科普 | 什么是氢燃料电池汽车？

2024年，氢燃料电池汽车行业步入快车道，车型及底盘的申报数量再创新高。工信部官网最新发布的第388批《道路机动车辆生产企业及产品公告》新产品公示名单中，共计收录39款氢燃料电池车型或底盘，彰显了行业的蓬勃发展态势。

中汽协数据显示，今年前三季度，氢燃料电池汽车销量约4133辆，同比实现44%的显著增长。氢燃料电池汽车在交通领域应用对于我国节能减排工作将起到重要作用。那么什么才是氢燃料电池汽车呢？它与燃油车和电动汽车又存在什么差异呢？

一 氢燃料电池汽车的定义

氢燃料电池汽车（简称HFCV）可以说是一种利用氢气作为能源的新型环保汽车。它使用与电动汽车相同的电动机来驱动车轮，但它不是由一个大而重的动力电池供电，而是由一个燃料电池堆供电，在这个燃料电池堆中，纯氢（H2）穿过一层膜，与空气中的氧气（O2）结合，产生转动车轮的电力和水蒸气。排放产物无污染，并且可再生，是目前公认的最清洁的新能源汽车之一。与传统燃油汽车相比，氢燃料电池汽车具有零排放、高效率和长续航里程等优点。

二 氢燃料电池汽车工作原理

氢燃料电池汽车的核心部件是燃料电池堆，它由多个单体燃料电池组成。每个单体燃料电池包含阳极、阴极和电解质膜。在工作过程中，氢气在阳极发生氧化反应，释放出电子和质子。

（一）基本的化学反应原理

从反应本质看：氢燃料电池车的工作原理是基于氢气和氧气的化学反应来产生电能，其基本反应为2H2+O2→2H2O，这一反应是电解水的逆反应，氢气和氧气分别供给阳极和阴极。氢气通过阳极向外扩散，与电解液反应后，释放出电子，通过外载到达阴极。

阳极反应：2H2+2O2→2H2O+4e−，氢分子在阳极处发生反应，在催化剂（如铂）的作用下，氢原子中的一个电子被分离出来，失去电子的氢离子（质子）穿过质子交换膜，到达燃料电池阴极板（正极），而电子只能经外部电路到达阴极板，从而在外电路中产生电流。

阴极反应：O2+4e−→2O2-，电子到达阴极板后，与氧原子和氢离子重新结合为水。由于供应给阴极板的氧，可以从空气中获得，所以只要不断地给阳极板供应氢，给阴极板供应空气，并及时把水（蒸气）带走，就可以不断地提供电能。

(二)在车辆中的能量转换与驱动原理

发电过程:

氢气被送到燃料电池的阳极板（负极），经过催化剂（铂）的作用，氢原子中的电子被分离，氢离子穿过质子交换膜到达阴极板（正极），电子经外部电路到达阴极，这个过程产生电流。例如在一些质子交换膜燃料电池（PEMFC）中，这种反应高效地进行，PEMFC具有功率密度大、重量轻、体积小等优点，是车用燃料电池较理想的技术方案。

燃料电池发出的电，经逆变器、控制器等装置，给电动机供电。这些装置对电能进行处理，使其能够满足电动机的需求，例如将直流电转换为适合电动机使用的电能形式。

车辆驱动：

电动机接收来自燃料电池经处理后的电能，将其转换为机械能。电动机在氢燃料电动车中相当于传统内燃机在燃油车中的角色，它具有更高的效率和更低的维护成本。与传统燃油发动机不同，这个过程中没有像COx、NOx、SOx气体和粉尘等污染物排放，也几乎没有噪音产生。

机械能经传动系统、驱动桥等带动车轮转动，从而使车辆在路上行驶。

(三)氢燃料电池车中的其他相关原理

储氢系统原理：

氢燃料汽车需要有储氢系统来存储氢气，目前大多数氢燃料电动车采用高压储氢罐来存储氢气。这些储氢罐通常能够承受高达700巴的压力，确保在有限的体积内存储足够的氢气，以满足车辆的行驶需求。当使用高压储气瓶储存氢气时，要用低温保温装置来保持低温，因为这是一套复杂的系统。

动力控制原理：

动力控制单元是整个系统的“大脑”，它监控和调节燃料电池、储氢系统、电动机以及其他辅助系统的工作状态。例如动力控制系统包含DC/DC转换器、DC/AC转换器、DCL和空调控制器及空调压缩机变频器，以及电机冷却系统控制器等部件，这些部件相互协作确保车辆在各种工况下都能保持最佳性能。

三 氢燃料电池车的优势

（一）能源与环保相关优势

降低对石油依赖：随着全球石油资源的逐渐减少，寻找石油的替代能源变得至关重要。氢燃料电池车以氢气为能源，氢气来源广泛，不依赖于石油，这有助于减少对传统石油能源的依赖，提高能源的多样性和供应安全性。

近零排放：在氢燃料电池车的工作过程中，氢气和氧气在燃料电池里发生反应，产生电能和水。其排放物主要为水蒸汽，几乎不会排放如传统燃油车的有害气体（如一氧化碳、氮氧化物等），对环境十分友好，在应对气候变化和改善空气质量方面具有很大潜力。

（二）技术与成本相关优势

发电效率高：氢燃料电池具有较高的能量转换效率，能够将氢气的化学能高效地转化为电能，从而为车辆提供动力。这一特性有助于提升汽车的行驶里程，相比传统内燃机汽车，在能量利用效率上有明显优势。

成本降低潜力大：虽然目前氢燃料电池车的成本相对较高，但随着技术的发展，如果能够实现量产，其成本有望大幅降低。例如，近年的技术突破使得贵金属（如铂等）的使用明显下降，并且贵金属回收技术也趋于成熟，这有助于降低氢燃料电池的制造成本，进而降低整车成本。

（三）使用体验相关优势

加氢时间短：相较于纯电动汽车充电时长较长（一般需要几个小时才能充满电）的情况，氢燃料电池汽车加氢补给的时间很短，基本与燃油车加汽油的时间几乎相同。这大大提高了车辆的使用便利性，减少了等待时间，对于使用者来说更易于接受。

续航里程提升成本低：对于纯电动汽车而言，要提高续航里程通常需要多增加锂电池或者提高电池能量密度，这两种方式都会带来较高的成本。但氢燃料电池汽车增加续航里程只需增大储氢罐即可，相对来说成本较低。

适应多种环境：在高海拔、高温、高寒等多种环境下，氢燃料电池的性能更加稳定。例如已经投入使用的氢燃料电池公交车，在零下30的环境下能够无辅热快速启动，续航里程可达300公里，这显示出氢燃料电池车在复杂环境下的适应性优势。

改善车内空气质量：由于燃料电池非常敏感，氢能源车需要设置物理吸附、化学吸附等多道过滤装置来保证进入燃料电池的空气是干净的。这使得氢能源车的前置空气处理装置不仅能够吸附颗粒物，还会过滤掉空气中的有害气体，一定程度上可改善车内空气质量，为乘客提供更健康舒适的乘车环境。

四 氢燃料电池车的缺点

（一）成本方面

制造成本高：氢燃料电池车的制造成本较高，其中一个重要原因是在氢燃料电池发电过程中会用到稀缺的金属铂作为催化剂，这种金属价格昂贵，且大规模生产时，由于没有规模化后成本减少的效应，需求越多反而越贵，这就导致制造成本居高不下。

使用成本高：制造驱动氢燃料电池车的氢气燃料要消耗比普通电动汽车更多的能源，并且污染也可能是个较为严重的问题，这使得其使用成本较高。

（二）技术相关

启动时间长且系统抗震能力待提高：氢燃料电池车存在启动时间长的问题，并且系统的抗震能力还需要进一步提高。

获取纯氢燃料存在技术难点：经济且无污染地获取纯氢燃料还存在技术难点。目前获取氢气的方法存在一些问题，例如电解水制取氢气不太经济，能量损失极大；甲烷转化氢气方面，蒸汽需要加热到较高温度且会产生少量二氧化碳，并且甲烷基础设施的泄露情况可能比想象的更糟糕。

技术门槛高：氢燃料电池技术门槛高，许多国家在这一领域需要大量的投入才可能有实质性的进展。例如我国在氢燃料电池技术方面，一直还没有什么实质性的进展，还需要大力投入才会有收获。

（三）燃料相关

氢气来源有限：地球空气中含有的氢气并不多，虽然可以通过电解水获得氢气，但这一方法耗费电能，在现今并不是一个很经济的方式，不过如果产业规模化，成本或许会下降，但目前来说氢气来源仍然是一个问题。

氢气安全性受质疑：虽然种种研究表明氢气的安全系数比汽油高，但很多人认为氢气瓶就像一个氢弹，氢气的安全性还是会被大众质疑，这对氢燃料的推广造成一定阻碍。

（四）配套设施方面

燃料供应辅助设备复杂：在以甲醇或者汽油为燃料的氢燃料电池车（FCEV）中，经重整器出来的“粗氢气”含有使催化剂“中毒”失效的少量有害气体，必须采用相应的净化装置进行处理，这增加了结构和工艺的复杂性，并使系统变得笨重。

加氢站等基础设施缺乏：加氢站等基础网络设施建设几乎为零，目前全球范围内投入使用的加氢站仅有100多家，且大部分是用于实验用途的。早期基础设施推广阻力大，反过来造成燃料电池汽车销量难以扩大，这是氢燃料电池车发展的一个很大的硬伤。

五 氢燃料电池车出货量情况

终端上牌数据显示，2023年全年氢燃料电池汽车累计实销7760辆，同比2022年的5009辆增长55%，刷新了有史以来的年度销量记录。

数据来源：中国汽车工业协会

2023年出货的燃料电池汽车整车企业约43家。Top10车企总销量5423辆，占总销量的70.9%，Top5车企占比46.4%。前五名依次为宇通氢车销量1122辆，市占率为14.7%；佛山飞驰775辆，占比10.1%；北汽福田650辆，占比8.5%；一汽集团519辆，占比6.8%；东风汽车489辆，占比6.4%。

六 氢燃料电池车企业

  宇通客车：  

宇通作为国内最早一批开展氢燃料客车研发生产的企业，针对氢燃料的技术特性，精准切入应用场景，目前已推出包括客车、公交、环卫、重卡、轻卡等车型在内的全系氢燃料商用车产品。通过落地项目，成功验证“城市公交、客运团体、市政环卫、冷链物流、渣土搅拌、重型牵引”的氢燃料应用场景。

  飞驰科技  ：

公司重点深耕燃料电池汽车领域，始终致力于推广和普及燃料电池汽车，研究燃料电池汽车动力系统构型、燃料电池发动机、电驱动动力总成和面向多能源系统的域控制器，突破氢能高效安全利用、高环境适应性等关键技术，开发高性能燃料电池动力系统共性技术平台，实现多车型推广应用；整合优质资源，与燃料电池汽车产业上下游企业合作共建氢能产业生态和闭环商业应用，共同构建可持续发展的绿色出行解决方案；积极探索燃料电池汽车应用场景，发掘具备高增长潜力燃料汽车细分市场。

  福田汽车 ：

早在2003年，福田汽车就投入新能源领域研发，2006年已抢先布局氢能源领域，完成国内首个燃料电池客车及卡车公告，获得多项国内乃至全球第一。经过二十年潜心研发，福田汽车目前已成熟掌握氢能源商用车技术，产品覆盖客车、物流、冷链、环卫、自卸、牵引等全系列车型，并在全国多地投用。

  一汽解放 ：

一汽解放早在2021年9月就发布了——15333新能源战略，即蓝途行动，围绕纯电、混动、氢能三条技术路线，加快向绿色低碳转型升级，尤其围绕氢能源汽车领域，在氢燃料电池发动机、氢内燃机、储氢系统等关键核心技术上实现了重大突破。解放氢能源车的发布，开启了公司ALL in新能源战略的又一篇章。接下来，公司将不断拓展氢能应用场景，完善氢能生态布局，在氢能产业规模化、市场化和多能互补方面持续发力，助力氢能产业快速发展。

  东风汽车 ：

作为中国汽车工业的领军者，东风汽车始终坚持以技术创新为核心驱动力，不断探索可持续发展的新路径。在2024东风汽车品牌秋季发布会暨第九届科技创新周上，东风汽车惊艳亮相了了一系列新能源与智能化创新技术，现场实物展品更是令人目不暇接。其中，东风轻型车为我们带来了一款智慧氢能轻卡，主打城市内的冷链配送工况。智慧氢能轻卡是东风股份首款基于氢燃料平台打造的4.5T轻卡。顾名思义，氢燃料平台仅兼容氢燃料这一种驱动形式，专一度更高，并针对氢燃料车型工况进行了优化。

  上汽集团  ：

早在2017年，上汽大通就推出上汽大通MAXUS FCV80——这是中国首款商业化运营燃料电池宽体轻客、国内第一款运用全新准入标准的燃料电池轻客车型，也是国际首款燃料电池轻客车型。这意味着，上汽大通率先完成氢能源汽车商业化，实现了全国首批氢能源汽车规模化运营。目前该车型总运营里程超过550万公里。

  厦门金龙 ：

厦门金龙已实现氢燃料关键核心技术持续突破，氢能源商用车产品布局不断完善，并构建了氢能源商用车的大规模商业交付能力，将有力保障“神木模式”下大规模氢能源商用车订单的如期高质量交付。

素材来源：汽车工坊、电动之家等