氫燃料電池汽車 還有未來嗎?


一、導讀

近日,日本汽車生產商本田宣布8月停產旗下一款氫燃料電池汽車(Clarity Fuel Cell),不過,該公司表示,未來仍會繼續推進氫燃料電池技術的研發工作。消息一出,瞬間引發廣泛關注,有唱衰氫能源車發展未來的,有保持觀望的。確實,按照本田當初的發展計劃,氫燃料電池汽車(簡稱“氫電汽車”)同純電汽車都占據非常重要的位置,并期望在2035年,其總規模能夠達到總銷量的八成左右?,F在,氫電汽車出師不利,最終的重擔將幾乎壓在純電身上。

圖1 Clarity Fuel Cell汽車 @honda

其實,早在今年年初,另一家日本汽車企業日產就已經宣布停止與福特及戴姆勒公司開發氫能源汽車電池的項目。此外,歐美眾多車企也紛紛將戰略中心轉移到純電汽車,放棄氫電汽車量產。目前,主推氫電汽車的企業只剩下日本豐田與韓國現代,特別是豐田公司,在近些年的CES展、車展上,反復推廣氫能作為“終極能源”的優勢,例如,在2015年的CES展上,豐田宣布開放氫燃料電池技術專利的使用權,但仍未能實現氫電汽車在全球的生產與銷售熱潮,最后,僅剩自己仍堅守著這一未來夢想之地。

回到目前正在舉行的奧運會上,今年的奧運可謂到處充斥著“氫”的味道,從史上首次采用氫氣維持奧運圣火的燃燒,到奧運村所在地的氫能住宅(采用松下研發的燃料電池,通過天然氣制氫,用氫發電和供暖),以及官方用車中的500輛豐田氫電汽車。例如,奧運場館的擺渡車——氫燃料電池驅動的Sora巴士就充斥著滿滿的科技感,可載客77人。

圖2 SORA氫電巴士 @Toyota

那么,一邊是市場的不溫不火,一邊是極力推動的少數車企,氫電汽車究竟是末日危機還是鳳凰涅槃?

二、氫電汽車緣起

目前,氫能源車的主要廠商主要有:日產+福特+戴姆勒、本田+通用、豐田+寶馬,及現代+奧迪,大多通過聯合開發或一方提供氫燃料電池技術的方式共同推進氫電汽車的生產。從這一信息可知,這項技術的開發必定耗資不菲,那么,氫電汽車與傳統燃油、當下純電之間的差異究竟在哪?

下面,我們先來看一則短片,了解有關氫電汽車的基本運行模式:

氫電汽車原理視頻 @VOLVO

氫燃料電池汽車,從名稱上看,似乎有個“電池”,和“鋰電池”汽車似乎很相似,不過,從科學角度而言,它們并不相同或者更嚴謹的說,不盡相同。燃料電池的組成部分也包括正負極和電解質,但它并不像鋰電池一樣,屬于“儲能”系統,而更像是一個“發電”系統,整個過程可以看做是水分解的逆反應,發電過程需要氫氣作為原料,來實現化學能向電能的轉換過程。

圖3 氫電汽車結構圖 @美國能源部

圖3?是氫電汽車的主要構造圖,其中,除了核心的燃料電池堆(fuel cell stack以外,必不可少的還有電池組(battery pack),用于儲存燃料電池的電能來和燃料電池一起驅動電動機的運轉,因此,氫電汽車更像是“混合動力”的新能源汽車,只不過排放的是水。那么,為什么需要鋰電池的輔助?因為燃料電池的輸出功率不能滿足實際運行的需要,很多需要較高峰值功率的情況下,必須有電池的輔助功能才能實現汽車的正常運轉。因此,很多人將氫電汽車稱之為“增程式電動汽車”,也就是可以自己發電的電動車。

圖4 純電汽車結構圖 @美國能源部

話說,沒有對比就沒有傷害,也看不出采用不同技術的汽車之間的差別,圖4的純電動汽車結構圖清晰的表明了這一點。氫電汽車明顯的笨重的氫氣儲存瓶以及相應的一系列控制系統顯得整體比較臃腫,系統的集成度和優化要求更高,因此,相應的成本應該會更高。

不過,成本究竟高在哪?

1)燃料電池成本

我們回到氫燃料電池堆,上述視頻中,氫分子轉化為質子需要催化劑才能實現,而這一催化劑就是,國際上目前比較先進的技術可以實現~0.2 g/kW的鉑用量,而國內目前差不多得0.4 g/kW左右,那么,一輛100 kW的汽車需要大約40 g左右的鉑金,約合人民幣9 000元左右(按照7月末國內鉑金價格計算)。目前,國外最新技術已經實現了~0.06 g/kW的載鉑量,而本田Clarity車型的催化劑載鉑量已經實現 ~0.12 g/kw的水平,豐田Mirai車型也實現了~0.17?g/kw的技術。日企已經實現了較低的鉑用量,但依舊宣布停產,那么,還有什么因素?這里面當然還包括高質量質子交換膜、控制系統等組件的技術研發,這些都是核心技術,不過,我們還應該考慮另一個因素。

2)氫鏈條成本

別忘了,氫電汽車吃的是,放的是(可以形象比喻為“撒尿”車),這和傳統燃油車吃的是,放的是“撒氣”車)有些類似,也就是需要有足夠的加氫站。國內加氫站主要采用壓縮氣體供氫,氫氣壓縮機的成本就占了總成本的近三成,再加上儲氫、冷卻、安全等系統,總價大約1500萬人民幣。不過,這只是對于采用外部供氫的加氫站而言,如果建設制氫加氫一體站,成本更高,例如,美國加州采用電解水制氫的HyGen加氫站。

目前,國內加氫站的氫氣售價約為一公斤60元,一輛氫電動力公交車百公里大約需要6 kg氫氣,差不多360元左右(數據來源:燃料電池與氫能觀察),而同里程下,采用柴油的成本約為200元,可見氫電汽車的成本很高。至于乘用車,本田、豐田等氫電車的售價目前大約在40萬起步,例如,2019年,豐田MIRAI的售價約為46萬人民幣。

圖5 ?美國燃料價格走勢圖 @美國能源部

圖5來自美國能源部的最新價格走勢可得,相比較替代燃料、汽柴油等能源,電能的價格最低,因而,鋰電池驅動的汽車為何能快速普及,除了技術本身的原因外,成本是另一大重要,甚至是關鍵因素。

當然,氫氣作為燃料,另一個因素也需要考量,那就是安全性,氫-空氣混合物的爆炸極限為4%~75%,如此寬的范圍是其他燃料無法企及的,因此,氫氣一旦泄露,危險隨處可見。當然,氫氣本身密度小,極易擴散,如果發現及時,可以及時清除,但這需要非常精準的檢測技術,并且保證危急情況不失效。此外,作為極小尺寸的分子,氫很容易滲入金屬內部,導致所謂“氫脆”現象,這對于儲氫瓶來說是致命的,盡管目前采用的四型儲氫瓶已大大提高了安全系數。

最后,我們還需要思考一個問題,氫能是否是所謂的“終極能源”?

不管是氫燃料電池,還是加氫站,氫氣是核心原料,但氫氣和石油、煤炭、天然氣等化石能源不同,目前主要通過含氫物質進行制取,而制氫路徑就是一個需要考慮環境影響的步驟了。一般將氫氣分為三色,即,采用化石燃料裂解得到的灰氫、采用天然氣等重整得到的藍氫,以及利用可再生能源制備的綠氫。目前,氫氣主要的供應鏈來自灰氫,藍氫正在逐步發展,而最環保的綠氫則還遠遠未達到工業化水平?;覛涞纳a屬于高耗能、高污染,并排放出大量的溫室氣體,這對于本想實現碳中和的人類而言,并不是絕佳路徑。綠氫是終極夢想,例如,風能和太陽能發電來分解水得到的氫氣,以及目前依舊處于實驗室階段的光解水制氫。

綜上,氫電汽車表面上看是一個汽車技術更替的話題,但其中涉及制備、運輸、存儲、運行等大量環節。盡管燃料電池的能量轉化率高(45%以上),并且不受卡諾循環的限制,但目前并不能獨立實現汽車驅動,還需電池的輔助,而其口糧——氫氣的產業鏈需要全局謀劃、政策扶持與大量資金投入,當然,最重要的是基礎研究還需突破。這遠非車企自身能完成,或者說,幾乎是不可能完成的任務。這也就是為何不少企業紛紛退出。不過,停產不代表停止研發,也不代表氫能汽車不適合未來發展,只不過時機尚未成熟。

三、突破與延續

站在碳達峰與碳中和的歷史發展節點來看,以風、光、電、氫、核為主的新能源必將擔起未來人類能源供給側的大任,這一點是毋庸置疑的。但是,同電能相比,氫能的技術條件更為苛刻,實現走入百姓家的現實還需很長的路要走。去年底,國務院辦公廳印發的《新能源汽車產業發展規劃(2021-2035年)》指出,力爭經過15年的發展,燃料電池汽車實現商業化應用,氫燃料供給體系建設穩步推進,開展先進模塊化動力電池與燃料電池系統技術攻關,支持有條件的地區開展燃料電池汽車商業化示范運行。因此,從長遠來看,氫電汽車最終將會同純電、混合動力形成共存的新能源運輸體系。

從基礎研究角度來看,光解水、固態儲氫材料、氫脆機制的研究、氫的物理化學特性、含氫有機物的綠色制氫等領域仍需要不斷開拓。例如,如果能實現固態儲氫與供氫,那么汽車就不需要扛著鋼瓶到處跑了。但,我們仍舊需要清楚的認識到,基礎研究的突破需要很漫長的發展,因為,科研可以不計成本,但應用必須計算成本。能發表的不一定能上路,能上路的可能不適合發表。

恰逢奧運,遙想57年前的東京奧運會,新干線成為全球首個商業化運營的高速鐵路;回望今朝,氫能可以帶給人類新的期盼。

本文由Free-Writon供稿。

本內容為作者獨立觀點,不代表材料人網立場。

未經允許不得轉載,授權事宜請聯系kefu@cailiaoren.com。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀,投稿郵箱: tougao@cailiaoren.com.

投稿以及內容合作可加編輯微信:cailiaorenVIP。

分享到