氢燃料电池是一种高效、清洁的发电装置，可将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，能量转化率高，能量密度大，应用范围广，环境友好，技术相对成熟，原料来源丰富，是具有广阔前景的新能源技术。随着石油资源的消耗和环境问题日益严重，氢燃料电池汽车的巨大潜力使之成为交通用能方面关注的焦点。
放眼高端谋发展
燃料电池的雏形最早可追溯到1838年。1843年，Willian Robert Grove提出了“气体电池”的模型，为燃料电池奠定了理论基础。但由于材料、技术等因素的限制，燃料电池的研究经历了较长时间的停滞期，直到20世纪中叶随着太空飞行技术的发展又重回人们视野。1968年，通用汽车公司生产出世界上第一辆氢燃料电池汽车，续航里程为200km。
放眼国际，部分发达国家在氢燃料电池领域已经进行了长期的、卓有成效的研发工作，其中日韩等国的氢燃料电池汽车技术位居世界前列。丰田汽车在1992年就着手氢燃料电池汽车的研发，2014年推出其首款量产氢燃料电池汽车Mirai并上市出售。本田汽车在2016年推出氢燃料电池汽车Clarity。韩国现代在今年的北京车展上也发布了其首款氢燃料电池汽车NEXO。近日，李克强总理在日本考察了丰田汽车北海道厂区，并参观了Mirai汽车的相关内容，着重了解了氢气压缩存储和加氢站布局等内容，并向丰田公司在内的日方企业表达了密切合作的意向。
我国重视氢燃料电池汽车的发展，将其列为新能源汽车主要技术路线之一，在《国家创新驱动发展战略纲要》《中国制造2025》《汽车产业中长期发展规划》等重要战略纲要中均明确提出要大力发展，估计2020年我国将有氢燃料电池汽车0.5万~1万辆，加氢站200座；2030年达到100万辆以上，加氢站1000座。这意味着，我国氢能相关产业产值有万亿元的发展空间。
多重优势 凸显潜力
氢燃料电池基本结构包括正负电极、电解质隔膜、催化剂等。电池工作时，电池阳极上的氢在催化剂作用下分解为质子和电子，带阳电荷的质子穿过隔膜到达阴极，带阴电荷的电子在外部电路运行到达阳极，从而产生电能。在阴极上的质子在催化剂作用下和电子发生化合反应生成水。基于其独特的工作原理，与其他化学电池相比，氢燃料电池具有多方面的优势：
能量密度大，排放零污染。氢燃料电池反应产物只有水，真正实现零污染排放。其整体能量转换效率可达60%~80%，是普通内燃机的2倍。氢气本身在能量密度方面具有巨大的优势，可达汽油的3倍，续航里程可观，可用于大型重卡甚至是飞机，同时也不存在电池报废回收的问题。
使用寿命长，能量补充快。氢燃料电池的使用寿命可达8000~10000小时，按每天使用4小时计算约可使用5~6年，而纯电动汽车的电池寿命一般在2年以内。氢燃料电池的能量补充类似于传统燃油汽车，2~3分钟即可加满，而在现有技术下纯电动车最快充电时间仍需20分钟左右。
制氢来源多，单位热量成本低。工业制氢工艺多样，主要有煤炭气化制氢、天然气制氢、电解饱和食盐水等，还可利用富余的可再生资源电解水产生氢气。若以能量密度和能效折算，氢能的单位热量成本仅为汽油的70%~80%。
三大瓶颈亟待攻克
尽管氢燃料电池具有多重优势，然而，由于其本身反应物（氢气和催化剂）所固有的局限性，造成其产业化仍存在瓶颈待攻克解决。
一是储氢技术复杂，成本高。气态氢气需要高压气罐储存，液态氢需保存在-252.8℃的环境下，运输折损比例达30%，且易气化易爆炸，安全性差。
二是催化剂铂价格昂贵、储量小。用于固体高分子形态的燃料电池低温反应的催化剂是稀有贵金属铂，该催化剂无法由其他金属替代。目前，全世界铂的年产量只有约250吨，其稀缺性和高昂的价格严重制约着燃料电池的生产，这也是抬高氢燃料电池汽车价格的主要因素之一。而我国铂的对外依存度高达95%，或将成为制约我国氢燃料电池发展的瓶颈。
三是基础配套不足制约规模推广。我国现有运营中加氢站12座，在建加氢站19座，即使相关规划中的目标完全实现，到2020年我国加氢站仍仅有200余座。我国从事氢气提纯的企业较少，生产规模偏小，车用高纯氢气产量不足。国内氢气的运输多采用管束车或高压瓶等方式，运输成本高。加氢站的关键零部件，如加氢枪、高压管线、阀门等，均依赖进口。
多措并举加速商业化
当前，我国氢燃料电池汽车仍处于商业化的起步期，最快5-10年内国内氢燃料电池汽车市场步入快速增长期。从中长期看，氢燃料电池汽车必然会对交通领域用能产生巨大影响。
基于当前氢燃料电池汽车发展关键点，设定“基准情景”与“乐观情景”，并对两个情境下氢燃料电池汽车对交通用能的影响进行了预测和判断。“基准情景”下，氢燃料电池汽车的发展速度相对平稳，鲜有亮点发生；“乐观情景”下，氢燃料电池汽车相关领域有较大的政策倾斜，投资额大幅提高，技术快速发展，行业很快进入快速增长区间。根据预测结果，“乐观情景”下，2030年我国交通领域用能约为4.6亿吨标准煤，较“基准情景”低约7%；2050年，这两个数字分别为2.8亿吨标准煤和35%（见图1）。可见，只有氢燃料电池取得良好的发展，才能较大程度地惠及交通部门的用能，而除氢燃料电池外的其他技术目前来看则没有这样的功效。氢燃料电池汽车首先对公路交通用能产生替代，后逐步影响到铁路，2040年后或将尝试将其用于飞机动力。分能源品种来看，在氢燃料电池汽车的带动下，2030年我国非化石能源的交通用能约为1.6亿吨标准煤，较目前有了非常大的提升，占比约为34%；2050年降至1.3亿吨标准煤，占比约为48%（图2）。
氢燃料电池能量密度大、排放零污染等特点，决定其必然成为交通用能的主要发展方向之一。我国氢燃料电池汽车尚处于行业初创期，制氢、储氢等技术相对落后，相关的低温技术、材料科学亟待发展；相关基础设施十分薄弱，管线、阀门等基础零部件仍待研发；加氢站数量少、分布尚未形成规模，行业发展潜力巨大。
为加速行业发展，首先着力攻关甲烷、低温高压密闭存储等关键技术，研发氢燃料电池汽车发动机等关键部件，提高氢产业的知识产权自给率；其次，要出台相应的行业设备标准、运输标准、行驶标准等，引入共享经济等新商业模式，引导行业健康发展；在此基础上，科学合理布局加氢站，适当地简化审批程序、加大补贴力度，加快建设步伐。发展氢燃料电池汽车，需从技术、需求、供应等多方面共同入手，相互协调，推动行业有序、健康、稳定发展。
