純電動汽車與氫燃料電池汽車發展現狀及前景

孫田田　王林　郭巧巧　王鑫國

【摘 要】純電動汽車與氫燃料電池汽車是被市場看好的未來重要的新能源汽車。本文闡述了純電動汽車與氫燃料電池汽車的技術現狀及各自發展所面臨的問題，并對其發展前景進行了探討。如果電池容量及快充技術在高效清潔制氫技術之前獲得突破，那么電動汽車將成為未來主流新能源汽車，否則氫燃料電池汽車將超越電動汽車成為未來主流新能源汽車。

【關鍵詞】純電動汽車；氫燃料電池汽車；發展現狀；前景

【Abstract】Pure electric vehicles and hydrogen fuel cell vehicles are favored by the market as important new energy vehicles in the future. This paper expounds the pure electric vehicles and hydrogen fuel cell vehicles present situation and problems of the development of technology， and its development prospect are discussed in this paper. If the battery capacity and fast filling technology obtain breakthrough before efficient clean hydrogen production technology， electric vehicles will become mainstream in the future of new energy vehicles， otherwise hydrogen fuel cell vehicles will surpass electric vehicles and become the mainstream of new energy vehicles in the future.

【Key words】Pure electric vehicles； Hydrogen Fuel Cell Vehicles； Developing status； Prospect

人們對汽車的需求不斷增加帶動了汽車工業的高速發展，并促進了全球經濟的發展。同時，汽車產量和保有量的持續上升也引起了廣泛的能源問題和環境問題。新能源汽車具有無污染、低噪聲、能量利用率高的特點，是解決未來能源問題及城市化過程中的汽車問題的重要途徑[1]。

目前，基于全球新能源汽車基礎設施建設的不完善，各種混合動力汽車只是過渡產品。而純電動汽車與氫燃料電池汽車是被市場看好的未來重要的真正的新能源汽車。這兩種新能源汽車均使用非常規車用燃料作為動力來源，采用新型車載動力裝置，綜合了車輛的動力控制以及驅動方面的先進技術。純電動汽車是以車載電池為動力，用電機驅動車輪行駛。由于其對環境影響相對于傳統汽車較小，其前景被廣泛看好，是當前新能源汽車的主體。而氫燃料電池汽車使用聚合物交換膜燃料電池。在這一系統中，氫氣高壓下通過鉑催化劑，分解成兩個氫離子和兩個電子。這些電子形成強大的電力會驅動汽車的電動機運轉，而氫離子會和氧氣結合成水，以水的形式排出[2]。從最終的驅動上來看，純電動汽車和氫燃料電池汽車均使用了電能驅動的電動機。但是，兩者的使用性能有著很大的差別，各自的優缺點也很明顯。因此，本文從多個角度對純電動汽車與氫燃料電池汽車的發展現狀及前景進行了探討。

1 純電動汽車與氫燃料電池汽車的技術現狀

1.1 純電動汽車的發展歷程及技術現狀

純電動汽車比燃油汽車出現的更早。早在1873年，英國人就制造了世界上最早的可供實用的電動汽車，這比德國人發明汽油汽車早了10年以上。由于燃油汽車技術的迅速發展，而電動車在能源技術和行駛里程的研發上一直未能取得有效突破，從20世紀20年代至60年代末，電動車的發展進入了停滯期。進入70年代，石油危機的爆發以及人類對生存環境的日益關注，電動車才再度成為技術發展的熱點[1]。近十年來，能源和環境對各國的壓力越來越大，特別是新興發展中國家的城市汽車尾氣污染問題越來越嚴重。因此，世界各國政府和全球汽車工業行業正在加大對電動汽車開發的投資力度，加快電動汽車的商品化步伐。

對于電動汽車，電池是汽車的心臟，而電池質量和容量是電動汽車能否普及的核心技術問題。因此，車載電池技術的進步大小決定了電動汽車的發展水平。目前汽車廠商和電池廠商在不斷地提升電動汽車的電池質量和電容量。最具競爭力的電動汽車生產廠商特斯拉（TESLA），其生產的電動汽車的電池采用了松下生產的NCA系列鈷酸鋰電池，單顆電池容量為3100毫安時。TESLA采用了電池組的策略，85kWh的特斯拉MODEL S的電池組一共使用了8142個鈷酸鋰鋰電池，行駛里程可超過450公里，但其重量高達900Kg，接近車身重量的一半。鈷酸鋰電池優點突出，如結構穩定、容量比高、綜合性能好，但是其安全性稍差而且成本非常高。該電池組成本約為250美元/千瓦時，能夠提供233瓦·時/千克的能量密度。

我國作為世界上最大的汽車生產和消費大國，年生產和消費各類汽車超過兩千萬輛。最近幾年，在國家政策的支持下，電動汽車發展迅猛。在電動汽車領域，以比亞迪的電動汽車技術最有代表性，其銷量在2015年前十月已超過4萬臺，同比增長222%。在2015年5月至9月，比亞迪新能源汽車連續五個月全球銷量第一，超越三菱、日產以及特斯拉等國外品牌，市場份額達到11%。比亞迪電動汽車采用自主研發的磷酸鐵鋰電池，它的放電效率高，通常充放電效率可達到90%以上。如比亞迪E6，續航里程可達300公里。而比亞迪采用磷酸鐵鋰電池的根本原因在于它的安全性高于其它常用的車載電池，理論壽命也較長，可以達到7年以上，實際使用壽命大約為5年左右。目前比亞迪最新研究的磷酸鐵錳鋰電池突破了傳統的磷酸鐵鋰電池的能量密度限制，成本控制上比普通的磷酸鐵鋰更加優秀，而且已經應用在了新款比亞迪E6電動車上，續航能力得到了大幅度的提升，達到400公里。

除了電池的續航里程這個技術指標外，電池的充放電時間也是電動汽車行業最為關注的一個指標之一。通常汽油車加滿一箱汽車只需數分鐘，而電動汽車充電則需要數小時，甚至十幾個小時，效率相對較低，這是目前正在攻克的一個難關。但已經有最新的成果出現，即石墨烯電池，它可以在十幾分鐘至一個小時內將電池的電量充至80%以上，效率大大提高。

由于電動汽車的動力控制、驅動和汽車互聯網等方面的先進技術已經相對比較成熟，因此，隨著電池技術的進步以及成本的降低，純電動汽車將逐步進入每個人的生活。

1.2 氫燃料電池汽車的發展歷程及技術現狀

1968年，通用汽車公司生產出了世界第一輛可使用的氫燃料電池汽車，該燃料電池汽車以廂式貨車為基礎制造，裝載了最大功率為150kW的燃料電池組，續航里程為200km。但由于該車的結構復雜，自身部件體積過大，以及當時環境和能源問題并不突出，因此停止了后續的開發工作。而到了20世紀90年代，作為解決環境污染和能源供需問題的重要途徑之一的燃料電池電動汽車技術受到了空前重視，主要汽車廠商和生產國幾乎都投入了大量的人力和物力研發燃料電池電動汽車[3]。

目前，在氫燃料電池汽車領域，日本走在了世界前列。最近，豐田推出了售價5.75萬美元的Mirai燃料電池汽車FCV，而氫動力先驅本田也將近期推出了一款量產氫動力汽車Clarity。氫燃料電池汽車作為只排放水的新能源汽車，其技術復雜性更甚于純電動汽車，其技術先進性主要體現在儲氫系統及燃料電池推上。本田氫燃料電池汽車采用了70MPa壓力的碳纖維氫燃料罐，并實現了燃料電池堆的突破，使得其燃料電池堆的體積比之前車型小了33%，功率輸出則達到100kW以上，輸出密度則提高到3.1kW/L，較以往提升了60%左右。FCV量產車的續航有望達到700公里，補充一次燃料僅需3分鐘，和普通燃油汽車加一次油的時間相當。由于日本汽車廠商新能源汽車的技術比較成熟，因此，日本國內已在今年開始逐步建立加氫站，推廣氫能源汽車，并開始在北美推廣該類型新能源汽車。但是，制氫技術及大規模儲氫技術是氫能源汽車的瓶頸所在，是制約其快速發展的關鍵因素。

在氫燃料電池汽車方面，我國目前沒有形成系統的研發體系和工業體系，關鍵技術和關鍵材料仍在探索中。儲氫系統以及燃料電池堆的研發進步并不明顯。

2 純電動汽車與氫燃料電池汽車發展所面臨的問題

2.1 新能源汽車的配套基礎設施建設滯后

以我國力推的電動汽車為例，到2014年底全國的示范城市推廣的新能源汽車數量是9.1萬輛，但是充電樁只有3.1萬個，充電樁和新能源車的比例明顯不足。2015年11月18日，國家發展改革委等四部門聯合發布《電動汽車充電基礎設施發展指南（2015～2020年）》表示，到2020年，新增集中式充換電站超過1.2萬座，分布式充電樁超過480萬個，以滿足全國500萬輛電動汽車充電需求。而美國作為電動汽車發展比較快的區域，其充電樁也只有5萬多個，同樣不能滿足電動汽車的充電需求。而對于產量少的氫燃料電池汽車，加氫站就更少，全美僅有50座加氫站，遠遠不能滿足氫能源汽車的需要。

2.2 電能和氫氣來源清潔度有待提高

電動汽車使用過程中雖然沒有污染物排放，但其間接污染也是不容忽視的。目前，充電所需的電能主要還是以火力發電為主，水力和核能等清潔能源發電所占的比例很少。而火力發電仍然會對環境造成較大的污染[4]。

對于氫能源汽車所需的氫氣，目前最好的方法是通過電解水來制造氫氣，即用電將水分解成氧氣和氫氣。目前最好的電解水系統的能量轉化率只有80%，效率并不高。甲烷轉化要更劃算，但卻會造成污染。因為蒸汽需要加熱到700到1000攝氏度，然后與甲烷結合生成氫氣和一氧化碳，以及少量二氧化碳。美國有95%的氫氣通過這種方法來制造。為了獲得氫氣所消耗的能量比直接使用電能更多。因此，氫氣制取技術需要革命性的技術出現才能為將來氫能源汽車的普及鋪平道路。

2.3 新能源汽車過度依賴國家補貼

目前國內外新能源汽車存在的問題之一就是補貼的依賴程度還比較高，補貼需要更具合理性。我國的汽車市場規模龐大，但發展基礎薄弱，能否實現全產業鏈的協調發展，其中政策的制定是系統的工程，沒有補貼不行，補貼時間過長也不行。最近國家對新能源汽車政策補貼的退坡給出了時間表，具體為：從2017年到2020年，除燃料電池汽車外其他車型補助標準適當退坡。2017～2018年補助標準在2016年基礎上下降20%，2019～2020年補助標準在2016年基礎上下降40%。企業的當務之急是，實現核心技術的突破，降低成本，提高產品的安全性和可靠性，改變單純依靠補貼的盈利模式[5]。

3 純電動汽車與氫燃料電池汽車發展前景展望

從世界范圍來看，由于近年來電動汽車的技術突破，使得各國政府在推廣新能源汽車方面都把注意力放在了電動汽車上，而氫燃料電池僅有少數幾個國家在力推，如日本政府力推氫能源汽車，補貼力度很大。而且各大汽車廠商的研發重點也是電動汽車，如通用、奧迪、奔馳和寶馬等。因此，隨著充電樁的建設加速，未來十年至二十年應該是純電動汽車的春天，將迎來最好的發展機遇。但是如果電池容量及電池快充技術在未來數年內沒有大的突破，則氫燃料電池汽車則有機會趕超純電動汽車，畢竟，氫燃料電池汽車充滿氫氣只需3分鐘，卻可以行使超過700公里，未來可能超過一千公里。純電動汽車和氫燃料電池汽車誰將成為未來的主流車型取代燃油汽車，取決于各自技術突破的速度以及政策支持。如果電池容量及快充技術在高效清潔制氫技術之前獲得突破，那么純電動汽車將成為未來主流新能源汽車，否則氫燃料電池汽車將超越電動汽車成為未來主流新能源汽車。

從技術發展成熟度和中國國情來看，混合動力汽車可以作為大面積充電網絡還沒建立起來之前的過渡產品，而純電動汽車應是我國目前大力發展的方向。但是我國也應加快氫能源汽車基礎研究以及完善相應的工業體系，避免未來出現氫能源汽車大規模替代燃油汽車時處于被動地位。

【參考文獻】

[1]孟欣.純電動汽車的應用及發展概述[J].科技廣場，2010，7：147-149.

[2]肖九梅.氫燃料電池汽車及其電池現狀[J].電力電子，2013，3：50-54.

[3]毛宗強，甘穎.氫燃料電池汽車新進展[J].太陽能，2112，8：17-22.

[4]孫宇軒.關于新能源汽車發展的現狀及趨勢[J].產業經濟，2015，27：21.

[5]陳全世.我國新能源汽車產業的發展與挑戰[J].時代汽車，2015，10：13-23.

[責任編輯：王楠]