氫動力
——從小型汽車到重型交通工具

Senior Technology Writer

數(shù)十年來，氫氣一直被譽為十分有發(fā)展前途的能源載體。但是，相比混合動力汽車和充電式電動汽車的蓬勃發(fā)展，近年來氫燃料電池汽車的發(fā)展勢頭卻有所減弱，主要原因在于降低燃料電池成本和廣泛構(gòu)建燃料供給站網(wǎng)絡(luò)這兩方面挑戰(zhàn)。

從2020年3月開始，三大汽車制造商——戴姆勒股份公司[1]、大眾汽車制造公司[2]和通用汽車制造公司[3]緊隨本田技研工業(yè)株式會社（2019年4月率先退出氫動力汽車市場[4]）一一退出了氫動力汽車市場。取而代之的是，這些公司以及其他公司正在將該技術(shù)發(fā)展為一種無排放解決方案，為重型商用車輛和軍用車輛提供動力，為其核心部位進(jìn)行燃料供給。

19世紀(jì)中期，科學(xué)家發(fā)明了一種燃料電池，其中氧氣被輸送到負(fù)極（陰極），氫氣被輸送到正極（陽極）。陽極處的催化劑將氫氣分離成質(zhì)子和電子，電子流經(jīng)外部電路，該電路可以驅(qū)動電動機并為電池充電；質(zhì)子則通過電解質(zhì)遷移到陰極，在陰極處與氧氣和電子相結(jié)合，產(chǎn)生水蒸氣和熱量。因此，在氫燃料電池的燃燒過程中沒有溫室氣體的產(chǎn)生及排放。

氫燃料電池系統(tǒng)是否完全無污染取決于氫氣的來源。而氫氣是由水分解產(chǎn)生的。目前大多動力系統(tǒng)都是由天然氣驅(qū)動的，同時伴隨碳排放[5]。為了消除溫室氣體排放，水解過程必須由可再生能源供電。充電式電動汽車也面臨同樣的問題。

燃料電池以相對恒定的速率運行，當(dāng)電力生產(chǎn)過剩時，它為鋰離子電池充電。當(dāng)面臨加速或上坡等需要額外動力的情況時，鋰離子電池為燃料電池補充電量。然而，該過程的整體效率遠(yuǎn)不如充電式電動汽車的效率，因為充電式電動汽車可以將來自電網(wǎng)的電能直接存儲在電池中[2]。

目前，氫燃料電池已被廣泛投入利基應(yīng)用，如阿波羅和雙子座太空飛行任務(wù)、商用噴氣式客機、叉車、拖拉機和潛艇等。在這些領(lǐng)域，氫氣能夠使動力源盡量達(dá)到零排放的要求，能夠為之提供更為短暫的燃料補充時間，以及在重量方面，氫燃料電池系統(tǒng)相較充電式電池系統(tǒng)更為輕便。

改裝的第一輛氫動力汽車——現(xiàn)代Tucson[6]于2013年問世，但隨后制造商并沒有對氫動力汽車投入大規(guī)模的生產(chǎn)和銷售。2019年年底，全世界的道路上行駛的氫動力汽車大約有25 000輛[7]，其品牌主要為豐田Mirai、現(xiàn)代NEXO以及本田Clarity。預(yù)計10年內(nèi)，這個數(shù)字將增長一個數(shù)量級，但即便如此，預(yù)計到2030年氫動力汽車也才達(dá)到14億輛[8]，僅占全球汽車市場的小部分。

除了“興登堡”號空難事件給公眾留下“氫動力交通工具是危險的”[9]這一毫無根據(jù)的印象之外，氫動力汽車未能占有更多市場份額的另一個重要原因是成本問題。燃料電池內(nèi)含由鉑等稀有材料組成的催化劑，其生產(chǎn)成本仍然十分高昂。因此，盡管最流行的氫動力汽車豐田Mirai（圖1）的零售價約為58 500美元，但其真實成本可能更高[10]。

圖1.豐田Mirai是世界上最暢銷的氫動力汽車，其零售價為58 500美元，2019年售出約2200輛，而同年售出的電動汽車約為220萬輛。圖片來源：M 93，Wikimedia Commons（CC BY-SA 3.0 DE）。

“這是很困難的，因為如果沒有達(dá)到一定的生產(chǎn)規(guī)模就無法降低成本，而要達(dá)到一定的生產(chǎn)規(guī)模又必須付出巨額的投資?！奔永Ｄ醽喆髮W(xué)伯克利分校的能源與環(huán)境政策課講師、交通可持續(xù)發(fā)展研究中心主任Timothy Lipman說，“戴姆勒股份公司以及其他制造商只是初步了解后，便認(rèn)為這是一個極難攻克的的障礙?！?/p>

另一個主要障礙是加氫站的缺乏。直到2019年年底，美國有64個加氫站，主要分布于加利福尼亞州，德國有81個，日本有113個[7]。Lipman等[11]表示，這三個國家建設(shè)加氫站的大部分費用是由公共基金提供，而其他國家遠(yuǎn)未能擁有如此多的公共基金支持。

汽車制造商希望這種氫動力汽車的發(fā)展能夠遵循零排放領(lǐng)域內(nèi)與其最相近的競爭對手——電動汽車的發(fā)展軌跡。電動汽車最初的普及速度也很慢，但隨著科技的進(jìn)步成本逐步降低，漸漸激發(fā)了消費者的興趣。這引發(fā)了規(guī)模經(jīng)濟效應(yīng)，2020年電動汽車達(dá)到720萬輛，2030年預(yù)計達(dá)到1.4億～2.45億輛[12]。

電動汽車成本降低的一個關(guān)鍵原因是電池技術(shù)的改革。該項技術(shù)在過去的幾年內(nèi)取得了長足的進(jìn)步，從而使電動汽車成本的下降速度比行業(yè)專家預(yù)期的更快。Lipman認(rèn)為，電動汽車電池技術(shù)的快速發(fā)展是促使大型汽車制造商終止氫動力汽車業(yè)務(wù)的主要因素?！霸谶^去10年里，電動汽車電池的成本下降了85%，這使很多人感到驚訝?！盠ipman說，“這使汽車制造商重新考慮是將更多的精力放在燃料電池上還是純充電電池上?！?/p>

“尤其在經(jīng)濟性上，氫燃料電池技術(shù)將如何趕上電動汽車技術(shù)，這是一個十分具有挑戰(zhàn)性的命題，”澳大利亞昆士蘭州布里斯班昆士蘭大學(xué)陶氏可持續(xù)工程創(chuàng)新中心的電子移動客座教授Jake Whitehead補充道，“事實上，氫動力汽車技術(shù)可能比現(xiàn)在的電動汽車技術(shù)落后近10年。”

盡管在市場競爭中電動汽車勝過氫動力汽車，但氫動力汽車仍存在一定的市場，特別是在即將頒布“削減或淘汰造成污染的燃燒動力型汽車”政策的國家。與輕型汽車市場（如乘用車）不同，重型汽車市場（如商用卡車、公共汽車和軍用運輸車）到2030年對氫動力汽車的需求量將達(dá)到100萬輛[13]，原因是針對這類汽車而言氫燃料電池更為劃算。氫燃料電池車輛可在大約半小時內(nèi)完成燃料補充，相比之下電動汽車則需要高達(dá)數(shù)小時的充電時長，這對于需要全天運行且無法承受過長電池充電停機時長的商用車來說是一個重要的考慮因素。Lipman說：“對于公共汽車充電站而言，與每天給100 輛電動公共汽車充電相比，向100輛氫動力公共汽車加氫燃料要更為容易一些。”但是，需要強調(diào)的是，為電動汽車電池充電所需的電費（使用家用充電器為15美元）明顯低于加氫燃料的費用（65～95美元）[14]。目前，中國大約有2000輛氫動力公交車投入運行，歐盟只有75輛，而美國和日本的這種公交車數(shù)量甚至不到歐盟的一半[11]。

除了補充速度快之外，氫燃料還具有其他潛在的優(yōu)勢。氫動力汽車的平均行駛距離為500～600 km，相較電動汽車更長。此外，電動汽車的電池尺寸與其汽車尺寸成正比，而氫動力系統(tǒng)卻并非如此。大型電動汽車需要大規(guī)模的電池，但現(xiàn)實中過大過重的電池并不實用。相比之下，氫燃料電池并不會明顯增加汽車的重量，并且即使在氫動力汽車尺寸明顯增加的情況下，氫燃料電池組件的重量和尺寸也能夠保持相對的恒定。Lipman說：“這種重量優(yōu)勢是巨大的?！眱涔薜某叽缬袑嶋H限制，續(xù)航600 km的卡車僅需要約1.5 m3的儲氫罐。所需儲氫罐的尺寸隨著汽車尺寸的增長呈線性增長。

此外，大多數(shù)可以考慮使用氫能源的重型車輛并不那么依賴于分布廣泛的燃料補給站網(wǎng)絡(luò)。相反，在大多情況下，公共汽車、長途貨運飛機和軍用車輛都從中央樞紐站駛出，然后遵循預(yù)設(shè)好的路線行駛，這意味著可以從一個地點為整個車隊補充燃料。

大型汽車生產(chǎn)商豐田[15]、通用[3]和戴姆勒[16]計劃生產(chǎn)更多由氫燃料電池驅(qū)動的重型車輛。戴姆勒股份公司在終止其氫動力汽車研發(fā)工作的前幾天，正式宣布與沃爾沃汽車制造商建立伙伴關(guān)系，并為其商用卡車制造氫燃料電池。韓國現(xiàn)代汽車公司目前已經(jīng)建造并向瑞士運送了世界上第一個使用氫燃料電池的重型商用卡車[17]。韓國制造商計劃至2020年年底讓60輛這種車輛上路，至2025年年底這種車輛達(dá)1600輛。美國聯(lián)合包裹運送服務(wù)公司（UPS）[18]和FedEx[19]對使用氫燃料的卡車進(jìn)行試點測試。挪威最大的食品雜貨批發(fā)商ASKO也正在進(jìn)行針對氫燃料電池卡車的試驗[20]。最終，初創(chuàng)公司Nikola聲稱接受了一筆生產(chǎn)14 000輛氫動力半掛式卡車的訂單，但最近由于陷入與美國證券交易委員會（US Securities and Exchange Commission）的糾紛，其主席于2020年9月退出了該公司[21,22]。

盡管成熟的制造商正在削減氫動力汽車領(lǐng)域的業(yè)務(wù)，但至少有一家氫動力汽車新興公司正在嘗試打入市場，例如，Hyperion公司制造了一款非常高端的乘用車[23]（圖2）。

但是，即使有了這樣的新興公司以及向重型汽車市場的轉(zhuǎn)變，該技術(shù)的潛力仍無法預(yù)估。“如果使用氫動力汽車的主要目的是減少碳排放以抑制全球變暖，我們必須意識到，氫燃料電池不太可能在2050年之前在陸路運輸中發(fā)揮重要作用。”Whitehead說道，“我們最好將努力集中在更節(jié)能、更具成本效益和更成熟的技術(shù)開發(fā)上，并探索如何使用氫或氫基燃料來支持更難脫碳的海運業(yè)和航空業(yè)?！?/p>

圖2.新興公司Hyperion正在研發(fā)的XP-1氫燃料電池汽車擁有1600 km的續(xù)航里程，是其他氫動力汽車平均續(xù)航里程的兩倍以上。XP-1汽車將于2022年在美國投入生產(chǎn)，限量300輛。來源：Hyperion（公共領(lǐng)域）。