電池研究院：氫燃料電池與1000km續(xù)航

　　今年5月底，有一臺(tái)第二代豐田Mirai氫燃料電池車從法國(guó)南郊Orly機(jī)場(chǎng)旁邊的HysetCo Orly加氫站滿氣出發(fā)，一路行走了1003km才停擺，打破了單次加注氫氣行駛巡航里程的世界紀(jì)錄，而這次5.6kg的加氫過(guò)程僅僅耗時(shí)5分鐘。

　　大家都說(shuō)動(dòng)力電池續(xù)航很差，怎么就有1000km續(xù)航的量產(chǎn)電動(dòng)車了？

　　因?yàn)闅淙剂想姵仄囯m然也是純電驅(qū)動(dòng)的，但氫燃料電池并非傳統(tǒng)的“電池”，而是相當(dāng)于汽油機(jī)的能量轉(zhuǎn)換裝置，儲(chǔ)氫罐才是相當(dāng)于油箱/動(dòng)力電池的儲(chǔ)能裝置。

　　“氫燃料汽車”與“氫燃料電池汽車”是兩種完全不同的事物。

　　氫燃料汽車是內(nèi)燃機(jī)汽車，氫氣進(jìn)入活塞式內(nèi)燃機(jī)燃燒得到動(dòng)能，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)汽車。

　　氫燃料電池汽車是我們今天要聊的主題，氫氣進(jìn)入燃料電池堆棧之后生產(chǎn)電力進(jìn)而驅(qū)動(dòng)汽車，是純電驅(qū)動(dòng)的。

　　豐田是目前設(shè)計(jì)制造氫燃料電池乘用車經(jīng)驗(yàn)最豐富的的廠家。2015年1月，豐田為了拉大家一起進(jìn)入這個(gè)行業(yè)，宣布無(wú)償公開5680件燃料電池汽車專利給業(yè)界，希望用這些花了豐田23年時(shí)間研發(fā)的核心技術(shù)能讓更多企業(yè)入局平攤基建成本。

　　類似的專利共享行為，特斯拉之前也做過(guò)，結(jié)果一舉引爆了中國(guó)的造車新勢(shì)力浪潮，最多的時(shí)候有超過(guò)200家注冊(cè)公司，只不過(guò)現(xiàn)在活下來(lái)的就寥寥數(shù)家。氫燃料電池行業(yè)則是另一番景象，目前也就中國(guó)某些大企業(yè)的項(xiàng)目組和小的初創(chuàng)企業(yè)有點(diǎn)反響，其他國(guó)家基本沒(méi)有集體回應(yīng)的。

　　現(xiàn)在說(shuō)回氫燃料電池技術(shù)，我們以豐田為例。但因?yàn)槎鶰irai沒(méi)有公開透視圖，所以我們繼續(xù)用一代Mirai的圖來(lái)講解，原理是完全一致的。

　　首先說(shuō)明一點(diǎn)，“燃料電池系統(tǒng)”不一定要利用氫氣來(lái)發(fā)電，只是目前比較通用的燃料是氫氣罷了。豐田燃料電池系統(tǒng)有三大組成部分，下面已經(jīng)列出，分別是：堆棧、升壓、氫罐。

　　我們先來(lái)說(shuō)物理布局。

　　跟幾乎所有新能源車一樣，如果把它造得過(guò)于挑戰(zhàn)常規(guī)審美，車再好也一定賣不出去，比如騰勢(shì)300/400/500系列。

　　聰明的燃料電池車生產(chǎn)商依然利用現(xiàn)在的轎車、MPV、SUV車型去打造新車，比如下圖的一代Mirai就把上面提到的三大核心系統(tǒng)放在了兩軸之間，電動(dòng)機(jī)則放在車頭，因此它是一臺(tái)前驅(qū)車。

　　下圖二代Mirai為了提升續(xù)航，增加了一個(gè)大大的中置氫罐，放在連通前后排的鞍座下方，也就是中央扶手箱正下方。

　　下圖簡(jiǎn)單明了地說(shuō)明了氫燃料電池工作的1-6步驟：

　　氫氣與氧氣的反應(yīng)發(fā)生在堆棧當(dāng)中，氫燃料電池整包是由下圖這種一片片的結(jié)構(gòu)組成的。

　　氫氣通過(guò)左邊藍(lán)色的負(fù)極，被催化劑“鉑”分解成電子和氫離子（質(zhì)子），質(zhì)子繼而通過(guò)中間灰色那塊的質(zhì)子交換膜（電解質(zhì)膜），到達(dá)右邊綠色的正極，氫與氧反應(yīng)變成水和熱量。

　　與此同時(shí)，電子從負(fù)極流向正極，產(chǎn)生了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的、從正極流向負(fù)極的外部電流。

　　不過(guò)因?yàn)槿剂想姵囟褩Ｒ玫姐K，就是你們求婚時(shí)候用的鉆戒材料，所以堆棧的造價(jià)非常貴。

　　此外，燃料電池還有以下幾樣核心技術(shù)，大家簡(jiǎn)單了解一下就行：

　　堆棧造價(jià)太高，不宜制造過(guò)大的堆棧，所以氫燃料電池汽車還是得用到鋰離子電池包，不過(guò)容量可以做得很小，只是作為電能的中轉(zhuǎn)站而已，當(dāng)動(dòng)力需求很大時(shí)可以應(yīng)付得上。

　　BEV純電動(dòng)汽車推廣的難處在于補(bǔ)能速度太慢了，即使用上800V電壓平臺(tái)，也需要一個(gè)多小時(shí)才能完成補(bǔ)能，而汽柴油車主早已習(xí)慣了3分鐘完成加油補(bǔ)能。

　　FCV氫燃料電池車的優(yōu)勢(shì)在于，數(shù)公斤的高壓氫氣僅需5分鐘左右就能完成補(bǔ)能，耗時(shí)不過(guò)多了2分鐘而已，而BEV純電動(dòng)汽車則多了30倍。

　　蔚來(lái)推出的民用化換電模式，其實(shí)是在電池能量密度有限、快充速度有限的技術(shù)前提下的優(yōu)良過(guò)渡方案，結(jié)果被其他利益群體罵得一塌糊涂。只能說(shuō)句可惜了。

　　我們從下表的估算值，能了解到氫氣為什么被選作燃料電池的主要能量載體，因?yàn)樗娴奶吣芰耍?/p>

　　不過(guò)跟汽油不同的是，汽油是常壓的，而氫氣必須通過(guò)高壓才能塞進(jìn)這么小的車體里面，因此高壓儲(chǔ)氫罐是一道很高的技術(shù)門檻，下文我們會(huì)提到。

　　如果只是前期推廣，氫氣需求量不大，不需要專門建廠制備，可以把工業(yè)的“副產(chǎn)氣”運(yùn)用起來(lái)。

　　比如氯堿、焦化、鋼鐵、冶金工業(yè)的副產(chǎn)氣，還有更上游的石油焦炭行業(yè)的化石能源重整或者生物質(zhì)熱裂解過(guò)程的副產(chǎn)氣。

　　此外，有些可再生能源發(fā)電站的棄電，比如風(fēng)電光電，甚至核電站的低谷電，都可以通過(guò)電解水把能量?jī)?chǔ)藏在氫氣當(dāng)中。

　　堆棧的效率在66%左右，氫燃料電池系統(tǒng)的效率可以達(dá)到60%以上，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的效率在90%以上，因此氫燃料電池汽車的整體效率比柴油機(jī)要高一截。

　　更重要的是，柴油汽車只有在很窄的轉(zhuǎn)速區(qū)間能得到50%左右的效率，而氫燃料電池汽車可以長(zhǎng)時(shí)間保持55%左右的效率，平均效率高非常多，可節(jié)省很多能源。

　　與活塞式結(jié)構(gòu)不同，質(zhì)子交換膜工作不需要有振動(dòng)和聲音，不然你就會(huì)在車廂里面不斷聽到數(shù)錢（鉑金）的聲音。

　　氫是宇宙當(dāng)中最豐富的化學(xué)元素，一個(gè)質(zhì)子加一個(gè)電子就組成了Hydrogen，因此也是宇宙中最早誕生的元素，比化學(xué)結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜的化石燃料要小清新得多。

　　最重要的是，氫在宇宙中含量極高，氫及其同位素占全部元素的75%，完全不可能枯竭。

　　核聚變發(fā)電實(shí)用化之后，需要比重力蓄能水庫(kù)、飛輪儲(chǔ)能裝置更方便的儲(chǔ)能介質(zhì)，用電來(lái)制氫儲(chǔ)能或是將來(lái)一大儲(chǔ)能方案，甚至可以成為國(guó)家能源安全保障的重要環(huán)節(jié)。

　　二代Mirai起售價(jià)高達(dá)4.95萬(wàn)美金，折合人民幣31.6萬(wàn)元。

　　這可是在美國(guó)市場(chǎng)啊，你要知道美國(guó)市場(chǎng)買個(gè)邁銳寶才多少錢，2.2萬(wàn)美金。

　　整臺(tái)超跑開一下，Corvette也不過(guò)5.99萬(wàn)美金起步，你的龜速M(fèi)irai要價(jià)4.95美金，掙白左的錢真容易……

　　不過(guò)不是豐田不厚道，一代Mirai要價(jià)5.75美元，跟超跑Corvette基本持平，二代已經(jīng)降價(jià)了，但受限于鉑催化劑成本和堆棧造價(jià)，氫燃料電池汽車短期內(nèi)不可能便宜下去。

　　中國(guó)制氫量在2009年開始就是全球第一了，但依然不太夠用。為了扶持氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)，國(guó)家出面在11省份組建了23個(gè)制氫項(xiàng)目，響應(yīng)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

　　其中，電解水制氫項(xiàng)目占比30%，焦?fàn)t氣制氫項(xiàng)目占比26%。

　　除了可行性比較強(qiáng)的4種制氫法之外，我們還可以考慮廢塑料制氫、光合生物制氫、農(nóng)作物生物質(zhì)制氫，只不過(guò)后者目前技術(shù)門檻太高了。

　　儲(chǔ)氫裝置技術(shù)門檻高，成本也高。我們現(xiàn)在有四種主要的氫氣儲(chǔ)藏方式，氫燃料電池汽車用的是加壓，一般壓到700個(gè)大氣壓就接近極限了，再高的話成本太高。

　　目前二代Mirai裝了三個(gè)氫罐，5.6kg氫氣儲(chǔ)量。豐田并未公布新的壓強(qiáng)數(shù)據(jù)，而一代Mirai用的是70MPa氫罐，重量百分比為5.7wt%，意味著氫氣占據(jù)整套儲(chǔ)氫系統(tǒng)重量的5.7%，儲(chǔ)氫裝置占比94.3%。

　　高壓儲(chǔ)氫罐的技術(shù)含量很高，重量輕、強(qiáng)度高、抗?jié)B透、易量產(chǎn)、防顛簸，即使泄露也會(huì)通過(guò)閥門關(guān)閉自動(dòng)設(shè)備防止氫氣傳入車艙內(nèi)部。至于大家質(zhì)疑的碰撞爆炸風(fēng)險(xiǎn)，其實(shí)氫氣的燃燒條件比汽油高多了，而且沒(méi)有行車是在開闊空間中，多數(shù)情況只會(huì)燃燒不會(huì)爆炸。

　　目前妨礙氫燃料電池汽車推廣的一大軟肋是加氫站的建站成本是在太高了，隨便都是200萬(wàn)美元級(jí)別的，人民幣也要一千多萬(wàn)。

　　因此，前期推廣氫燃料電池汽車，更適宜做商業(yè)運(yùn)營(yíng)業(yè)務(wù)，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)少量建站就行了。

　　不然，你一邊要維持加油站的密度，一邊大興土木建設(shè)充電站，一邊花重金大搞加氫站，基建狂魔也受不了這吞金獸。

　　大家都說(shuō)新能源是環(huán)保的。

　　如果我們的討論過(guò)程足夠嚴(yán)謹(jǐn)，那么48V BSG就不會(huì)是“新能源”，它只能算作內(nèi)燃機(jī)節(jié)能科技的其中一項(xiàng)；HEV非插電輕混也被撇除在外，連國(guó)家補(bǔ)貼都從來(lái)不為其貢獻(xiàn)一分。

　　若要深研“新能源”編年史，以二次電池為精神要領(lǐng)的BEV純電車型也將面臨“裝嫩”彈劾，畢竟汽油車發(fā)明自19世紀(jì)80年代，而純電動(dòng)汽車還要比它早半個(gè)世紀(jì)——那時(shí)候的人們還活在蒸汽鍋爐的浪漫煙霧中，并不知“吸/壓/爆/排”四個(gè)簡(jiǎn)單動(dòng)作可以徹底改變?nèi)祟悮v史進(jìn)程。

　　于是我們陷入沉思，何為“新”能源？

　　BEV純電車并不新，而且污染非?？膳?，整的都是寸草不生的重金屬污染，而不是排點(diǎn)廢氣那么友好。

　　環(huán)保的新能源很多，比如核能、地?zé)崮堋⑻?yáng)能、潮汐能、風(fēng)能、水能（海洋能）、生物質(zhì)能，其中以核能效率最高。

　　不過(guò)，有一點(diǎn)是值得玩味的——上述的“新”能量，絕大多數(shù)都會(huì)通過(guò)“電能”來(lái)呈現(xiàn)，而電能卻像是一種服務(wù)產(chǎn)業(yè)，即時(shí)生產(chǎn)、即時(shí)消費(fèi)、保存成本與難度極高。

　　有解決方案嗎？有，儲(chǔ)能水電站是其中一個(gè)解決方案，而壓縮氫氣是更加理想的存儲(chǔ)、運(yùn)輸、消費(fèi)電能的介質(zhì)。

　　我們不敢肯定未來(lái)社會(huì)一定是屬于“氫”的，氫燃料電池車甚至可能在成本無(wú)法大幅降低、加氫站網(wǎng)絡(luò)無(wú)法鋪開、制氫與儲(chǔ)氫技術(shù)無(wú)法突破等壓力下退出市場(chǎng)成為歷史，但有一點(diǎn)是肯定的：氫能社會(huì)所代表的“環(huán)保”理念是真正的環(huán)保，整個(gè)氫燃料電池能量轉(zhuǎn)化過(guò)程的副產(chǎn)品只有“水”——我們的生命之源。

　　毫無(wú)疑問(wèn)的是，日本是當(dāng)前的氫燃料電池研發(fā)第一大國(guó)，中國(guó)坐第二把交椅應(yīng)該沒(méi)人反對(duì)吧？

　　為了扶持車企研發(fā)氫燃料電池汽車，中石化計(jì)劃在十四五期間建造1000座加氫站。2020年，中國(guó)燃料電池價(jià)值鏈投融資達(dá)到515.2億元，同比增長(zhǎng)78.5％。

　　此外，韓國(guó)因?yàn)閲?guó)境窄小，全國(guó)天氣預(yù)報(bào)半分鐘能播完，所以也在跟著整氫燃料電池，技術(shù)完成度不比日本差太多，比中國(guó)要強(qiáng)，中國(guó)氫燃料電池產(chǎn)業(yè)暫時(shí)“大而不精”。德國(guó)也很熱衷氫燃料電池，奔馳寶馬奧迪都有過(guò)研發(fā)歷史，奔馳更是希望將系統(tǒng)搬上他們的傳統(tǒng)強(qiáng)項(xiàng)平頭重卡上面。

　　包括氫燃料電池在內(nèi)的燃料電池系統(tǒng)，除了為電動(dòng)汽車提供電力之外，還能為電動(dòng)船、住宅供電，再小一點(diǎn)功率的堆棧可以用作UPS應(yīng)急電源、航空電源、移動(dòng)電源，再大功率的可以在發(fā)電站集中發(fā)電。

　　下表是國(guó)際氫能協(xié)會(huì)（Hydrogen Council）的主要成員企業(yè)，當(dāng)前協(xié)會(huì)一共有109家成員企業(yè)，歐洲企業(yè)不少，但發(fā)力遠(yuǎn)沒(méi)有中國(guó)日本的大。

　　然而中國(guó)并非氫燃料電池的熱衷粉絲，我更愿意相信中國(guó)把氫燃料電池看作第二條賽道，可進(jìn)可退的替代方案。我兔真正傾情的不是FCV方案，而是BEV純電動(dòng)車方案。

　　個(gè)中緣由就有點(diǎn)陰謀論的成分了：別看中美永遠(yuǎn)在掐架，實(shí)際上聯(lián)合國(guó)五大善人都是明面在斗，內(nèi)部一直都在維護(hù)團(tuán)體利益一致對(duì)外杠的。

　　當(dāng)年日本要用MD機(jī)替代CD機(jī)，中美一致走M(jìn)P3路線甩開日本；當(dāng)年日本鐘情等離子面板，中美一致走液晶路線；當(dāng)年日本投重本弄?dú)淙剂想姵?，中美一致走純電?dòng)發(fā)展路線。豐田是近年才終于投了幾百億去大力研發(fā)純電動(dòng)的，你現(xiàn)在才發(fā)現(xiàn)中美不帶你玩？

　　氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)最終是否能立起來(lái)，看的是大國(guó)利益之間的博弈結(jié)果，跟它是否真的環(huán)保，關(guān)系不大。打壓對(duì)方的發(fā)展權(quán)才是重中之重。

　　誰(shuí)跟你說(shuō)抑制全球變暖是為了環(huán)保的？格局小了哈。

（圖/文/攝：太平洋汽車網(wǎng) 黃恒樂(lè)）