氫燃料電池——是終極方案還是愚蠢的投資?

作者:大競   |   2012 / 09 / 26

文章來源:車云網   |   圖片來源:Joyce


2018 年 5 月初,在日本首相安倍晉三的陪同下,中國總理參觀了豐田(Toyota, 7203-JP)北海道生產線的一台 Mirai 氫燃料電池車。照片中,總理一臉凝重。

加氫 3 分鐘,續航 600 公里。對比飽受白名單呵護與資本青睞的動力電池:“快充 20 分鐘,續航 300 公里”已經是業內翹楚。“被騙了!動力電池是大煽動,氫燃料電池才是終極能源方案!”這樣的報導鋪天蓋地而來。配著總理的表情,一時掀翻了中國輿論。

宇宙第一元素,終極的清潔能源——身負盛名,氫是救世主?是炸碎動力電池統治的重磅炸彈?又或者,難成大器,如鋼鐵俠 Elon Musk 所言:“氫燃料電池的投資非常愚蠢”。

純電動一路狂飆,氫能源暗自磨刀

2017 年,全球純電動車銷量 122 萬輛,相比 2016 年成長近五成。得益於政府的鼓勵政策,中國的純電動車銷量 65.2 萬輛,撐起了半個地球。反觀氫燃料電池車,2013 年到 2018 年,累計銷量 6475 輛,其中 75% 的銷量由豐田(Toyota, 7203-JP)貢獻。

“產業化落後了不止十年!”看衰氫能源車的人聲稱。然而,主流動力電池的局限,業內人都一清二楚。即使是 Model 3 所採用的,目前能量密度最高的三元鋰電池 21700,能量密度也不過是 300Wh/kg,快充 30 分鐘,續航 210 公里。

可是充滿氫燃料電池車的兩個儲氫罐只需 3 分鐘,續航里程達 600 公里。單純從用戶體驗和擺脫里程焦慮的角度,氫燃料電池有碾壓優勢。

雖然純電車的急先鋒馬斯克號稱,下一代的 Tesla 將會擁有長達 800 公里續航能力的電池,但是業內人一清二楚,目前高鎳三元鋰電池如 811 尚且面臨多種技術挑戰,鎳的用量增加之後,會導致相應的電極材料的結構穩定性降低,從而導致電池循環壽命和安全性大幅降低。

氫氣1個標準大氣壓密度為 0.0899 克/升,熱值為 1.4 億焦/kg,也就是大約 1 公斤氫氣完全釋放能量有 39 度電,轉換效率最高 60%,按 500 公里 80 度電算需要 3.45 公斤氫氣(以 Mirai 為例),大約 38375 升體積,用 60 升高壓罐​​裝需要加壓到 639 個大氣壓。目前豐田(Toyota, 7203-JP)和本田(Honda, 7267-JP)已經將 70MPa 的高壓儲氫罐應用於量產,氫燃料電池車一口氣跑 500 公里不是個問題,背一個儲氫罐就能搞定。

事實上,身為化學元素週期表上的第一元素,氫生來是種“宇宙黑科技”。雖然在地球上易於逃逸,常以化合物的身份存在,但在廣袤宇宙之中,氫是含量最豐富的元素——太陽就日以繼夜地進行氫聚合反應,釋放出巨大的能量,為太陽繫帶來光明與生命。

而地球之上,所有人類活動都建立在能源之上,人類生活水平的提高,必須以人均消耗能源的提升為基礎。人類歷史上每一次成功的能源變革,都有一個清晰的主線邏輯,就是能量密度(或者說熱值)出現數量級上的躍升。

如煤炭能量密度是木柴的 160 倍,石油約為煤炭的 2 倍。這類似英爾特創辦人格魯夫在 IT 領域提出的 10 倍速原理,即能夠成功顛覆(10 倍提升)的新技術一旦出現,便會星火燎原,摧枯拉朽。這反映在煤炭替代柴薪,石油替代煤炭之上。

而除去能量密度,更清潔亦是能源發展的線索:從伐薪燒炭到發現煤炭,再到利用石油,利用天然氣,能源的進化史事實上是一場“脫碳的革命”——如果薪柴的碳元素含量是一百個碳單位,煤炭的碳含量是十個碳單位,石油的碳含量減少到了一個碳單位。煤炭相比薪柴更清潔,石油相比煤炭更清潔;到了氫,由於不含碳,燃燒後的產物是水,因此可看作是“零碳排放”的高清潔能源。

縱觀能源史,從能量密度和含碳量的歷史規律上,氫燃料電池給了人們許多的想像空間—— 動力電池難堪能源變革的重任,氫能源才是終極能源?

難怪動力電池一路狂飆背後,以豐田(Toyota, 7203-JP)為首的企業暗暗磨刀,準備為開拓氫燃料電池而披荊斬棘。而馬斯克等人為什麼會輕視氫燃料電池車是種“傻瓜能源”呢?加州的 ZEV 法案(類似於中國的雙積分),讓做出零排放的 Model S 的 Tesla 從通用等傳統車企手裡賺了不少積分錢,而豐田(Toyota, 7203-JP)、本田(Honda, 7267-JP)FCV 的推出顯然是來“砸場子”的。早在 2013 年,特斯拉(Tesla, TSLA-US)通過賣 Model S 的積分就大賺 1.4 億美金,一度實現盈利。而氫燃料電池由於超高的續航里程和 0 排放量,積分超過 BEV。

馬斯克看到有人搶他生意,怎能不急?

宇宙黑科技受到質疑

氫燃料電池的工作原理遠沒有“宇宙黑科技”的名頭那麼複雜。說白了,就是氫氣和氧氣化合反應生成水、電,放出熱量。所以原料一邊是空氣,一邊是用各種方式提取出來的高純度氫氣。

氫分子又小又活潑。它透過質子膜時,電子被從分子上剝離,只留下帶正電的氫質子通過,氫質子被吸引到薄膜另一側的電極與氧分子結合。電解質薄膜兩側的電極板將氫氣拆分成氫離子(正電)和電子、將氧氣拆分成氧離子(負電)和電子,電子在電極板之間形成電流,兩個氫離子和一個氧離子結合成為水,是反應的唯一廢物。

整個過程可以理解成蚊子無法穿過紗窗,但是更小的灰塵卻可以。那麼“紗窗”——質子交換膜就是這一過程中最核心的技術。質子交換膜中又以鉑金(Pt)為催化劑,Mirai 用了約 100 克鉑,按照現在 181 元/克計算,催化劑就用了近 2 萬塊。質子交換膜以杜邦(EI Du Pont De Nemours And Co, DD-US)的 Nafion 為例,約為一平方公分 10 元人民幣,按照用量一平方公尺計算,光是質子交換膜的成本就在 10 萬元左右。另外還需高壓儲氫罐成本 6 萬。

橫向比較,傳統汽油車 2L 發動機的成本約為 3 萬元,鋰電池成本約 1.2 元/Wh, Tesla 主流配置的 75 KWh 三元鋰電池成本約為 9 萬。兩相對比,氫燃料電池的成本還是高出不少,現階段不靠政府補貼很難走下去。

另一方面,氫的製備技術雖然較為成熟,但全世界 96% 的氫都來源於化石能源的產業鏈條。可是顯然,依賴石油化工是沒有未來的,氫的製備若要真的綠色環保,還是要大力發展那 4% 的電解水方式——特別是生物製氫和太陽能電解水。

安全,則是另一個重大問題。

對於氫,人類曾經有過非常痛苦的記憶。1937 年,曾經成功 12 次往返大西洋兩岸的德國豪華氫氣飛艇“興登堡”號,即將降落在美國新澤西州萊克赫斯特鎮。由於這是一艘世界最豪華的飛艇,豪華程度碾壓泰坦尼克號。它滿載著名流,現場有 22 架攝像機和眾多記者迎接“興登堡”號的降落。誰知在降落過程中飛艇突然著火,尾部爆炸,頓時在空中燃成了一團火球,造成 37 人死亡。鏡頭被直播給了全世界,造成巨大的震動。

儘管至今對於事故成因依然爭論不休,但氫氣易燃易爆確是不爭的事實。此世故結束了飛艇的歷史使命,更為氫的安全性蒙上陰影。

然而氫氣超高的能量效率依然吸引著人們探索。航天探索中,長征三號系列的三級發動機、長征五號一級二級主推進發動機,都採用了氫氧火箭發動機。航天技術中廣為應用的液氫儲存技術也逐漸向民用領域推進。

能量效率高,成本也高;清潔,卻存在安全隱憂。身為“宇宙黑科技”,想要落地並不容易。降低成本、存儲、和加氫站建設是最核心的三個突破點。

日本——氫能源的天時地利

氫能的利用,目前走在世界前列的是日本。日本提出了“氫能社會”的構想,豐田(Toyota, 7203-JP)量產了第一輛性能優越的氫電池車 Mirai,本田(Honda, 7267-JP)也推出了 Clarity,加氫三分鐘,續航 750 公里。日本至今建設了 92 座加氫站。其他國家或堅守燃油,或大力發展純電的時候,日本“朝氫走”走得特別堅定。

說是天時地利,其實背後是一把辛酸淚。

日本這個島國資源特別匱乏,也就剩下能捕點金槍魚了。明治維新之後,為了保證國內的經高速成長必須搶資源,就到處侵略別人。戰敗以後,就靠著美國老大哥開路,從中東運石油。也許是因為資源底子薄,日本人的危機意識也就特別強,努力尋找不必依賴別人的能量來源。前些年日本的核電很厲害,占到所有發電量的 30%,可是 2011 年福島事件後,日本政府不得不將一系列核電站關閉。到了今天,日本的核能發電只佔全國發電量的 2.7%,產生了巨大的空白等待填補。

同樣資源匱乏,懼怕核能也排斥火電的台灣,去年頻頻爆出電荒,更是造成了 815 停電事件等影響惡劣的事件。日本可不想學台灣“用愛發電”,有沒有替代的辦法?

氫能於是走進規劃。日本看重的不僅是氫能源的高效與清潔,在煤炭和石油時代,人們早已發現了氫可作為煉製化石能源的副產品,因此氫的製備多種多樣,還可以很好地利用起石油時代的基礎設施和產業鏈。

以中國比較成熟的氯鹼法制氫為例,2015 年,中國氯鹼廠產量為 3028.1 萬噸。根據氯鹼平衡表,燒鹼與氫氣的產量配比為 40:1,理論上將產生氫氣 75.7 萬噸,即 85 億立方公尺氫氣,理論上可以供 243 萬輛乘用車使用。但考慮氯鹼廠區域分佈、運輸距離、期間損耗及不同車型的耗氫量,供應幾十萬輛燃料電池車的規模問題不大。

還有一個因素就是寒冷。鋰電池的低溫性能到今天都得不到很好的解決,而日本緯度較高,最溫暖的地區也不過和山東的溫度近似,跟溫暖的加州和純電跑得最多的華東華南實在沒法類比。氫燃料電池不受溫度的製約,這在日本看來有不小的吸引力。

而且日本是個非常狹長的島國,主島本州島的寬度在 50—230 公里之間。一個加氫站覆蓋 100 平方公里左右的面積,就算僅僅將加氫站在日本沿海佈局,好像戴一串珍珠項鍊一樣,也基本可以滿足日本加氫的需求了。

想及中國廣袤無垠的內蒙古、青海、西藏和新疆,每個加氫站的成本 1500 萬人民幣,額,不敢再想下去了……

是因為天時地利,也是因為無可奈何,日本成為了全球氫能利用的急先鋒。借 2020 年東京奧運會,日本計劃全面展示氫能社會的建設成果,包括 4 萬輛氫燃料汽車的全國保有量。而這一數字在 2025 年和 2030 年將分別達到 25 萬台和 80 萬台。日本為氫能源的利用畫下了充滿希望的藍圖,這或許為與日本非常類似的國家的地區指了一條能源明路。

再看看韓國。

今年的美國 CES,韓國現代展出了第五代氫燃料電池車 Nexo——續航里程高達 805km,百公里加速僅 9.9 秒。目前,韓國共有加氫站 11 座,計劃到 2020 年達到 100 座。到 2020 年計劃將有 1 萬輛氫燃料電池轎車上路。

此外,美國的加州也在積極探索氫能源,目前美國有 1800 輛氫能源車在路上跑,基本上是大巴和叉車,約 30 座加氫站沿著美國西海岸分佈在加州。目前美國的加氫站約 55 座,在建的 65 座,絕大部分在為氫燃料大巴或叉車服務。豐田(Toyota, 7203-JP)賣到美國去的千餘輛 Mirai 顯然會進一步推動加氫基礎設施區域化的建設。

從日本、韓國、加州的例子可以看出,氫燃料電池車或許是一種非常具有地域特色的解決方案,尤其適合狹窄,人口稠密,能源匱乏以及高度要求環保的地點。如同各國目前的能源獲取有各種各樣的方式,煤炭多的例如中國,火電佔比在 40%;核能發達的例如法國,核能發電佔總發電量的 70%;風能呢?在大部分國家佔比 1%,可是在適宜的風能的荷蘭就占到發電量的 6% 以上。

與能源的多樣共存一樣,氫能也將成為一個重要的汽車動力來源,在未來的一段時間,在適宜的地區發展。與純電動車一起,徹底顛覆燃油車的時代。

氫能在中國

在中國發力純電,致力於顛覆發動機的百年積澱之時,氫能一直是一個劍走偏鋒的選擇。

劍走偏鋒的選擇未必不是一個好選擇。別忘記,我們說的是一個年銷量 2000 多萬輛,存量達 3 億輛的市場。新能源車將燃油車逐步替代的過程,無疑會打亂現有格局,好的產品,都有機會分一杯羹。

2018 年 6 月 28 日,北京天氣燥熱。中國電動汽車百人會與國際氫能委員會在清華大學舉辦的“氫能產業發展創新論壇”的熱度甚至更勝過天氣。

氫能產業、汽車、能源等各方專家人士擠滿了會場。清華大學校長邱勇、中國電動汽車百人會理事長陳清泰為論壇致辭;全國政協副主席萬鋼,中科院院士、清華大學教授歐陽明高,中國工程院院士乾勇,國家能源集團總經理、中國工程院院士凌文,液化空氣董事長、國際氫能委員會聯席主席 Benoit Potier,現代汽車(005380-KR)集團副會長、國際氫能委員會聯席主席 Yang Woong-chul 等嘉賓發表了精彩演講。

事實上,在純電世界賺得了成長紅利的寧德(300750-CN)時代等企業之外,早有產學研的專家默默耕耘在氫能領域。當動力電池的能量密度為這一技術的應用前景蒙上陰霾的時候,中國早有一些企業開始佈局氫能。或許,他們博取的不是一個巨大的主流市場,但只要產品對路,一樣可以有光明前景。

就是這樣,有兩股氫能勢力悄然崛起。

在山海關之北,有一家大連的企業名叫新源動力。2000 年初,這家企業脫胎於中科院大連化學物理研究所。之前提到的氫燃料電池的核心技術是質子交換膜,新源動力就選用了這一領域世界領先的供應商戈爾戰略合作。2006 年,“燃料電池及氫源技術國家工程研究中心”在新源動力掛牌,這裡開始承接國家重點項目,2007 年,上汽悄然入股新源動力 1.17 億元,這在當時並未引人注目,直到今年總理參觀豐田(Toyota, 7203-JP)北海道工廠之時,才重又被人提起。

在造車新勢力在純電領域拼得刺刀見紅之時,上汽大通搭載新源動力 HYMOD®-300 型車用燃料電池電堆的榮威 750 推出。並赫然名列工信部最新發布的白名單目錄。這一車型成功進行了歷時三個月,途徑 14 省 25 市,行程 10000 公里的旅行。無疑,上汽在深度電動化的同時,也沒放棄另闢蹊徑。

而嶺南之南的佛山,有一個叫做雲浮的小鎮,這裡也即將發起一場新能源和新出行的革命。國鴻氫能科技有限公司與氫燃料電堆技術的全球領導者巴拉德於 2016 年 7 月成立合資公司,國鴻氫能股比 90%,巴拉德股比 10%。同時,巴拉德將成為合資企業生產的每個燃料電池堆的膜電極組件(MEA)的唯一供應商;在“採購或付款”協議中規定,在 2017 年至 2021 年的最初五年期間, MEA 最低採購量超過 1.5 億美元。在運作調試後,合資企業將擁有在中國製造和銷售 FCveloCity®-9SSL 電堆的獨家權利。

中國這個具有巨大潛能的市場令巴拉德雀躍。事實上,巴拉德的燃料電池野心一直志在全球。包括賓士(Mercedes-Benz, Daimler AG-DE)、福特(FORD, F-US)、豐田(Toyota, 7203-JP)、福斯(Volkswagen, VOW-DE)和本田(Honda, 7267-JP)在內的眾多車企均是基於加拿大巴拉德公司燃料電池電堆(Mark900)開發了自己的第一代燃料電池汽車,其中奔馳和福特還參股巴拉德 18% 和 20% 的股份。

而通過定向增發持有巴拉德 9.9% 股權的大洋電機也與國鴻氫能簽訂了一萬輛氫能大巴的大單。自 2016 年起,雲浮佛山之間就開始有國鴻氫能生產出的氫能大巴往返兩地。

小結

儘管還沒有寧德時代(300750-CN)這樣的頭部企業,但是氫燃料領域無疑已經開始湧入玩家佈局。面對中國商用車、乘用車這個天量市場,我們不應忽視任何一種可能性。

當別國發展氫能源最大的阻礙是天價的加氫站建設費的時候,天朝笑了。基礎設施?這向來不是一個問題。

在純電動一路狂飆之時,氫能源暗自磨刀。當質子交換膜、鉑用量顯著降低、氫的清潔製備、低溫儲存氫技術得到突破之時,或許就是氫能廣泛落地之日。

當我們放眼一個 10 年,對於汽車來講是兩個世代更替,而對於人類在能源革命上的探索,不過歷史的一瞬。

氫燃料電池或許是終極解決方案,但這仍需時光來證實。但從眾多國家與企業的深度佈局上看,說是大煽動實在太過武斷。新能源車是個不斷在擴充的天量市場,可以容納下眾多的產品。

百花齊放,勝過孤注一擲。何況這是對於全人類能源消費方式的升級探索。

相信科技,為人類留了不止一個好選項。

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