氢燃料电池汽车 还有未来吗？

一、导读

近日，日本汽车生产商本田宣布8月停产旗下一款氢燃料电池汽车（Clarity Fuel Cell），不过，该公司表示，未来仍会继续推进氢燃料电池技术的研发工作。消息一出，瞬间引发广泛关注，有唱衰氢能源车发展未来的，有保持观望的。确实，按照本田当初的发展计划，氢燃料电池汽车（简称“氢电汽车”）同纯电汽车都占据非常重要的位置，并期望在2035年，其总规模能够达到总销量的八成左右。现在，氢电汽车出师不利，最终的重担将几乎压在纯电身上。

图1 Clarity Fuel Cell汽车 @honda

其实，早在今年年初，另一家日本汽车企业日产就已经宣布停止与福特及戴姆勒公司开发氢能源汽车电池的项目。此外，欧美众多车企也纷纷将战略中心转移到纯电汽车，放弃氢电汽车量产。目前，主推氢电汽车的企业只剩下日本丰田与韩国现代，特别是丰田公司，在近些年的CES展、车展上，反复推广氢能作为“终极能源”的优势，例如，在2015年的CES展上，丰田宣布开放氢燃料电池技术专利的使用权，但仍未能实现氢电汽车在全球的生产与销售热潮，最后，仅剩自己仍坚守着这一未来梦想之地。

回到目前正在举行的奥运会上，今年的奥运可谓到处充斥着“氢”的味道，从史上首次采用氢气维持奥运圣火的燃烧，到奥运村所在地的氢能住宅（采用松下研发的燃料电池，通过天然气制氢，用氢发电和供暖），以及官方用车中的500辆丰田氢电汽车。例如，奥运场馆的摆渡车——氢燃料电池驱动的Sora巴士就充斥着满满的科技感，可载客77人。

图2 SORA氢电巴士 @Toyota

那么，一边是市场的不温不火，一边是极力推动的少数车企，氢电汽车究竟是末日危机还是凤凰涅槃？

二、氢电汽车缘起

目前，氢能源车的主要厂商主要有：日产+福特+戴姆勒、本田+通用、丰田+宝马，及现代+奥迪，大多通过联合开发或一方提供氢燃料电池技术的方式共同推进氢电汽车的生产。从这一信息可知，这项技术的开发必定耗资不菲，那么，氢电汽车与传统燃油、当下纯电之间的差异究竟在哪？

下面，我们先来看一则短片，了解有关氢电汽车的基本运行模式：

氢电汽车原理视频 @VOLVO

氢燃料电池汽车，从名称上看，似乎有个“电池”，和“锂电池”汽车似乎很相似，不过，从科学角度而言，它们并不相同或者更严谨的说，不尽相同。燃料电池的组成部分也包括正负极和电解质，但它并不像锂电池一样，属于“储能”系统，而更像是一个“发电”系统，整个过程可以看做是水分解的逆反应，发电过程需要氢气作为原料，来实现化学能向电能的转换过程。

图3 氢电汽车结构图 @美国能源部

图3 是氢电汽车的主要构造图，其中，除了核心的燃料电池堆（fuel cell stack）以外，必不可少的还有电池组（battery pack），用于储存燃料电池的电能来和燃料电池一起驱动电动机的运转，因此，氢电汽车更像是“混合动力”的新能源汽车，只不过排放的是水。那么，为什么需要锂电池的辅助？因为燃料电池的输出功率不能满足实际运行的需要，很多需要较高峰值功率的情况下，必须有电池的辅助功能才能实现汽车的正常运转。因此，很多人将氢电汽车称之为“增程式电动汽车”，也就是可以自己发电的电动车。

图4 纯电汽车结构图 @美国能源部

话说，没有对比就没有伤害，也看不出采用不同技术的汽车之间的差别，图4的纯电动汽车结构图清晰的表明了这一点。氢电汽车明显的笨重的氢气储存瓶以及相应的一系列控制系统显得整体比较臃肿，系统的集成度和优化要求更高，因此，相应的成本应该会更高。

不过，成本究竟高在哪？

1）燃料电池成本

我们回到氢燃料电池堆，上述视频中，氢分子转化为质子需要催化剂才能实现，而这一催化剂就是铂，国际上目前比较先进的技术可以实现~0.2 g/kW的铂用量，而国内目前差不多得0.4 g/kW左右，那么，一辆100 kW的汽车需要大约40 g左右的铂金，约合人民币9 000元左右（按照7月末国内铂金价格计算）。目前，国外最新技术已经实现了~0.06 g/kW的载铂量，而本田Clarity车型的催化剂载铂量已经实现 ~0.12 g/kw的水平，丰田Mirai车型也实现了~0.17 g/kw的技术。日企已经实现了较低的铂用量，但依旧宣布停产，那么，还有什么因素？这里面当然还包括高质量质子交换膜、控制系统等组件的技术研发，这些都是核心技术，不过，我们还应该考虑另一个因素。

2）氢链条成本

别忘了，氢电汽车吃的是氢，放的是水（可以形象比喻为“撒尿”车），这和传统燃油车吃的是油，放的是气（“撒气”车）有些类似，也就是需要有足够的加氢站。国内加氢站主要采用压缩气体供氢，氢气压缩机的成本就占了总成本的近三成，再加上储氢、冷却、安全等系统，总价大约1500万人民币。不过，这只是对于采用外部供氢的加氢站而言，如果建设制氢加氢一体站，成本更高，例如，美国加州采用电解水制氢的HyGen加氢站。

目前，国内加氢站的氢气售价约为一公斤60元，一辆氢电动力公交车百公里大约需要6 kg氢气，差不多360元左右（数据来源：燃料电池与氢能观察），而同里程下，采用柴油的成本约为200元，可见氢电汽车的成本很高。至于乘用车，本田、丰田等氢电车的售价目前大约在40万起步，例如，2019年，丰田MIRAI的售价约为46万人民币。

图5  美国燃料价格走势图 @美国能源部

从图5来自美国能源部的最新价格走势可得，相比较替代燃料、汽柴油等能源，电能的价格最低，因而，锂电池驱动的汽车为何能快速普及，除了技术本身的原因外，成本是另一大重要，甚至是关键因素。

当然，氢气作为燃料，另一个因素也需要考量，那就是安全性，氢-空气混合物的爆炸极限为4%～75%，如此宽的范围是其他燃料无法企及的，因此，氢气一旦泄露，危险随处可见。当然，氢气本身密度小，极易扩散，如果发现及时，可以及时清除，但这需要非常精准的检测技术，并且保证危急情况不失效。此外，作为极小尺寸的分子，氢很容易渗入金属内部，导致所谓“氢脆”现象，这对于储氢瓶来说是致命的，尽管目前采用的四型储氢瓶已大大提高了安全系数。

最后，我们还需要思考一个问题，氢能是否是所谓的“终极能源”？

不管是氢燃料电池，还是加氢站，氢气是核心原料，但氢气和石油、煤炭、天然气等化石能源不同，目前主要通过含氢物质进行制取，而制氢路径就是一个需要考虑环境影响的步骤了。一般将氢气分为三色，即，采用化石燃料裂解得到的灰氢、采用天然气等重整得到的蓝氢，以及利用可再生能源制备的绿氢。目前，氢气主要的供应链来自灰氢，蓝氢正在逐步发展，而最环保的绿氢则还远远未达到工业化水平。灰氢的生产属于高耗能、高污染，并排放出大量的温室气体，这对于本想实现碳中和的人类而言，并不是绝佳路径。绿氢是终极梦想，例如，风能和太阳能发电来分解水得到的氢气，以及目前依旧处于实验室阶段的光解水制氢。

综上，氢电汽车表面上看是一个汽车技术更替的话题，但其中涉及制备、运输、存储、运行等大量环节。尽管燃料电池的能量转化率高（45%以上），并且不受卡诺循环的限制，但目前并不能独立实现汽车驱动，还需电池的辅助，而其口粮——氢气的产业链需要全局谋划、政策扶持与大量资金投入，当然，最重要的是基础研究还需突破。这远非车企自身能完成，或者说，几乎是不可能完成的任务。这也就是为何不少企业纷纷退出。不过，停产不代表停止研发，也不代表氢能汽车不适合未来发展，只不过时机尚未成熟。

三、突破与延续

站在碳达峰与碳中和的历史发展节点来看，以风、光、电、氢、核为主的新能源必将担起未来人类能源供给侧的大任，这一点是毋庸置疑的。但是，同电能相比，氢能的技术条件更为苛刻，实现走入百姓家的现实还需很长的路要走。去年底，国务院办公厅印发的《新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）》指出，力争经过15年的发展，燃料电池汽车实现商业化应用，氢燃料供给体系建设稳步推进，开展先进模块化动力电池与燃料电池系统技术攻关，支持有条件的地区开展燃料电池汽车商业化示范运行。因此，从长远来看，氢电汽车最终将会同纯电、混合动力形成共存的新能源运输体系。

从基础研究角度来看，光解水、固态储氢材料、氢脆机制的研究、氢的物理化学特性、含氢有机物的绿色制氢等领域仍需要不断开拓。例如，如果能实现固态储氢与供氢，那么汽车就不需要扛着钢瓶到处跑了。但，我们仍旧需要清楚的认识到，基础研究的突破需要很漫长的发展，因为，科研可以不计成本，但应用必须计算成本。能发表的不一定能上路，能上路的可能不适合发表。

恰逢奥运，遥想57年前的东京奥运会，新干线成为全球首个商业化运营的高速铁路；回望今朝，氢能可以带给人类新的期盼。

本文由Free-Writon供稿。

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