隨著國際各大汽車生產(chǎn)商和石油巨頭的積極參與，從資金到技術(shù)的大力投入，燃料電池汽車已經(jīng)走出實(shí)驗(yàn)室，開始商業(yè)化旅程。近年來，燃料電池汽車的迅猛發(fā)展和商業(yè)化的推進(jìn)席卷了整個(gè)世界，其高效節(jié)能以及零排放或接近零排放的良好環(huán)境性能，使之迅速成為當(dāng)今世界能源和交通領(lǐng)域開發(fā)的熱點(diǎn)。很多專家更是樂觀地認(rèn)為，燃料電池汽車將引發(fā)汽車工業(yè)的革命，最終取代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車成為主流。

基于質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的燃料電池汽車需要?dú)錃庾鳛槿剂?。目前國際上燃料電池技術(shù)已發(fā)展到較高水平，要實(shí)現(xiàn)燃料電池汽車的商業(yè)化，主要問題就是解決氫源問題和降低成本，而氫源技術(shù)已成為燃料電池商業(yè)化的技術(shù)瓶頸。

車用燃料電池的燃料來源主要有兩種，一是直接用氫，二是車載制氫技術(shù)。而這兩種方法又存在諸多不同的技術(shù)路線，因此什么樣的氫源最適合用于燃料電池汽車的問題一直都是爭論的焦點(diǎn)。目前，我國在燃料電池技術(shù)總體水平上與國際先進(jìn)水平還有很大差距，要想迎頭趕上，必須找到適合本國國情的最佳切入點(diǎn)，即從環(huán)境、能效和經(jīng)濟(jì)性角度考察，提出綜合性能最優(yōu)的技術(shù)路線，以便為我國的燃料電池汽車的燃料選擇提供依據(jù)。

本文就是立足于這樣的背景，擬從國內(nèi)外燃料電池汽車發(fā)展現(xiàn)狀出發(fā)，探討適合我國國情的氫源，并對(duì)我國燃料電池汽車的技術(shù)發(fā)展和商業(yè)化進(jìn)程作出預(yù)測。

1國內(nèi)外燃料電池汽車的研究進(jìn)展

1 .1國際燃料電池汽車發(fā)展現(xiàn)狀

據(jù)2003年6月最新統(tǒng)計(jì)，目前世界上已經(jīng)有20余家汽車公司90多種車型的燃料電池汽車問世。迄今為止推出的燃料電池汽車中，壓縮氫氣最受關(guān)注，這主要是因?yàn)檫@種車型的燃料供給在技術(shù)性上最為簡單可行;而自1997年首輛甲醇燃料電池汽車凡Ca:3問世以來，甲醇重整也成為研究開發(fā)的新熱點(diǎn)。其它的產(chǎn)氫及儲(chǔ)氫方法，如液氫、合金儲(chǔ)氫以及汽油重整也有一些研究?？梢姀膰H上現(xiàn)已推出的燃料電池汽車來看，燃料選擇存在多元性。雖然各大公司的車型和側(cè)重的技術(shù)路線不盡相同，但顯然都把Fcv的商業(yè)化推廣作為搶占未來汽車市場的一項(xiàng)戰(zhàn)略措施，在競爭中求發(fā)展;再者，各公司出產(chǎn)的Fcv從續(xù)駛里程、最大時(shí)速，到燃油經(jīng)濟(jì)性，乃至儲(chǔ)氫的壓力，都取得了較大進(jìn)展，讓人們對(duì)燃料電池汽車的未來充滿信心。

1 .2國內(nèi)燃料電池及其在交通領(lǐng)域的進(jìn)展

我國的燃料電池研究始于1958年，經(jīng)過40余年的積累與發(fā)展，已初步形成了一支學(xué)科專業(yè)較為齊全的研究與開發(fā)隊(duì)伍。尤其在PEMFc方面，總體水平與先進(jìn)國家的差距正在縮小。

在質(zhì)子交換膜燃料電池本體技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，1998年北京理工大學(xué)及清華大學(xué)開發(fā)了燃料電池微型電動(dòng)車;2000年底上海神力科技有限公司開發(fā)了“氫動(dòng)力一號(hào)”游覽車，并亮相于2000年上海工博會(huì);2001年1月中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所與東風(fēng)汽車公司研制了30kw燃料電池中巴車，2002年又與清華大學(xué)合作研制成功我國第一臺(tái)燃料電池城市大巴;2002年北京綠能公司也組裝了自己研制的燃料電池車。另據(jù)2003年8月最新消息，同濟(jì)大學(xué)與上海汽車集團(tuán)聯(lián)合推出了我國首輛燃料電池混合動(dòng)力轎車“超越一號(hào)”，標(biāo)志著我國燃料電池汽車發(fā)展的里程碑，縮短了我國與世界先進(jìn)水平的差距。

同時(shí)，我國在儲(chǔ)氫技術(shù)和車載制氫技術(shù)上有了一定的發(fā)展。2002年1月，中國科學(xué)院宣布啟動(dòng)知識(shí)創(chuàng)新工程重大項(xiàng)目“大功率質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)及氫源技術(shù)”，這項(xiàng)重大項(xiàng)目的啟動(dòng)將促進(jìn)燃料電池汽車及氫源技術(shù)的發(fā)展。因此，鑒于PEMFc電動(dòng)汽車在各類電動(dòng)汽車發(fā)展中的明顯優(yōu)勢(shì)，應(yīng)該得到重點(diǎn)的發(fā)展。

2國內(nèi)外氫源選擇的研究

以氫能為基礎(chǔ)的燃料電池汽車是21世紀(jì)理想的交通工具，從國家能源安全和環(huán)境保護(hù)的戰(zhàn)略角度考慮，它的出現(xiàn)為我國調(diào)整能源結(jié)構(gòu)和發(fā)展交通技術(shù)提供了一個(gè)極好的機(jī)遇。

然而發(fā)展燃料電池汽車是一個(gè)龐大的系統(tǒng)工程，它不僅是汽車技術(shù)的一場深刻革命，同時(shí)又涉及到規(guī)劃和建設(shè)龐大的制氫、儲(chǔ)氫及加注站等基礎(chǔ)設(shè)施。因此合理協(xié)調(diào)燃料電池汽車與氫源基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展關(guān)系具有十分重要的戰(zhàn)略意義。我國要想迅速趕超國際燃料電池汽車先進(jìn)水平，必須找到適合本國國情的最佳切入點(diǎn)，通過政策指引少走彎路。

2 .1國外燃料電池氫源選擇的研究

近年來，國外很多研究從“井口到車輪”的全生命周期角度評(píng)估了燃料電池汽車氫源的選擇方案?？偟恼f來，大部分研究都將純氫、甲醇和汽油作為三種最主要的選擇來進(jìn)行研究。但由于評(píng)估中存在很多不確定因素，如研究對(duì)象、時(shí)間范疇以及國別差異等，他們得到的結(jié)論也不盡相同。

Princeton大學(xué)的能源與環(huán)境研究中心對(duì)燃料電池燃料氫源的一系列相關(guān)問題進(jìn)行了系統(tǒng)研究。從燃料電池汽車本身的設(shè)計(jì)要求及相對(duì)應(yīng)的燃料供給基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)兩方面，對(duì)比了不同氫源的能效和經(jīng)濟(jì)性，并在此基礎(chǔ)上提出了發(fā)展燃料電池汽車的近期和遠(yuǎn)期的燃料策略。對(duì)燃料電池汽車重整器的發(fā)展、發(fā)展氫輸配系統(tǒng)的可行性、燃料電池汽車的燃料經(jīng)濟(jì)性、小型天然氣制氫的可行性以及各種可再生資源制氫等角度都進(jìn)行了評(píng)估和分析，較為全面地研究了氫源的選擇方案。

DOE支持的Directed TeChnologieS Inc.的側(cè)重點(diǎn)則主要集中在燃料基礎(chǔ)設(shè)施投資、燃料成本、燃料電池汽車相對(duì)傳統(tǒng)汽車所需增加的成本、污染氣體和溫室氣體排放以及對(duì)能源的可持續(xù)發(fā)展影響等方面。

GM主持的“wenT。wheel”更是對(duì)氫源的燃料選擇進(jìn)行了全生命周期的研究:共對(duì)75種燃料路徑及15種動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了研究，被認(rèn)為是用LcA方法進(jìn)行燃料評(píng)估的一個(gè)典范，而Methanex、Methanol Institute等機(jī)構(gòu)則對(duì)甲醇應(yīng)用于燃料電池汽車更有信心。

通過對(duì)國外研究分析總結(jié)，各種燃料選擇的優(yōu)缺點(diǎn)可如表1所示?？梢?，三種燃料選擇各有利弊，要作出合理選擇就要考慮本國的能源結(jié)構(gòu)，從國情出發(fā)，選擇適合的氫源方案。

2.2國內(nèi)燃料電池氫源評(píng)估的主要結(jié)論

為探索適合我國能源國情的氫源基礎(chǔ)設(shè)施方案，國家高科技研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)設(shè)立了“燃料電池汽車氫源基礎(chǔ)設(shè)施工程前期研究”的課題。該課題是國內(nèi)首次從資源開采到汽車使用對(duì)燃料電池汽車的全生命周期進(jìn)行評(píng)價(jià)，針對(duì)不同氫源選擇對(duì)能效、排放及經(jīng)濟(jì)性(3E)進(jìn)行系統(tǒng)分析。

首先根據(jù)一定的氫源方案篩選原則，從眾多的燃料鏈中最終確定10條燃料鏈作為研究對(duì)象，分別包括了以煤、天然氣和石油為初級(jí)能源的路線，也概括了高壓氫氣、車載甲醇制氫、車載汽油制氫三種氫源，所涉及的燃料加注站有:氫站(純氫站、甲醇現(xiàn)場制氫、天然氣現(xiàn)場制氫、汽油現(xiàn)場制氫)、甲醇加注站和汽油加注站，如表2所示。

同時(shí)還進(jìn)行了環(huán)境、經(jīng)濟(jì)性和能效性(3E)的全面評(píng)估，并以天然氣制甲醇的車載制氫燃料鏈為基準(zhǔn)進(jìn)行了各方案基礎(chǔ)性投資的對(duì)比，結(jié)果如圖1、圖2所示。

通過比較研究，可得出如下結(jié)論:

(l)從不同化石基的角度考慮，天然氣基燃料鏈的3E性能最優(yōu);汽油基燃料鏈略遜之;相對(duì)地，煤基燃料鏈最不樂觀，然而隨著原油越來越少及我國對(duì)煤加工利用的大力投入，形勢(shì)會(huì)相應(yīng)改變;

(2)與純氫車型相比，車載制氫路線的3E綜合評(píng)估性能較優(yōu)，且所需基礎(chǔ)投資最少，但其弊端在于技術(shù)難度最大，因此只有當(dāng)技術(shù)上獲得重大突破才會(huì)有所發(fā)展;

(3)加注站現(xiàn)場制氫的各條燃料鏈3E性能相對(duì)較差，尤其是煤電電解水制氫燃料鏈劣勢(shì)最明顯，所以很難進(jìn)行大規(guī)模商業(yè)化，僅可作為演示性質(zhì)的燃料電池車隊(duì)氫源;

(4)燃料大型制氫的3E綜合性能高于小型生產(chǎn)，尤其是由天然氣大型制氫及氫管網(wǎng)輸送的燃料鏈，鑒于目前我國正在大力發(fā)展天然氣管網(wǎng)運(yùn)輸(如西氣東輸)，因此在其沿線實(shí)施此路線有一定現(xiàn)實(shí)意義。

綜上所述，在我國研發(fā)燃料電池汽車時(shí)，應(yīng)充分考慮多煤、少氣、貧油的能源結(jié)構(gòu)以及資源分布不均的國情，不同的地域采取適合本地特色的能源戰(zhàn)略，最大限度地發(fā)揮自身的優(yōu)勢(shì)。

3對(duì)國內(nèi)燃料電池汽車發(fā)展的預(yù)測

通過對(duì)國內(nèi)外燃料電池及氫源技術(shù)現(xiàn)狀的分析，結(jié)合國內(nèi)外對(duì)燃料電池汽車推廣的預(yù)期日程安排以及氫源選擇的評(píng)估結(jié)果，筆者對(duì)國內(nèi)燃料電池汽車技術(shù)及商業(yè)化的發(fā)展趨勢(shì)作了初步預(yù)測，如圖3所示。

由于在新技術(shù)發(fā)展的初期存在太多的不確定因素，包括技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性以及國家政策等，因此預(yù)測也將存在很大的不確定性。總體上講，燃料電池汽車技術(shù)將會(huì)呈現(xiàn)多元化而且相互滲透式發(fā)展，也就是說燃料電池的氫源選擇不太可能局限于某一種方式，而是多種方式并存并且共同發(fā)展，而各種氫源選擇方式之間既相互促進(jìn)，又相互限制。目前國際有關(guān)機(jī)構(gòu)已對(duì)很多制氫技術(shù)進(jìn)行試點(diǎn)運(yùn)作，我國的技術(shù)與國際先進(jìn)水平相比尚有差距而且存在國情差異，因此是否會(huì)相應(yīng)推廣這些技術(shù)還有待在實(shí)際發(fā)展中檢驗(yàn)。

對(duì)于純氫燃料電池汽車來說，由于對(duì)2008年北京奧運(yùn)會(huì)的關(guān)注，其演示車隊(duì)可望較早推出，與其相關(guān)的加注站制氫和儲(chǔ)氫技術(shù)也將有所進(jìn)展，但由于受到巨大基礎(chǔ)設(shè)施投資的影響，其大規(guī)模生產(chǎn)恐怕要相應(yīng)的延后。車載制氫雖然在3E性能方面有優(yōu)勢(shì)，但技術(shù)難度最大，尚有待進(jìn)一步突破才會(huì)有較大發(fā)展，就重整技術(shù)來講，甲醇重整技術(shù)難度較小，因此可能會(huì)先于汽油重整在我國得到發(fā)展。而當(dāng)我們放眼未來，到本世紀(jì)中葉，太陽能及生物質(zhì)等可再生能源則有望成為氫能的主流來源。

相應(yīng)地，隨著燃料電池總體水平的突飛猛進(jìn)，燃料電池汽車也必將在交通領(lǐng)域中引發(fā)革命，我國從2008年左右將可能出現(xiàn)燃料電池汽車小型示范車隊(duì)，而到本世紀(jì)中葉燃料電池汽車將可能在汽車保有量中占據(jù)相當(dāng)可觀的比例，且以更快的速度擴(kuò)張。但無疑在較長的時(shí)期以內(nèi)，燃料電池汽車還將和內(nèi)燃機(jī)車，尤其是改造后的高效節(jié)能的內(nèi)燃機(jī)車競爭發(fā)展，并且依仗著自身的優(yōu)異性能逐步取代后者。

4、結(jié)語

燃料電池汽車具有傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車所不具備的高效節(jié)能環(huán)保特性，所以有廣闊的發(fā)展前景，但要真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，必須解決氫源基礎(chǔ)設(shè)施這個(gè)技術(shù)壁壘，而這被認(rèn)為是比開發(fā)燃料電池汽車本身更復(fù)雜的技術(shù)難題。目前在我國，以氫氣作為車用燃料的供應(yīng)設(shè)施基本還是空白，需要從頭建設(shè)。由于牽涉到能源供應(yīng)體系的改變并需要巨額投資，因此這項(xiàng)工程非常有必要作為一項(xiàng)重大的戰(zhàn)略課題進(jìn)行研究，從而為我國燃料電池汽車氫源技術(shù)的正確發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

（轉(zhuǎn)載）