電池研究院：氫燃料電池與1000km續(xù)航

　　今年5月底，有一臺第二代豐田Mirai氫燃料電池車從法國南郊Orly機場旁邊的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的加氫過程僅僅耗時5分鐘。

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

　　因為氫燃料電池汽車雖然也是純電驅(qū)動的，但氫燃料電池并非傳統(tǒng)的“電池”，而是相當(dāng)于汽油機的能量轉(zhuǎn)換裝置，儲氫罐才是相當(dāng)于油箱/動力電池的儲能裝置。

　　“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)燃機汽車，氫氣進入活塞式內(nèi)燃機燃燒得到動能，進而驅(qū)動汽車。

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

　　豐田是目前設(shè)計制造氫燃料電池乘用車經(jīng)驗最豐富的的廠家。2015年1月，豐田為了拉大家一起進入這個行業(yè)，宣布無償公開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，結(jié)果一舉引爆了中國的造車新勢力浪潮，最多的時候有超過200家注冊公司，只不過現(xiàn)在活下來的就寥寥數(shù)家。氫燃料電池行業(yè)則是另一番景象，目前也就中國某些大企業(yè)的項目組和小的初創(chuàng)企業(yè)有點反響，其他國家基本沒有集體回應(yīng)的。

　　現(xiàn)在說回氫燃料電池技術(shù)，我們以豐田為例。但因為二代Mirai沒有公開透視圖，所以我們繼續(xù)用一代Mirai的圖來講解，原理是完全一致的。

　　首先說明一點，“燃料電池系統(tǒng)”不一定要利用氫氣來發(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。

　　我們先來說物理布局。

　　跟幾乎所有新能源車一樣，如果把它造得過于挑戰(zhàn)常規(guī)審美，車再好也一定賣不出去，比如騰勢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，電動機則放在車頭，因此它是一臺前驅(qū)車。

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

　　下圖簡單明了地說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。

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

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

　　不過因為燃料電池堆棧要用到鉑，就是你們求婚時候用的鉆戒材料，所以堆棧的造價非常貴。

　　此外，燃料電池還有以下幾樣核心技術(shù)，大家簡單了解一下就行：

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

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

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

　　蔚來推出的民用化換電模式，其實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)良過渡方案，結(jié)果被其他利益群體罵得一塌糊涂。只能說句可惜了。

　　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，因為它真的太高能了！

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

　　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”運用起來。

　　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，都可以通過電解水把能量儲藏在氫氣當(dāng)中。

　　堆棧的效率在66%左右，氫燃料電池系統(tǒng)的效率可以達到60%以上，驅(qū)動電機的效率在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時間保持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和聲音，不然你就會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，一個質(zhì)子加一個電子就組成了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)電實用化之后，需要比重力蓄能水庫、飛輪儲能裝置更方便的儲能介質(zhì)，用電來制氫儲能或是將來一大儲能方案，甚至可以成為國家能源安全保障的重要環(huán)節(jié)。

　　二代Mirai起售價高達4.95萬美金，折合人民幣31.6萬元。

　　這可是在美國市場啊，你要知道美國市場買個邁銳寶才多少錢，2.2萬美金。

　　整臺超跑開一下，Corvette也不過5.99萬美金起步，你的龜速Mirai要價4.95美金，掙白左的錢真容易……

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

　　中國制氫量在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)，國家出面在11省份組建了23個制氫項目，響應(yīng)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

　　其中，電解水制氫項目占比30%，焦?fàn)t氣制氫項目占比26%。

　　除了可行性比較強的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，只不過后者目前技術(shù)門檻太高了。

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

　　目前二代Mirai裝了三個氫罐，5.6kg氫氣儲量。豐田并未公布新的壓強數(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)整套儲氫系統(tǒng)重量的5.7%，儲氫裝置占比94.3%。

　　高壓儲氫罐的技術(shù)含量很高，重量輕、強度高、抗?jié)B透、易量產(chǎn)、防顛簸，即使泄露也會通過閥門關(guān)閉自動設(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，其實氫氣的燃燒條件比汽油高多了，而且沒有行車是在開闊空間中，多數(shù)情況只會燃燒不會爆炸。

　　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200萬美元級別的，人民幣也要一千多萬。

　　因此，前期推廣氫燃料電池汽車，更適宜做商業(yè)運營業(yè)務(wù)，點對點少量建站就行了。

　　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。

　　大家都說新能源是環(huán)保的。

　　如果我們的討論過程足夠嚴(yán)謹(jǐn)，那么48V BSG就不會是“新能源”，它只能算作內(nèi)燃機節(jié)能科技的其中一項；HEV非插電輕混也被撇除在外，連國家補貼都從來不為其貢獻一分。

　　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，而純電動汽車還要比它早半個世紀(jì)——那時候的人們還活在蒸汽鍋爐的浪漫煙霧中，并不知“吸/壓/爆/排”四個簡單動作可以徹底改變?nèi)祟悮v史進程。

　　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，而不是排點廢氣那么友好。

　　環(huán)保的新能源很多，比如核能、地?zé)崮?、太陽能、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，有一點是值得玩味的——上述的“新”能量，絕大多數(shù)都會通過“電能”來呈現(xiàn)，而電能卻像是一種服務(wù)產(chǎn)業(yè)，即時生產(chǎn)、即時消費、保存成本與難度極高。

　　有解決方案嗎？有，儲能水電站是其中一個解決方案，而壓縮氫氣是更加理想的存儲、運輸、消費電能的介質(zhì)。

　　我們不敢肯定未來社會一定是屬于“氫”的，氫燃料電池車甚至可能在成本無法大幅降低、加氫站網(wǎng)絡(luò)無法鋪開、制氫與儲氫技術(shù)無法突破等壓力下退出市場成為歷史，但有一點是肯定的：氫能社會所代表的“環(huán)保”理念是真正的環(huán)保，整個氫燃料電池能量轉(zhuǎn)化過程的副產(chǎn)品只有“水”——我們的生命之源。

　　毫無疑問的是，日本是當(dāng)前的氫燃料電池研發(fā)第一大國，中國坐第二把交椅應(yīng)該沒人反對吧？

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

　　此外，韓國因為國境窄小，全國天氣預(yù)報半分鐘能播完，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，比中國要強，中國氫燃料電池產(chǎn)業(yè)暫時“大而不精”。德國也很熱衷氫燃料電池，奔馳寶馬奧迪都有過研發(fā)歷史，奔馳更是希望將系統(tǒng)搬上他們的傳統(tǒng)強項平頭重卡上面。

　　包括氫燃料電池在內(nèi)的燃料電池系統(tǒng)，除了為電動汽車提供電力之外，還能為電動船、住宅供電，再小一點功率的堆?？梢杂米鱑PS應(yīng)急電源、航空電源、移動電源，再大功率的可以在發(fā)電站集中發(fā)電。

　　下表是國際氫能協(xié)會（Hydrogen Council）的主要成員企業(yè)，當(dāng)前協(xié)會一共有109家成員企業(yè)，歐洲企業(yè)不少，但發(fā)力遠(yuǎn)沒有中國日本的大。

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

　　個中緣由就有點陰謀論的成分了：別看中美永遠(yuǎn)在掐架，實際上聯(lián)合國五大善人都是明面在斗，內(nèi)部一直都在維護團體利益一致對外杠的。

　　當(dāng)年日本要用MD機替代CD機，中美一致走MP3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)年日本投重本弄氫燃料電池，中美一致走純電動發(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，看的是大國利益之間的博弈結(jié)果，跟它是否真的環(huán)保，關(guān)系不大。打壓對方的發(fā)展權(quán)才是重中之重。

　　誰跟你說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）