“氫”車熟路？

撰文= 雷鳴 攝影= SAE

國際氫能與燃料電池汽車大會（FCVC 2018）觀后感

10月23-25日，由中國汽車工程學(xué)會主辦的第三屆國際氫能與燃料電池汽車大會江蘇如皋舉行。沒錯，這仍是一個行業(yè)性質(zhì)的大會，與會的大多是這個行業(yè)的主管領(lǐng)導(dǎo)、專家學(xué)者、企業(yè)代表，所討論的話題（氫能與燃料電池汽車）好像和咱們普通人也還沒多大關(guān)系。但是，于無聲處聞驚雷，這兩年從幾位行內(nèi)朋友那里都已傳遞出明確信息，氫燃料電池汽車不再是水中月霧中花，它正在快步邁向現(xiàn)實。我覺得是應(yīng)該趁著這個展會去長長見識了，如果您也對這方面感興趣，那就隨我一起去，咱邊看邊聊。

氫何德何能？

首先直擊核心話題——氫能。不僅是汽車，整個能源行業(yè)都把氫能當(dāng)做未來的終極能源解決方案，這究竟是為什么呢？在此有必要再科普一下 。

第一，當(dāng)然是清潔。氫(H)在元素周期表中位于第一位，氫也是自然界中分布最為廣泛的物質(zhì)，占了宇宙質(zhì)量的75%。當(dāng)氫與氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)釋放能量之后，唯一的產(chǎn)物就是水（H2O），完全是零污染。而現(xiàn)在咱們使用的主要能源里都含有碳元素（C），由此所產(chǎn)生的二氧化碳（CO2）排放是造成全球升溫的罪魁禍首?；仡櫲祟惸茉吹陌l(fā)展史，其實也是一部生產(chǎn)力發(fā)展史。從農(nóng)耕時代燃燒牲畜糞干、秸稈茅草，到今天使用的煤炭、石油、天然氣，人類社會的發(fā)展是隨著能源進步而進步的。細細研究其發(fā)展，可從中發(fā)現(xiàn)一些規(guī)律：首先是能源的形態(tài)變化，煤炭等是固體，石油為液體，而天然氣為氣體，能源更替是從固體到液體再到氣體這樣一個過程，而氫氣自然歸屬為氣體。另外，從不同時期主要能源的碳氫構(gòu)成比例變化來看，煤炭、柴薪的碳氫比為1:1，再看以丙烷(C3H8)和丁烷(C4H10)為主要成分的石油，它的碳氫比約為1:2，天然氣（甲烷CH4）的碳氫比則為1:4，可見其中氫的比重是越來越高。所以可以這么說，能源的演變實際遵循的是一個減碳增氫的發(fā)展路徑，而最理想的終極形態(tài)，自然就是氫。

第二，氫能非常好用，具體表現(xiàn)在它的能量密度大、可儲存、可再生、好轉(zhuǎn)化且轉(zhuǎn)化效率高。這里所說的好用，是指氫作為類似電這樣的二次能源，或者說是能量載體、儲能介質(zhì)，它先天所具備的應(yīng)用優(yōu)勢。比如，怎么將澳洲過剩的電力輸送到咱們這里來使用？最好的辦法一定不是建跨洋電網(wǎng)，而是把電能通過電解水來制氫，再將氫海運過來。再比如，目前咱們國內(nèi)就有大量的可再生能源（包括風(fēng)能、水能、光伏，高達上千億度）被白白浪費了，原因是這類可再生能源發(fā)的電受環(huán)境影響極不穩(wěn)定難以并入電網(wǎng)，要利用好這部分電能，最好的辦法也是先將其分布式制氫儲存起來，或者就地利用，或者運輸?shù)狡渌胤绞褂谩Ｔ倥e一個例子，日本為什么這么積極發(fā)展氫燃料汽車？其中有一個原因，就是它可以能用來抗災(zāi)避險，一旦地震海嘯造成停電，氫燃料電池汽車就可變身為一個小型儲能電站，為家庭提供應(yīng)急電力。

氫何去何從？

好了，現(xiàn)在轉(zhuǎn)到第二個話題，氫從哪里來？我國是最大的氫氣生產(chǎn)國，據(jù)統(tǒng)計2017年我國氫氣產(chǎn)量約為2100萬噸，超過世界總產(chǎn)量（6000萬噸）的1/3。從全球范圍來看，96%的氫氣都是來自于傳統(tǒng)能源的化學(xué)重整，比如天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化、甲醇裂解、氨分解、焦?fàn)t煤氣回收等等，剩下的4%則來自于電解水制氫，因為這樣成本較高。那么生產(chǎn)出來的這些氫干嘛用呢？65%被作為原料氫用于生產(chǎn)合成氨和甲醇，33%被用于石油煉制的加氫環(huán)節(jié)（這也讓我們的汽油越來越清潔），只有大概2%被當(dāng)做直接能源來使用（比如火箭推進器燃料、氫燃料電池車輛）。由此可見，目前氫的應(yīng)用，更多是基于它的化工特質(zhì)，而非能源屬性。

未來氫能如果能得到廣泛應(yīng)用，這個產(chǎn)業(yè)格局肯定會有很大變化。在初始階段，氫能還是更多來自于工業(yè)副產(chǎn)品或由其他能源形式的轉(zhuǎn)化，將來很有可能變?yōu)橹鳟a(chǎn)品，最終取代煤炭和燃油。不信您就上網(wǎng)查查看，已經(jīng)有煤制氫的大項目上馬了。但是同時也要提醒大家注意的是，氫能應(yīng)用是否能真正實現(xiàn)低碳甚至無碳，要從整個產(chǎn)業(yè)鏈來綜合評判，尤其要把制氫過程產(chǎn)生的碳排放考慮在內(nèi)。前面所提到的化石能源重整制氫方式，可都是要產(chǎn)生CO2的，要想辦法將其捕獲并封存。用電解水制氫當(dāng)然沒有這個問題，但是這個電又是怎么來的呢？

氫能貴嗎？問得好。目前國內(nèi)加氫站的氫價格大概是40-50元/kg，一輛氫燃料電池乘用車的能耗大概是1kg/100km，這樣算也就是40-50元/100km，和燃油車相差不多。但是目前氫能的應(yīng)用還停留在示范階段，將來真正實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化之后，肯定要在政府指導(dǎo)下利用市場這個杠桿來重新進行調(diào)節(jié)。僅從氫能獲取以及相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)來看，通過技術(shù)進步來降低成本仍有不少想象空間。

說到加氫站，這個事就比較尷尬了。放眼全國，目前建成并已運營的加氫站只有14個，在建的也就23個。雖然國家對建加氫站有不少的補貼，但由于相關(guān)核心技術(shù)和部件咱們尚未全面掌握，成本仍居高不下，從目前運營的角度來看肯定還是一個賠本買賣。這就又回到了那個“先有雞，還是先有蛋”的老話題，氫燃料汽車和加氫站怎么同步推進和建設(shè)？想當(dāng)年，在國家政策強力刺激下，電動車充電站大上快上但最后撂荒的現(xiàn)象屢見不鮮。有了前車之鑒，從氫能和燃料電池汽車的產(chǎn)業(yè)規(guī)劃和政策制定上，就應(yīng)該想好怎么配合市場的節(jié)奏來合理發(fā)力，用力過猛會產(chǎn)生泡沫，支持不夠則難以推動?？傊?，氫能產(chǎn)業(yè)實際也是個考量管理者決心和智慧的龐大系統(tǒng)工程，需要跨部門跨行業(yè)的整體協(xié)作。

Mirar是當(dāng)下最紅的氫燃料電池乘用車

紅旗H5-FCEV只是投石問路？

Clarity的動力布局更接近于傳統(tǒng)汽車

“氫”車的近況

聊了半天，該回到氫燃料電池汽車本身了。先來看一下市場情況，自2013年氫燃料電池汽車開始商業(yè)化到2017年底，全球總共售出了6475輛氫燃料電池乘用車。雖然從這個數(shù)字看還是少得可憐，但是增量已較為喜人，2016年之前累計只賣出了3000多輛，而2017年銷量就一下躍升至3382輛，爆發(fā)點就是大名鼎鼎的豐田Mirai，光這款車就賣出了3000輛。這幾年統(tǒng)計下來，Mirai的銷量總占比已高達75%，其他還有本田Clarity和現(xiàn)代ix35 FC，它們分別占到了13%和11%。此外，奔馳、寶馬、奧迪都已宣稱將來會推出氫燃料汽車。

目前在氫燃料電池汽車的商業(yè)化上，哪些國家走在前面呢？當(dāng)然最領(lǐng)先的也是日本和韓國，從具體應(yīng)用場景來看，這兩個地域相對狹小的國家顯然更適合于氫燃料電池汽車的推廣，2020年東京奧運會日本還會有大動作。美國尤其是加州也跑得不慢，加氫站建了不少，而一多半的豐田Mirai也都是賣到了那里。

從國內(nèi)來看，結(jié)合咱們的具體國情，氫燃料電池汽車前期發(fā)展主要還是著力于在商用車上的應(yīng)用，也就是公交大巴、貨車、輕卡這些車型。2017年已累計銷售了上千輛，在不少地方開始了示范化運營。業(yè)內(nèi)也普遍認為，隨著國內(nèi)機動車排放標(biāo)準日益嚴苛，燃料電池取代柴油機的可行性已越來越大，這也意味著氫能在汽車行業(yè)的真正商業(yè)化即將迎來最佳風(fēng)口期。

消費者最關(guān)心的還是這個問題，氫燃料電池汽車到底有多貴？還是拿咱們熟悉的乘用車來看，豐田Mirai在日本補貼后售價是500萬日元（折合人民幣大約30.5萬），在美國加州的售價是57500美元，但是豐田附送價值15000美元的加氫卡，加州政府又補貼了5000美元，因此折算起來也是大概26萬人民幣。本田Clarity呢？766萬日元約和人民幣46.7萬元。相比燃油車價格肯定還是貴，但也貴不了多少了。

這次展會Mirai和Clarity都來了，作為率先實現(xiàn)商業(yè)化的氫燃料電池乘用車，它們自然是最吸睛的亮點。當(dāng)然國內(nèi)企業(yè)也有新車亮相，比如紅旗就拿來了基于H5的燃料電池車型，作為新造車勢力的代表，威馬也展出了一臺采用直接甲醇燃料電池的SUV。這些車售價多少呢？對不起，包括之前早就推出的榮威950和750在內(nèi)，它們都還沒有真正上市銷售，目前談價格意義不大。必須承認，在燃料電池汽車的整體技術(shù)和成本控制方面，咱們和現(xiàn)在的領(lǐng)先者仍存在不小的差距，要加倍努力才能追上。

對于氫燃料電池汽車，國家的補貼政策倒是一直都有，而且在純電動車補貼大幅下調(diào)的情況下，氫燃料電池汽車的補貼仍維持不變，由此可見對它的支持力度。補貼有著具體的技術(shù)要求，電堆輸出功率不能低于驅(qū)動電機額定功率的30%，因為比例太低就是“假的”氫燃料電池汽車，有騙補嫌疑了。在此基礎(chǔ)上還設(shè)了30kW這一補助標(biāo)準，乘用車低于30kW按6000元/kW補貼，高于則統(tǒng)一按20萬元補貼，此外輕客輕卡能補30萬，大客大貨則是50萬。感覺以30kW來劃分有點簡單粗暴，所以目前基本上大家都壓著這個紅線來做開發(fā)，功率做高了補貼一分不多，但成本肯定就不合算。此外，除了上文提到的國家補貼，地方政府還有相應(yīng)比例的額外補貼，不同地區(qū)的補貼額度不一樣。

“氫”車玄妙何在？

接下來，咱們不妨更深入一些，了解一下氫燃料電池汽車有關(guān)技術(shù)及核心零部件的情況，出去吹牛也得有些干貨不是？就揀幾件重要的說說吧。

1、電堆2、DC-DC轉(zhuǎn)換器3、動力電池（鎳氫）4、高壓儲氫罐（H70）5、驅(qū)動電機6、電機控制器7、其他附件（氫循環(huán)泵等）

電堆

電堆（Fuel Cell Stack）作為氫能轉(zhuǎn)化為電能的反應(yīng)裝置，當(dāng)然是整個燃料電池系統(tǒng)當(dāng)中最核心的部件。電堆的內(nèi)部結(jié)構(gòu)雖然和鋰電差不多，它也是由數(shù)百節(jié)單電池串聯(lián)而成，但是在反應(yīng)過程當(dāng)中，要有大量的反應(yīng)氣、生成水、冷卻劑等流體流經(jīng)每節(jié)單電池。所以你可以想象一下，這成百上千的涓涓細流，是怎樣一個有序分布再匯集的繁復(fù)過程。電堆到底長啥樣呢？有點像是空調(diào)蒸發(fā)箱，就這么一個密密匝匝層疊堆砌而成的方形金屬疙瘩，看上去真是不起眼，但內(nèi)里乾坤卻有著太多門道。

怎么評價電堆的性能？和鋰電池也一樣，最關(guān)鍵指標(biāo)就是它的能量密度。鋰電池講的是多少kWh/kg，電堆則是kW/L。從數(shù)字就可知道，咱們和領(lǐng)先者的差距有多大。Mirar的電堆能量密度已經(jīng)達到了3.1kW/L，據(jù)悉未來豐田在這方面很快還會有大幅提升。而目前咱們國內(nèi)能夠量產(chǎn)的電堆只有2.0kW/L這個水平，更高性能的還停留在實驗室研發(fā)階段。

差距到底在哪里呢？歸根結(jié)底是在與材料、工藝相關(guān)的基礎(chǔ)科學(xué)及技術(shù)能力上。比如單電池里面最核心的兩大部件——雙極板和膜電極，要想減小雙極板的厚度并增加其抗腐蝕性，要想提升膜電極的功率密度并降低鉑擔(dān)量，就得在高純度石墨、質(zhì)子交換膜、碳紙、鉑催化劑等這些關(guān)鍵材料及其制備工藝上下功夫。從這次大會上獲悉，近年來咱們在電堆核心技術(shù)的研發(fā)上還是有很大突破，制造成本也在下降，為將來的商業(yè)化打下了較好的基礎(chǔ)。

此次大會上電堆技術(shù)專場也是人滿為患，也說明大家對于電堆技術(shù)的關(guān)注和熱情。

Mirar的電堆最大功率是114kW，能量密度已高達3.1kW/L

DC-DC轉(zhuǎn)換器

你可以這樣理解，這就是個大變壓器，但它其實另有玄妙。純電動車上的DC-DC很多人都知道，它是要把動力電池的系統(tǒng)電壓（300-700V直流）降到12V或24V直流，給類似車燈、音響、雨刷這樣的車載電器附件來使用，由于這部分電不參與到電機驅(qū)動，所以它實際功率很小，只有2-3kW。燃料電池車上的DC-DC則完全不同，它是要給驅(qū)動電機供電并給動力電池組充電，功率通常會在30kW以上，最大的已經(jīng)超過了100KW。另外，燃料電池電堆當(dāng)中每單片電池的輸出電壓大約在0.6V-0.8V之間，整體串聯(lián)到一起也不會超過300V電壓，所以還得通過DC-DC將其提升到更高的電壓（500V以上，趨勢是會變更高）。大功率升壓，這就是對燃料電池車用DC-DC轉(zhuǎn)換器的最大挑戰(zhàn)。此外值得一提的是，現(xiàn)在的燃料電池汽車還是保留了動力電池，實際是采取電-電耦合的混合驅(qū)動方式，而將來的趨勢是取消動力電池，單獨用燃料電池來驅(qū)動，這樣對DC-DC的功率需求會更大。

誰在做燃料電池車用DC-DC呢？從我們了解的情況來看，傳統(tǒng)汽車零部件商在這塊幾乎是空白，新生力量更多來自于電力電子行業(yè)。比如這次來參展的深圳福瑞電氣，在這個領(lǐng)域里它就是一匹很有沖勁的黑馬。

燃料電池車用DC-DC需要大功率升壓，這對于汽車行業(yè)是個新課題

空氣壓縮機

氫燃料電池汽車也需要增壓？沒錯，這個必須有！都說氫燃料電池，可能很多人認為光有氫就可以了，其實它的全稱應(yīng)該是氫-氧燃料電池，這個電化學(xué)裝置的反應(yīng)原理實際就是電解水的逆過程，其反應(yīng)方程式是2H2+O2=2H2O，可見O2作為氧化劑是絕對不可或缺的，如果按空氣化學(xué)計量比2.0計算，100kW的燃料電池系統(tǒng)大約需要300Nm3/h（標(biāo)準立方米/小時）的空氣流量。為了提高燃料電池的功率密度和效率，就要想辦法增加進到電堆的空氣量，所以和傳統(tǒng)的內(nèi)燃機一樣，要想不增加排量而提高功率，就得通過壓縮機來給進氣增壓。

但是，普通的空壓機干不了這事，因為燃料電池有其特殊使用要求。首先，它必須是無油的，因為潤滑油會讓電堆中毒失效，所以只能使用水潤滑軸承或空氣軸承，但又要保證它能在很高轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)；其次，它必須小型而高效；再有，噪音一定要低，因為高速運轉(zhuǎn)的空壓機是燃料電池汽車最大的噪聲源（主要是電堆和驅(qū)動電機的聲音實在在太輕了，所以空氣壓縮機的聲音就顯得突出了！）；另外，動態(tài)響應(yīng)性能要好，當(dāng)功率需求發(fā)生變化時，空氣流量和壓力得隨時與其配合迅速做出調(diào)整，不能有延遲。據(jù)我了解，這樣一臺小小的空壓機目前售價竟高達幾萬元，好的要十幾萬元！

適合于燃料電池的空壓機有很多種，比如渦旋式、螺桿式、滑片式、離心式等等，在此就不展開說了。誰在做空壓機呢？在零部件展館里我唯一還算眼熟的品牌就是Garrett（蓋瑞特），這個在渦輪增壓圈里呼風(fēng)喚雨的大佬就展出了燃料電池用空壓機，看來人家在這方面早有布局。國內(nèi)這個領(lǐng)域表現(xiàn)活躍的都是跨行業(yè)精英，比如做制冷出身的福建雪人股份，該公司已全資收購了氫燃料電池雙螺桿式空氣循環(huán)系統(tǒng)的開發(fā)者——瑞典SRM和OES公司，后者曾給不少國際汽車品牌生產(chǎn)過燃料電池系統(tǒng)。

氫燃料電池對空壓機要求極為苛刻，售價也非常貴

高壓儲氫罐

這不就是個煤氣罐嗎？沒你想的這么簡單。大家都知道，氫是重量最輕的元素，在標(biāo)準狀態(tài)下，它的密度僅為0.0899g/L，是水的密度的萬分之一。在-252.7℃以下氫液化之后，密度也只有70g/L，僅為水的十五分之一。所以氫氣雖然可以儲存，但是很難高密度的儲存。

在燃料電池汽車上，氫是以高壓氣體的形態(tài)加注到儲氫罐里面，有多高壓力呢？國內(nèi)目前還在沿用行業(yè)最初制定的H35高壓氫氣標(biāo)準，即罐體內(nèi)部壓力為350個大氣壓，它實際是一個外面用碳纖維來纏繞加固的金屬內(nèi)膽氣瓶。但海外市場已經(jīng)在逐漸淘汰H35標(biāo)準，轉(zhuǎn)而啟用了能量密度更高的H70儲氫罐（700個大氣壓），罐體采用碳纖維纏繞的非金屬（強化塑料）內(nèi)膽，同樣大小可以多存放兩倍重量的氫氣，從而可實現(xiàn)小罐體長續(xù)航。還是以Mirar為例，它有一大一小兩個H70儲氫罐，總?cè)萘渴?22.4升，雖然僅能加注5kg的氫氣，但所能提供的續(xù)航里程已高達600km。

在H70這個技術(shù)標(biāo)準上，咱們還沒有成熟產(chǎn)品，就算是H35，價格也還高得嚇人（大概幾萬元一個）。所以，別小看了這個高壓氣瓶，咱們在材料、工藝等方面都還存在諸多瓶頸呢。

當(dāng)然，從H35升級為H70，加氫站的設(shè)備也得同步提升，這也是個大課題。

國內(nèi)目前還采用H35標(biāo)準，所以要裝這么多儲氫罐

謝謝您有足夠的耐心，陪我一直聊到這里，不知道聊透了沒有。對于氫燃料汽車這個話題，最后我再談一下個人的看法吧 ，也回頭來解釋一下文章的標(biāo)題——“氫”車熟路，這到底是什么意思？

汽車工業(yè)發(fā)展到今天這個時代，是應(yīng)該要用行動來解決能源這個終極問題了，而早在探索的氫能應(yīng)用已成為業(yè)內(nèi)共識，并且正一步步走向現(xiàn)實。盡管如此，但前方仍荊棘密布，氫燃料汽車的發(fā)展沒有任何捷徑，需要國家從戰(zhàn)略層面積極支持和推進，也需要各方通力協(xié)作，更需要行業(yè)自身努力投入，而最最關(guān)鍵的是，它最終還必須得到市場的認可。所以，如何讓未來的消費者能真正了解并接受氫燃料電池汽車？這事已迫在眉睫。要想把“氫”車推上熟路，大家都得出力才行，也包括您。

相信總有一天，兩岸猿聲啼不住，“氫”車已過萬重山。