氢燃料电池汽车和纯电动汽车 谁将引领产业趋势呢？
来源：宝鄂实业
2019-04-09 12:24
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丰田将氢能定位为“未来的清洁环保能源”，并认为氢燃料电池车是对社会贡献度极高的“终极环保车”。于此同时，日本首相安倍晋三也亲自为丰田Marai代言。
反观国内，很多车企把纯电动汽车领域，也取得了不俗的成果。
那么这两个发展新能源汽车的思路，谁将会引领行业潮流呢？下面我们具体分析一下。
动力系统的组成
从目前的发展状况看，两者的动力系统决定了他们的续航里程，决定了车内的乘坐空间，也决定了车企发展的方向。
1.纯电动汽车
如上图所示，电池pack一般悬挂在汽车底盘下边，为纯电动汽车续航提供能量，目前一个pack所携带的电量普遍小于90Kwh。
现在用的电机一般是交流感应电机，这种电机比较小，但是能输出比较大的功率。还有一种电机是轮毂电机，能耗比较小，但受限于成本，并未普及。
2.氢能汽车
目前的氢能汽车，它的动力系统主要是电动机+燃料电池+储能电池+储氢罐的组合形式。和纯电动汽车相比，它的动力系统要复杂的多，电机基本相似，我们只讨论电池和储能装置。
我们可以把氢能汽车上的电池分为两种，一种是通过加氢燃料产生电能的，另一种是储备电能的，前一种称为燃料电池，后一种称为储能电池，这两种电池必不可少。
通俗地讲，燃料电池是一个开环系统，他需要不断的的补充燃料---氢化物，我们也可以称为燃料电池反应堆。
相比之下，储能电池是一个闭环系统，它的作用就是储能和充放电，当然三元锂电池也可以用作储能电池。
除此之外，最重要的就是上图中黄色的储氢罐了，储氢罐的作用是存储燃料的，所以体积也比较大。
对比两者的动力系统组成，我们发现氢能汽车比纯电动车复杂太多了，纯电动汽车的技术要更成熟一些，就动力系统的安全性来讲，没有燃料电池反应堆的纯电动汽车更安全。就动力本身来讲，氢能汽车的能量供给则会更好。
两者发展遇到的技术瓶颈
到目前为止，这两者的发展都不同程度的遭遇瓶颈，纯电动汽车的瓶颈就在于锂电池技术的突破，这是一个世界性难题。
如上图所示，影响纯电动汽车最大的因素就是续航里程和充电的便利性，充电便利性属于基础设施，我们可以慢慢改进，但是续航里程呢？反映到动力电池上就是能量密度，以及锂电池材料的选用。
目前氢燃料电池车的问题就是整套系统过于庞大，与燃油车和纯电动车相比都毫无优势。
与此同时，氢能汽车无法储存液氢，储氢罐装的通常都是金属氢化物，其密度只有汽油的1/3，要达到汽油车的续航，储氢罐的体积是油箱的3倍。
而且燃料电池、储能电池、电动机这些动力系统的体积并不比发动机+变速箱的体积小多少。所以氢燃料电池车要解决的问题是：提高储氢罐的能量密度、压缩燃料电池的体积。
政策支持 两条腿走路
在中国，为了提倡节能减排，国家从2013年之前国家就对新能源汽车进行补贴，每年都会根据市场状况出台新能源汽车补贴标准，一直持续到现在。氢能汽车的补贴也一直都有，发展缓慢完全是因为自身还不够成熟。
在日本，自1998年就开始实行的“CEV补贴”（即清洁能源汽车补贴），补贴规则、车型和预算由日本下一代汽车振兴中心每年根据市场情况进行调整。目前日本的氢气站的成本约为240万美元，日本政府为企业提供50%的安装费用补贴。
此外，美国、德国、荷兰、挪威等国家为了发展新能源汽车也都出台了相应的氢能汽车补贴政策。
基于此，我们可以发现，其实各国对于氢燃料电池汽车的鼓励政策一直都有，没有任何歧视，发展新能源既要发展纯电动汽车，也要发展氢能汽车。
由此可见，其实新能源汽车谁能笑到最后，只取决于一个因素——能量密度，再准确一点就是整套动力系统的能量密度。从目前来看，纯电动汽车技术更加成熟，氢能汽车却昭示着未来发展方向。
首先来看多功能出行平台，这个事实上并不能算什么新的技术，而是一种应用创新，是把共享乘车、商品零售、货物运送等多种功能集成在一辆车上，这点毋庸多谈。
自动驾驶技术，包括美国和中国在内的很多公司也都在做，而且中国公司起步并不晚，技术水平可以说与国外相差不大。我个人始终认为对“自动驾驶”这个概念需要仔细地进行区分，不要去搞漫无边际的自动驾驶。要首先对技术载体进行严格的限定，例如地铁进行自动驾驶相对就比较容易实现；然后是有限定条件的自动驾驶，现阶段就想“一步到位”、实现在任意复杂城市路面上的无人驾驶，搞不好会成为又一个“第五代计算机”计划（注：日本在20世纪80年代初提出，最后失败的科技发展计划）。
值得重视的是丰田的氢燃料电池车，丰田的确是这一领域的世界领导者。
业界普遍认为氢燃料电池车是终级的理想汽车技术，一方面原因是它在行驶过程中排放出的只是水，另一方面是氢气是各种气体中密度最小的，而燃料电池的氧化剂则是取自空气中的氧气（对比之下锂电池氢化剂则存在于电池本身），可以说是随时补给、取之不尽。事实上，一切燃料电池都具有类似的从空气中获取氧气作氧化剂从而减轻重量的优点，例如各种金属空气电池等。传统的燃油车能量密度较高，从而续航里程较长，事实上也是利用了这一点。所以，氢燃料电池的比能量密度在理论上是比较高的，每公斤氢气的比能量密度可达约17千瓦时，这是现在锂电池（以三元锂电池来计算）的85倍左右。
在实际应用中，因为储氢罐等需要占一定重量，因此实际比能量密度会大幅度降低。总体上说现在整个储氢系统效率在5%，也就是整个储氢系统的总重量100公斤，实际储存的氢气是5公斤左右。这会使储氢系统的能量密度比理论上降低到20分之1。但就算这样，一次加氢5公斤，其储存的能量也可使氢燃料电池车续航里程达到600公里以上，与传统燃油车大致持平。
2018款的丰田Mirai（日文“未来”之意）一次加满5公斤氢气的续航里程可以达到700公里。加氢过程在时间上与燃油车也差不多，每公里燃料使用成本大约为0.5元人民币，比燃油车略高一些。所以，如果从使用习惯和使用成本上说，氢燃料电池车与现在的燃油车很接近，接下来想要实现商业化普及，最关键的是要大量投资新建加氢站网络。
丰田Mirai
当然，自然界并不存在广泛可获取的氢，而需要通过消耗一定能量生产制取。所以对“氢能”这个说法是需要谨慎理解的。在现实能源产业中，氢只是一种能量转换的载体，而不是天然可开采的能源。生产氢的途径很广泛，且历史很久，已经算是一个传统产业了。以甲烷、甲醇、乙醇等很多化工原料为基础都可以制氢，通过电解法也可以直接用水来制氢。业界期待的最理想境界是直接用简单的方法以太阳能或风能等为能源，通过电解水逆反应，从水中生产氢，这样全流程就非常环保了。
氢燃料电池车的核心是氢燃料电池系统，这里面有两个关键性的技术。一是氢燃料电池，二是氢的储存。在这两个方面，丰田公司的技术的确都是世界最领先的。
氢燃料电池最核心的是催化反应部分，它将自带的氢气与取自空气中的氧气经过电化学反应产生电。催化反应需要用到极为昂贵的金属铂，这种金属每年全球产量只有200吨多一点，比黄金还要稀少得多。要降低燃料电池的成本，从技术上说关键是要尽可能减少铂的使用量，或者有替代铂的方案。丰田公司能做到将一辆氢燃料电池车的铂需求量进一步减少。业界也在积极寻求不用铂的催化技术，如果能实现就解决了燃料电池汽车制造成本上的一个最大的技术难题。
储存氢气也是一个很难的技术，因为氢分子实在是太小了，如果用一般的钢瓶储存，氢气分子都会钻到钢材的缝隙中去，产生叫“氢脆”的问题，使钢瓶的强度下降。因此，需要将氢气以700个大气压储存在复合材料制作的特殊氢气罐里。毫无疑问，其品质对安全保证是很关键的。不过，氢气储存在安全性上也有它的优点，即使它发生泄露，由于氢气比空气轻，它会迅速向上漂，而不象汽油泄露那样流得到处都是。汽车里泄露的汽油一旦着火，极大概率是会迅速把整个汽车烧毁。所以从理论上说氢燃料电池车至少比燃油车更为安全。丰田公司的氢气罐可以做到用世界上最强武器之一——美军海军陆战队使用的M82A3式狙击步枪都打不穿的地步。
由此看来，氢燃料电池车能否大规模普及，关键点还是在催化剂上能否有大的突破。此外，氢燃料电池因为其较高的比能量密度，不仅在新能源车上有应用，而且在无人机等其他领域也有较广泛的应用价值。
2、固态电池技术：日本有生产工艺优势
对于电池行业来说，固态电池并不是一个陌生概念。早在2012年苹果公司就已经开始了全固态电池技术的专利布局，随后包括丰田在内的一些知名厂商也在这个领域有所投入。
纯电动车的成本主要体现在电池上。为了使普通读者更容易理解，我把电动汽车锂电池技术大致分成四个大的时代：
第一代是磷酸铁锂电池，能量密度在100 Wh/kg（每公斤瓦时）左右。
第二代是三元锂电池，200 Wh/kg左右。
第三代是固体电解质锂电池，现在业界叫“固态电池”，300 Wh/kg左右。
第四代是锂硫电池等，400 Wh/kg左右。
当然，每一代的技术并非完全单一，而是会有很多不同变化。甚至就是三元锂电池本身就有很多种。但以上大致的分代可以使我们对纯电动车未来的发展趋势有一个直观的了解。
特斯拉一开始就采用的是第二代的三元锂电池中的镍钴铝技术，中国2017年纯电动车普遍采用镍钴锰三元锂电池。
固态电池，事实上是指第三代的固体电解质锂电池。中国在固体电解液电池上也有技术积累，而且在第四代的技术上也有很多单位在开发。只是在具体电池生产工艺上，日本和韩国的三星、LG等还是有长期技术优势的。一般来说，电池的能量密度越高，每千瓦时的存储成本就越低。
对续航里程问题，不同汽车的用户体验可能会有些不同。我个人认为纯电动车的续航里程会经历这么一个变化过程：
最初因为电池太贵，因此续航里程很短，只有120公里；
随着电池成本持续地大幅度降低，续航里程不断增长；
由于充电设施还不是很普及，充电不是很方便，用户对续航里程需求还会在一定时间持续增长，现在400公里甚至更长续航里程的纯电动车款已经很多了；
未来充电设施越来越普及，充电越来越方便，到处都可以充电，再加上各种电动车充电宝产品流行，用户并不需要买很长续航里程的电动车，购买电动车的成本又极大降低。
固态电池的安全性比液态锂电池高很多，而且续航里程很长。固态电池普及后，纯电动车的成本可达到与现在燃油车接近的程度。
不过，这项技术开发有难度，目前这方面研究最深的就是丰田汽车，但也一直没有实现商业化量产。于是，日本政府决定和企业联起手来加快固态电池的研发。
据报道，日本经济产业省将向“锂电池材料评价研究中心（LIBTEC）”出资16亿日元，这家研究中心是由旭化成、东丽和Kuraray等化工企业成立的，现在丰田、日产和本田三大车企和松下、GSYUASA等电池企业也将加入其中。
除了加快技术研发，日本经济产业省还计划向国际电工委员会（IEC）提出申请来推动固态电池国际标准的制定，这样就能从一开始掌握更多话语权，从而在电动汽车的电池领域获得领先地位。
3、加一次油跑1000公里：汽车公司很快都能做到
目前新能源车主要是三个方案：最早出现的混合动力、纯电动、氢燃料电池。丰田公司在混合动力和燃料电池两个技术上都处于世界领先水平。
那么有传言说丰田开发出加一次油可以跑1000公里的车，这是真的吗？
其实，不仅丰田能做到，很快几乎每家汽车公司都能做到了。
因为现在开发燃油车的公司也都在向混合动力方向发展。这种混合动力是用燃油发动机发电，用电机驱动。其显著好处包括：
一是燃油发动机可以稳定地工作，在最佳效率状态发电；
二是不用齿轮箱了；
三是利用了电机驱动的好处，在各种转速下扭矩大致是均衡的；
四是电驱动可以进行能量回收。
电机驱动可以使百公里耗油显著降低。如果只是用燃油发动机本身改进，效率几乎不太可能降到百公里油耗5升以下。但采用混动的方案，可以比较容易做到百公里耗油4升左右甚至更低，在城市复杂工况下做到这种省油的水平也是可以的。这样，原来加满油40-50升只能跑400-600公里的车，现在就都可以跑上千公里了。
如果是插电增程式混动，电池本身有50到100公里左右的续航里程，可以采用充电方式在城市内跑，跑长途用燃油增程，相当于内置充电宝。丰田是混合动力车的先驱，2017年丰田新能源车全球销量达到152万辆，主要就是靠混合动力技术实现的，并且在混合动力技术上已经有20年的积累，至2017年，丰田以混合动力车为主的新能源车全球累积销量达到1147万辆。
大多数人认为混合动力是一个过渡方案，问题是这个过渡时间会有多长。这取决于纯电动和燃料电池车的发展情况。前两年混合动力车在中国新能源车销量中的比例呈下降状态，但2017年至今混合动力车占比又快速上升。混合动力车和氢燃料电池车在续航里程上都有优势，混合动力车又可直接利用原来燃油车普遍存在的加油网络系统，因此对续航里程有较高要求的用户现在还是会青睐前者。
