实验结果表明，其FCVs燃料电池电动汽车的平均续航距离达到 693km。2014年底，丰田首款燃料电池量产车“未来（Mirai）” (见图2b)在日本上市，为4人座轿车,长宽高分别为4 870mm、1 810mm、1 535mm，轴距为2 780mm。与传统汽车相比，“未来（Mirai）”更加节能环保。该车一次加注氢燃料仅需3min, 配备了2个70MPa的高压燃料堆，输出功率为100kW，零到百公里加速时间为10s左右，续航里程达到480km。据了解，该车售价日本国内为700万日元（约合人民币40万元或6.86万美元）。日本会对每辆汽车补贴202万日元。
丰田计划到上市满1年的2015年底前实现约400辆的销量目标。此外还计划销往美国和欧洲。在中国市场，其混合动力车型也开始进入发力阶段。按照计划，丰田将在今年国产两款卡罗拉和雷凌的混合动力车型。德国戴姆勒—奔驰公司早在2002年推出了Mercedes–Benz A-级车为原型的FVCs燃料电池电动汽车最高时速为132km/h；2005年以现有的Mercedes–Benz B-级为原型的FVCs燃料电池电动汽车奔驰B 级F—Cell (见图2c)，从2009年底开始少量生产，2010 年投入欧洲及美国市场。该车外观保留了奔驰 B级原形车的样子，是一款豪华的燃料电池电动运动休旅车。该车搭载氢燃料电池驱动系统，加满氢燃料的过程仅需 3min，续航能力达 400km，百公里耗能相当于 3.3L汽油。它的最大功率为 136 马力，最高时速为170km/h。福特公司早在2005年推出了Chevrolet Equinox(见图2d)并于2007年进行了升级，该车加满燃料的续航能力为320km，并于2007-2008年在美国纽约、华盛顿特区和洛杉矶投入115辆商用，3400名司机行驶里程达到80万km，随后推出的Focus FCV最高时速为128km/h，并在美国、德国和加拿大的多个城市交付使用。图2 燃料电池电动汽车
2010年，包括上汽、奇瑞等国内汽车企业共有196 辆燃料电池汽车在上海世博园区进行示范运行。本田和丰田近期分别在洛杉矶车展和东京车展上展示了2015年量产的燃料电池汽车概念车型，现代汽车预计在美国推出途胜(Tucson)燃料电池汽车。丰田和现代汽车2015年推出的商用燃料电池电功汽车参数明细见表2。与此同时，美国、德国、英国、日本和韩国不断通过努力试图实现自己的氢基础设施发展蓝图，如2013年10月，美国加州通过立法承诺到2024年将建设100座加氢站，美国能源部启动的H2USA项目吸引了众多汽车制造商和经销商等参与，以共同克服建立氢基础设施的障碍，促进FCVs燃料电池汽车的商用量产、商业推广和日常普及。 为了更好发展推广新能源汽车和扩大燃料电池车市场，丰田汽车在近日的美国消费电子展上宣布，该公司将开放5 600余项汽车氢燃料电池专利使用权，其中约1 970项涉及燃料电池堆技术，290项涉及高压氢罐技术，3 350项燃油系统软件技术专利以及70项氢气生成和供应技术。丰田在其官方声明中表示，制造和销售燃料电池车的制造商、燃料电池零部件供应商以及建设及运营加氢站的能源公司均可免费使用其燃料电池专利，使用期限将持续到2020年。丰田美国高级副总裁Bob Carter表示，“我们认为未来100年中燃料电池将会成为主流技术，让更多的(汽车制造商)和供应商发展这项技术，将会加快市场对这项技术的接受过程。”
三、燃料电池电动汽车发展前景 氢燃料电池具有可再生性，且单纯从汽油到氢燃料电池的转换就可将温室气体排放降低46.5%。氢燃料电池汽车的安全性持续提高，目前的加油站也可以很容易地转变为氢燃料电池加料站。电解的可再生性使得氢燃料电池相比于终将耗尽的天然气资源和充电成本较高的混合动力汽车而言具有可持续性，并可节约大量的非再生能源，将使氢燃料电池汽车成为未来的终极环保汽车。从长远的经济效益、环保等角度考虑，氢燃料电池将成为未来15年主要的代用燃料。图3是氢燃料电池未来15年预测销量，可以看到，如果现在投资建设，尤其对亚洲、非洲、北美等能源短缺的国家而言，未来氢燃料电池汽车的需求和销量将大幅增加。按国际能源署预测，2030年氢燃料电池汽车在世界汽车销量中的比重有望明显提升，占比约为2%～3%。在可以预见的2030-2050年,将总体保持PHEV插电式汽车、BEV纯电动汽车、FCVs氢燃料电池汽车发展顺序和市场大格局不变，但氢燃料电池汽车占比将进一步提高，占比达到15%左右。图3 氢燃料电池未来15年销量预测
氢燃料电池对国家经济有积极的影响。以美国为例，据南卡罗来纳州氢能源网站报道，美国氢能源市场有望在2020年提供超过100万个工作岗位以改进和制造新型氢燃料电池汽车。氢燃料电池也为股东们提供了投资机会以获得更多的效益，有助于国家经济的可持续发展。尽管制造氢燃料电池汽车的短期成本较高，但从长远来看，一旦批量生产，其价格将下降至今天燃油汽车的正常价格，而且可以节约使用者的费用。相比天然气能源汽车和混合动力汽车，氢燃料电池汽车因能源可再生性而具有更低的成本。因此，氢燃料电池汽车有望成为未来最经济和可持续发展的代用燃料汽车。图4预测了氢燃料电池过去和将来工程应用的经济性，可以看到，氢燃料电池的成本将逐渐降低，最终达到30美元/kW。
图4 氢燃料电池过去和将来工程应用的经济性
国际上燃料电池电动汽车的主要发展见图5。自从1839年发明燃料电池以来，其已被广泛用于航天器、潜艇、发电厂等领域[7]。在以Dr. Craig Marks为领导的团队经过2年的努力后，通用汽车公司（GM）在1966年生产出第1辆燃料电池汽车，其应用32个燃料电池模块可达到持续输出功率32～160kW，所用燃料为纯液氢和液氧。几乎在30年后，Daimler-Benz公司于1994年推出了应用压缩氢燃料的NECAR-1汽车，Ballard公司为其生产了50kW的PWM燃料电池，从而使其成为主要的PEM燃料电池生产商之一。2年后的1996年，Daimler-Benz公司又推出配有燃料电池系统的NECAR-2汽车，其质量仅为PEM燃料电池的1/3。1996—1999年，丰田汽车公司(Toyota)、 (GM)、马自达汽车有限公司(Mazda)、福特汽车公司(Ford)、本田技研工业股份有限公司(Honda)、 日产汽车公司(Nissan)、大众汽车公司(Volkswagen)等几大主要汽车制造商也提出了燃料电池汽车项目，计划在2003～2004年将其商业化，但最终都未实现。
2002年，Toyota首先在美国和日本启动了燃料电池混合动力汽车FCHV的世界有限租赁。低速时，FCHV单纯靠蓄电池提供能源，高速时，燃料电池和蓄电池共同提供能源。2003年，布什投入12亿美元以推动燃料电池技术的发展。美国能源部投资17亿美元实施Hyundai-Kia/Chevron, DaimlerChrysler/BP, Ford/BP, and GM/Shell四家公司参与的“Controlled Hydrogen Fleet and Infrastructure Validation and Demonstration Project”(控制氢舰队和基础设施验证和示范项目)，在2009年实现了250英里，燃料电池耐用2 000h的目标。2015年Toyota 和 Hyundai推出他们第一批商业化的燃料电池汽车。2013年，Ford、Nissan和Daimler签署协议联合开发燃料电池汽车并计划于2017年实现商业化。GM 和Honda合作也计划于2020年将燃料电池汽车投入市场。图5 燃料电池电动汽车发展主要大事年表
燃料电池电动汽车的商用量产普及还需要破解整车集成与轻量化，高性能燃料电池、制造与使用的低成本与安全性，氢的生成、储存和配置，甚至雾霾等严重的空气污染对电催化剂和燃料电池发电性能的影响等问题，燃料电池电动车进人市场仍然需要经历相当长的过程。值得指出的是，FC燃料电池是人类迄今为止发明的最清洁、安静又可无限再生的能源，尤其是在世界性能源危机出现和节能减排任务日益迫切的情况下，国内外普遍高度重视并持续推进实现燃料电池电动汽车的产业化，将为实现更加美好的人类生活作出贡献。
