冬奧會上，硬核體育愛好者關(guān)注賽果，小孩和超齡少女們萌冰墩墩雪容融，吃瓜群眾視谷愛凌、任子威和蘇翊鳴為新一任愛豆，對科技愛好者而言，這場冬奧會就是一場科技盛宴。
由1.2萬塊寶石藍(lán)色的光伏發(fā)電玻璃拼接而成的國家速滑館“冰絲帶”曲面玻璃幕墻，實時捕捉，裸眼3D，計算機(jī)動畫（CG），增強現(xiàn)實……五花八門的新技術(shù)應(yīng)用，新鮮和熱鬧程度不比一場正兒八經(jīng)秀肌肉的科技展會低。
新技術(shù)讓人目不暇接，其中最吸引車圈關(guān)注的是藏在冬奧會里悄悄進(jìn)行的“世紀(jì)暗戰(zhàn)”。
據(jù)北京官方報道，本屆冬奧會上，運行著超過3000輛氫能源汽車，其中豐田占了三分之二，近三分之一是國產(chǎn)氫能源汽車，配備30多個加氫站，堪稱全球最大的一次燃料電池汽車示范大比拼。
（圖片來源：中國石化）
這場“世紀(jì)暗戰(zhàn)”中，一邊是豐田柯斯達(dá)氫擎和我國億華通在商用車的你來我往，另外一邊是用上雷克薩斯LS/LC的GA-L后驅(qū)平臺的豐田MIRAI2的一枝獨秀?？粗@些氫能源車型真實地跑著，比靜態(tài)演示為主的各車展刺激多了。
在冬奧會之前，主機(jī)廠已經(jīng)在中國內(nèi)地快速發(fā)展的新能源汽車市場中有所動作。2021年12月24日，現(xiàn)代汽車氫燃料電池車NEXO中國版在廣州迎來國內(nèi)開放道路首試。
對比一次加滿續(xù)航可達(dá)850km的豐田MIRAI2，現(xiàn)代NEXO可達(dá)596公里的續(xù)航里程不算太亮眼，但這兩款車型共同擁有的“5分鐘即可充滿氫燃料”的特性，對比現(xiàn)階段使用動力電池為主的新能源汽車，補能效率的確令人心動。
光憑“充能五分鐘行6百公里”這一點，氫燃料汽車?yán)碚撋蠒玫较M者認(rèn)可?？蔀槭裁此浆F(xiàn)在仍然沒有被大規(guī)模推廣？這究竟遇到了什么問題？
要回答這些問題，我們先聊點硬核的化學(xué)內(nèi)容，了解什么是燃料電池？
現(xiàn)在提起燃料電池，一般是指氫燃料電池。說到這里，估計沉睡在大家腦海里多年的初中化學(xué)知識就要動起來。沒錯，氫燃料電池就是基于氫氣和氧氣/其他氧化劑進(jìn)行氧化還原反應(yīng)而制作的發(fā)電裝置，目的是把化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能。
現(xiàn)階段主流的燃料電池有兩種，一種是固體氧化物燃料電池（SOFC），一種是質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）。無論商用還是乘用，只要是車用，用的都是PEMFC，而SOFC更多被使用在航天器上。
為什么會有這樣的區(qū)別？這就得了解PEMFC的優(yōu)勢了。對比SOFC，PEMFC的通常運作溫度在 50℃至 100℃，以高分子質(zhì)子交換膜為傳導(dǎo)媒介，發(fā)電過程無需加壓或減壓，也不使用任何化學(xué)液體。
通俗對氫燃料的理解就是，其結(jié)構(gòu)簡單，發(fā)電過程安全，還無污染。對比動力電池充能工作過程中仍然會造成損耗，容易增加碳排放量的情況，氫燃料電池的優(yōu)勢相當(dāng)明顯。
原理簡單，碳排放少的的氫能源電池，在不經(jīng)優(yōu)化的情況下，能量效率已經(jīng)達(dá)到40%-60%，輕松超越現(xiàn)階段主流的內(nèi)燃機(jī)和動力電池，這樣的香餑餑，汽車廠商為什么會不重視呢？
其實不然，自1991年羅杰?比林期發(fā)展出世界首個用于汽車的氫燃料電池以來，已經(jīng)陸續(xù)有廠商投入到汽車用氫燃料電池的研發(fā)和量產(chǎn)。
后面的故事發(fā)展行業(yè)大家就熟悉了：豐田是較早投入到氫能源電池的汽車廠商，上世紀(jì)90年代初，豐田汽車就啟動了FCV（Fuel Cell Vehicle，燃料電池汽車）的相關(guān)技術(shù)開發(fā)。一晃20年，豐田終于在2015年4月正式上市了首款氫燃料電池轎車MIRAI。憑借先發(fā)的技術(shù)積淀，以及從MIRAI開始轉(zhuǎn)入的正式量產(chǎn)，豐田“多年媳婦熬成婆”地確立了自己在現(xiàn)階段氫燃料電池汽車的“一哥”地位。
當(dāng)然，其他廠商也是緊追其后。除了文章開頭提到的現(xiàn)代，寶馬也從2013年就開始積極開展燃料電池技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。有豐田這位“好基友”鼎力相助，寶馬在2019年法蘭克福車展上就發(fā)布了旗下氫燃料電池概念車BMW i Hydrogen NEXT。在今年，寶馬也將會發(fā)布?xì)淙剂想姵匕姹镜腦5 SUV，這算是氫燃料電池商用的重要一步，決定著后面的發(fā)展情況。
回到國內(nèi)，雖然我國對氫燃料電池商用化的研發(fā)較晚，但中國速度再一次發(fā)揮了作用。以文章開頭提到的億華通為例，該公司成立于2012年，2016年開始量產(chǎn)，曾參與我國多項國家級燃料電池研發(fā)項目，特別是共同開發(fā)燃料電池客車早期原型。
產(chǎn)自億華通旗下子公司聚興華通的氫燃料電池客車，在冬奧會前的超低溫冷啟動測試中，就達(dá)成了在-30℃的環(huán)境下放置超過8小時后，用時116秒便成功啟動的成績。處于憑借新能源汽車異軍突起的大背景中，億華通的崛起代表著在中國政策推動下的企業(yè)競爭。
除了億華通，佛山飛馳也是我國燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一支重要力量。2015年，佛山飛馳成功研制出國內(nèi)首批量產(chǎn)的氫燃料電池城市客車，并在隨后陸續(xù)在佛山境內(nèi)的公交路線上投放使用。隨后，佛山飛馳投入到氫燃料電池牽引車/貨車的研發(fā)，并逐步取得成果，即將推向市場。
對比他國車企，我國車企的氫燃料電池商用化，更多是以商用車市場為發(fā)展方向。這也許是揚長避短，目前商用車市場更容易得到國家支持，從而加快研發(fā)節(jié)奏以跟上世界水平，保持一線的競爭。雖然發(fā)展的路線和程度各不相同，但國內(nèi)外多家車企前仆后繼投入到氫燃料電池的開發(fā)和應(yīng)用，一定程度上顯示了行業(yè)對氫燃料電池的美好前景，只不過回到現(xiàn)實生活中，依舊困難重重，痛點多多。
硬幣有兩面，把氫燃料電池的美好前景翻過來看，也是有一系列的問題。
首先我們來看燃料來源這塊，常用的制氫方法有各種礦物燃料制氫、電解水制氫、生物質(zhì)制氫、其他合氫物質(zhì)制氫、各種化工過程副產(chǎn)氫氣的回收等。
經(jīng)過十余年的長足發(fā)展，我國氫氣年產(chǎn)量已逾千萬噸規(guī)模，位居世界第一大產(chǎn)氫國。不僅基本實現(xiàn)國產(chǎn)化，而且大量向國外出口。然而，氫氣占我國終端能源總量份額僅2.7％，即使有政策扶持，至2050年氫氣需求量在終端能源體系中占比才有望達(dá)10％。
同時，我國制備氫氣的主要方式仍然以化石燃料制氫為主。雖然工業(yè)副產(chǎn)氫和電解水制氫仍有很大的發(fā)展空間，然而換個說法就是氫能源還未能有效降低成本。氫能源的想象空間足夠大，但現(xiàn)實暫時還是骨感。怪不得在“寧王”股價波動的時候，氫能源相關(guān)個股都未能接過的大旗，繼續(xù)帶領(lǐng)著新能源板塊高歌猛進(jìn)。
不僅制備，氫能源的運輸也制約著商用化規(guī)模的擴(kuò)大。目前主要的氫能運輸手段有三種:高壓氣氫、低溫液氫、管道輸氫。究竟哪個是主流，我們只要再次喚醒初中化學(xué)知識就知道答案：氫氣的化學(xué)性質(zhì)較為活躍，要實現(xiàn)低溫液氫和管道輸氫，難度肯定是更高的。因此，短時間內(nèi)，高壓氣氫成為主流的運輸方式。
高壓氣氫運輸，單次載量的確不高，40噸重的長管拖車大約只能運輸400kg的氫氣。而主流的氫能源客車，搭載的都是35兆帕氫氣儲氫瓶。1兆帕約等于10kg，這樣一換算，卡脖子的不是產(chǎn)氫，更像是運氫。
剛過去的2021年12月3日，國家工信部發(fā)布的《“十四五”工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》已經(jīng)提出，要實施工業(yè)領(lǐng)域碳達(dá)峰行動，加快氫能技術(shù)創(chuàng)新和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、推動氫能多元利用。進(jìn)一步說，在已發(fā)布規(guī)劃的13個省份中，至2025年共規(guī)劃加氫站1800座，產(chǎn)業(yè)規(guī)模近萬億，燃料電池車共八萬輛。顯然，這也會反過來推動運氫技術(shù)的發(fā)展。
對比政策可以驅(qū)動解決的氫氣制備和運輸問題，氫燃料電池的“內(nèi)在不足”，其實更值得關(guān)注。讓我們回到車用氫燃料電池的結(jié)構(gòu)：它是基于氫氣和氧氣/其他氧化劑進(jìn)行氧化還原反應(yīng)而制作的發(fā)電裝置。這個氧化劑究竟是什么呢？其實就是鉑金一類的貴金屬。
一如其名，鉑金的單價不低，甚至比黃金還高，這在無形中拉高了氫燃料電池成本。同時，我國暫時只有大連化物所、貴研鉑業(yè)、武漢喜馬拉雅等企業(yè)小規(guī)模生產(chǎn)貴金屬催化劑，意味著國內(nèi)暫時還是沒有足夠的產(chǎn)能應(yīng)付大規(guī)模使用氫燃料電池，并且使用成本也不會低。
貴金屬催化劑不僅少，而且還會在實際使用過程中有所損耗，催化劑載體和電池內(nèi)其他物質(zhì)也會被催化劑腐蝕。從目前的市場收益來說，想要回收氫能源電池里的貴金屬催化劑？這事兒比回收動力電池還虧本和吃力。
既然知道問題出在貴金屬催化劑上，那么能不能以“尋求替代品”的方式來輕松解決？我們在撰稿的時候咨詢了氫能源的相關(guān)行業(yè)人士，得到的答復(fù)是“如果真有這種玩意兒，其影響力并不亞于一次工業(yè)革命”。
前景如此美好，技術(shù)卻不能解決，只能發(fā)揮“鈔能力”幫幫忙了。據(jù)悉，國內(nèi)企業(yè)正打算通過收購海外龍頭企業(yè)、與國際頂尖團(tuán)隊合作研發(fā)等方式實現(xiàn)技術(shù)追趕。根據(jù)中國氫能聯(lián)盟預(yù)計，2035年我國氫燃料電池系統(tǒng)的生產(chǎn)成本將降至800元/kW，為當(dāng)前的五分之一，2050年進(jìn)一步降至300元/kW。目標(biāo)是2035年，氫燃料電池汽車成本將具有與內(nèi)燃機(jī)汽車同等的競爭力并基本接近國外先進(jìn)水平。
路雖難行，仍披荊前往，是現(xiàn)在我國乃至全世界對氫燃料電池發(fā)展和應(yīng)用的縮影。從制氫運氫到氫燃料電池的制備，國家和企業(yè)攜手合作，拼了命降低成本完善產(chǎn)業(yè)，只是為了把動力電池?fù)Q成氫燃料電池嗎？
2021年8月11日，工信部對“鼓勵發(fā)展零碳排放氫能發(fā)動機(jī)的建議”進(jìn)行答復(fù)，提出氫氣發(fā)動機(jī)是氫能在汽車上應(yīng)用的重要技術(shù)路線之一，將積極配合相關(guān)部門制定氫能發(fā)展戰(zhàn)略，研究推動將氫氣內(nèi)燃機(jī)納入其中予以支持。
將這條新聞結(jié)合《“十四五”工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》里“推動氫能多元利用”這句話看，我們可以得到一個推斷：氫能源的使用方式并不重要，關(guān)鍵是要把氫能源用起來，氫能汽車其實其中的一環(huán)，并非全部。
在“碳中和”、“碳達(dá)標(biāo)”、“保護(hù)生態(tài)環(huán)境”的全球大趨勢下，汽車耗能必然要從傳統(tǒng)的化石燃料，轉(zhuǎn)入污染更低的新能源。搭載動力電池的新能源汽車被消費者接受，算是開了個好頭。然而動力電池充能和工作過程中造成的損耗，增加的碳排放量，還是需要時間解決。
一邊優(yōu)化現(xiàn)有動力電池的制造、使用和回收，一邊探索新能源的多元化使用，這已經(jīng)不是車企們?yōu)榱速u車才去做的事情。不夸張地說，無論車企還是國家，誰在氫能應(yīng)用上先拔頭籌，花樣玩得多且玩得好，誰將更有機(jī)會主導(dǎo)未來出行方式的發(fā)展。
不得不說，先行者的確會有一定的優(yōu)勢。已經(jīng)在氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)初有成效的豐田，最近幾年在氫內(nèi)燃機(jī)上頻頻發(fā)功。豐田通過技術(shù)手段讓自家發(fā)動機(jī)產(chǎn)品支持使用氫燃料，搭載氫內(nèi)燃機(jī)的卡羅拉氫能賽車順利完成耐力賽，還聯(lián)手雅馬哈搞出V8結(jié)構(gòu)的氫內(nèi)燃機(jī)，已經(jīng)讓不少堅守內(nèi)燃機(jī)的消費者心動不已。
除豐田之外，全球最大的獨立發(fā)動機(jī)制造商康明斯（Cummins）也加入到氫內(nèi)燃機(jī)的研發(fā)中?？得魉惯@個名字，關(guān)注乘用車的朋友可能不熟悉，但它在商用車的世界里，卻是王者的存在——有這樣一個說法，“只要有卡車的國家，就有康明斯柴油引擎”。
按照這樣的發(fā)展態(tài)勢看，我們也許可以設(shè)想這樣的未來：氫燃料電池將會取代動力電池，將乘用車和商用車推入新的紀(jì)元；氫內(nèi)燃機(jī)將接過化石燃料內(nèi)燃機(jī)的位置，成為性能車愛好者和大功率設(shè)備的新寵。要是事情真這樣發(fā)展，那估計基本能落得環(huán)保與熱血兼得的皆大歡喜。
雖然氫能源的使用還屬于小試牛刀的階段，氫能源的未來也不一定就如我們的想象，但氫能源使用方式的探索，仍在進(jìn)行之中。慶幸車企和國家走出了這一步，讓未來有可能發(fā)生，哪怕到達(dá)氫能源初步普及的階段，已是“有生之年”系列。
