燃料電池因其使用過程高效無污染等優點被認爲是未來極具應用潛力的車用動力源。隨着純電動汽車發展過程中漸遇瓶頸和國家層面的屢次重視，氫燃料電池汽車又重新被行業和社會寄予厚望。那麼什麼是燃料電池？什麼又是燃料電池汽車？燃料電池又是否會真的成爲新能源車企的寵兒？本期文章將目光鎖定這一汽車行業新物種，帶您走進燃料電池汽車。

從燃料電池到燃料電池汽車

燃料電池

燃料電池是一種將燃料和氧化劑的化學能轉化爲電能的裝置。值得注意的是，與動力電池這種直接儲能方式不同，燃料電池本質上只是能量轉化裝置，從這點說，燃料電池則更加類似於傳統內燃機這種開放體系，只是最終能量輸出的形式有所不同（內燃機輸出機械能，燃料電池輸出電能）。

氫能源是公認的清潔能源，也是未來人類能源結構升級的重要方向，氫燃料電池也是目前業內廣泛討論的重點。氫燃料電池的基本原理是電解水的逆反應。氫氣和氧氣（空氣）在各自電極發生氧化/還原反應，最終產生電能和水。其中質子交換膜燃料電池（PEMFC）因其運行溫度低、效率高等優點，被認爲未來更有可能在車端實現廣泛應用。本文提及的燃料電池主要是指質子交換膜氫燃料電池。

燃料電池汽車

單片燃料電池正常運行狀態的下的電壓大約爲0.6~0.8V，實際應用時，爲了滿足一定的功率和電壓要求，通常由數百節單片串聯組成燃料電池電堆（Stack，個別翻譯也稱堆棧）。燃料電池無法單獨直接工作，還必須配套外部附件組成燃料電池系統，車用燃料電池系統也被習慣的稱作燃料電池發動機。燃料電池外部附件系統包括燃料（氫氣）供應子系統、氧化劑（空氣）供應子系統、水熱管理子系統和監控子系統，主要的系統零部件包括高壓氫氣瓶、空壓機、增溼器和氫氣循環泵。高壓氫氣瓶對於車用燃料電池的意義對應於傳統汽油車中的油箱。空壓機的功能是提供燃料電池工作所需的氧氣或者空氣。增溼器的目的是爲了讓反應氣體將燃料電池反應所需要的水帶入燃料電池內部，目前的質子交換膜只有在溼潤的狀態下才能夠有效傳導質子。未來燃料電池系統的趨勢是除去外部增溼器從而使系統得到簡化，取而代之的是採用氫氣循環泵將尾排氣中的部分水重新帶入燃料電池來滿足增溼需求。

燃料電池發動機再與純電驅動系統中通用的三電模塊——電池（目前燃料電池汽車仍主要採用燃料電池和動力電池的混聯構型）、電機、電控，進行整車系統集成，最終得到燃料電池汽車。

燃料電池汽車市場化挑戰

從潛力上來說，燃料電池汽車確實具備一些純電動汽車目前無法比擬的優勢，比如高能量密度帶來的高續駛里程，更短的能量（燃料）加註時間，更加環保的原材料等等。但相比於當前純電動市場的一枝獨秀，燃料電池汽車雖然起步並不算晚，但自其誕生以來一直磕磕絆絆，幾度站上風口，往往又是隻聞雷聲不見雨陣之勢，其市場化之艱難歸其原因主要是在技術、氫源等方面還存在巨大的挑戰。

技術

燃料電池汽車在技術上面遇到的挑戰來自兩方面：整車技術與製造技術。整車技術包括諸如電堆、氫瓶、DCDC等核心零部件和燃料電池汽車整車集成技術。電堆等核心零部件的產業化和商業化目前還受到性能、成本和壽命等問題的制約，整車集成技術也尚處在不斷升級的階段，即便是目前全球燃料電池汽車的絕對老大豐田，在之前推廣燃料電池汽車過程中也出現過因技術問題大面積召回的情況。另外一個方面就是整車製造的問題，從目前已經公開的資料來看，豐田、奔馳的燃料電池汽車的組裝過程基本以人工和半自動爲主，豐田的MIRAI生產速度是每天6.5輛，未來如何實現高效的大規模量產也是車企不得不面對的問題。技術和工藝的不成熟也直接體現在了燃料電池汽車高額的價格上，國內的燃料電池汽車一般都在百萬元以上，豐田的燃料電池汽車MIRAI日本售價摺合高達44萬人民幣，即便依靠政府補貼和各種優惠，最終消費者到手價也在30萬元人民幣左右。

加氫用氫

氫源問題是橫在燃料電池汽車市場化面前的又一座高山，也是燃料電池行業被反覆拷問最多的問題。不同於已經廣泛覆蓋的電能網絡，全球氫能網絡建設仍處於初期起步階段。據國外H2 Stations統計，截至2017年底，全球投入使用的加氫站共328座。其中日本91座位列第一；德國增長最快，2017年新增加氫站24座；中國國內目前投入使用加氫站僅13座。

另外氫氣的制運儲成本偏高導致零售端價格不親民也是目前燃料電池汽車試圖市場化需要面臨的問題。加州地區佈局的加氫站的氫氣零售價大概在16美元/千克，按照這個價格進行折算，在加州開豐田的MIRAI，單位里程的燃油成本是同級別內燃車的兩倍。當然短期市場推廣，氫氣貴的問題可以通過補貼等優惠補償方式解決，例如加州地區購買租賃燃料電池汽車，將另外附送一張價值15000美元的加氫卡，基本能夠覆蓋燃料電池汽車8萬公里以上的行駛里程。

競對路線

除了之前提到的技術問題和加氫用氫問題，目前燃料電池汽車市場化面臨的另外一個難題就是其他新能源汽車技術路線的突飛猛進帶來的生存空間問題。日新月異的動力電池技術正在不斷拓寬純電動汽車的應用範圍和場景。

2020年動力電池的能量密度有望突破300瓦時/千克，系統成本降到1元每千瓦時以下，純電動路線逐步從低速短里程乘用車拓展到高速長里程乘用車和重載商用車領域。目前純電動技術路線基本已經是乘用車企業電動化的主流選擇，就連長期熱衷燃料電池汽車研發的現代汽車公司，也在公開資料中表明，到2025年，乘用車在300-700公里之間，純電動和燃料電池成本相當，500公里以內燃料電池轎車沒有成本優勢。

未來的固態電池等更先進的動力電池技術還有望實現能與燃料電池技術相媲美的能量密度和充電時間，很有可能會進一步壓縮燃料電池的市場空間。

用氫不見氫，水氫劈新徑！

限制純電動汽車、氫燃料電池汽車等新能源汽車發展的一個重大因素是，其電能/原料供給的限制。純電動汽車存在充電時間長，充電樁設樁困難等問題，建設加氫站則需要氫氣加壓降壓及儲存等國際前沿技術的支撐，運營成本高，高壓儲氫罐也存在一定的安全憂患。

水氫技術以燃料電池的氫源爲突破口，利用現場移動制氫的方式避開了在使用儲氫罐及上游制氫和配套廠商等一系列環節，並取得了突破性的成果。水氫車動力系統的產業鏈條在一般燃料電池汽車產業鏈基礎上增加了車載制氫系統，形成了新的水氫發電系統。該方案解決了氫能應用的安全問題、成本問題及加氫基礎設施建設的鉅額投資問題。

水氫技術屬於新型的氫能與燃料電池高度集成應用技術，以甲醇水溶液爲原料，在實際的運輸、儲存、加註上可基本效仿汽、柴油的管理模式，爲燃料電池汽車推廣提供可行方案。