氫能：汽車的未來？

尼古拉·斯高班斯奇

在氫能源的設(shè)施配置上，德國遠(yuǎn)比法國先進(jìn)：德國擁有90個加氫站，而法國只有50多個。每個服務(wù)站價值約100萬歐元。這些加氫站的氫氣是由槽罐車供應(yīng)的。

“我相信水總有一天會成為燃料，而構(gòu)成水的氧和氫會成為熱和光的無盡源泉?！边@句動人的承諾并非出自電動汽車制造商特斯拉的老板埃隆·馬斯克之口，而是儒勒·凡爾納筆下《神秘島》中的人物——賽勒斯·史密斯在1875年說出的！

就在機(jī)動車努力跳脫石油限制、尋找轉(zhuǎn)型的當(dāng)下，不但電動汽車吸引了一批又一批的制造商，氫能汽車的研發(fā)也不甘落后：2020年，歐洲共登記氫能汽車864輛，其中法國登記了211輛，比2019年增加了40%。然而，至于氫能是否確如人們所說的那樣優(yōu)秀，以及這類車是否真的有市場，還有待觀察。

在重型車輛上發(fā)揮效力的氫能源，最終有望用于公共汽車。雖然價格仍然令人望而卻步，但滿電后可行駛300公里的優(yōu)勢讓它比純電動巴士更勝一籌。

目前，氫能汽車還屬于電動汽車的一種，它通過一塊氫氧燃料電池為車身供電。在這種電池里，氫和氧結(jié)合產(chǎn)生水，以水蒸氣的形態(tài)從排氣管排出，它的碳排放量幾乎為零。如果說一輛燃油車跑100公里平均排放17公斤二氧化碳，那么根據(jù)法國蒙田研究所于2017年作出的預(yù)測，一輛氫能汽車可將碳排放量縮減至1.4公斤。但是，氫氣在用于發(fā)動機(jī)前，必須經(jīng)過壓縮才行，否則它將占據(jù)巨大的空間。若要續(xù)航100公里，一輛氫能汽車需要1.12萬升的氫氣，相當(dāng)于一輛槽罐車容積的1/3。但是在7萬千帕的壓強(qiáng)下，便可壓縮氫氣，以便在加氫站供應(yīng)。目前，法國已經(jīng)有50多個加氫站為氫能汽車提供氫氣。

如今，這種汽車的燃料易燃性問題已無需擔(dān)憂，因為開發(fā)商已在燃料箱中嵌入了多重安全系統(tǒng)。洛林大學(xué)的教授杰拉爾德·博諾姆表示：“日本豐田、本田以及韓國現(xiàn)代的氫能汽車運行得都非常好。這是一項經(jīng)過驗證的技術(shù)。”

對氫能源的追捧始于2002年。美國經(jīng)濟(jì)趨勢基金會主席杰里米·里夫金在《氫經(jīng)濟(jì)》一書中暢想了一種脫離了石油和污染的“儒勒·凡爾納式”文明。但實際上，目前來看，氫氣還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒達(dá)到清潔能源的標(biāo)準(zhǔn)。95%的氫氣源自化石能源，尤其是甲烷，它在被加熱到880℃后與水蒸氣混合，以分離出氫原子，而剩下的碳原子又與氧原子結(jié)合，產(chǎn)生了二氧化碳。像這樣，若要獲得一公斤氫氣，就會產(chǎn)生至少十公斤二氧化碳！因此，二氧化碳雖然沒有從氫能源汽車的排氣管出來，卻出現(xiàn)在了最初的制氫過程中。

生產(chǎn)“綠氫”的方式還包括生物質(zhì)氣化，這種制氫方式無須通過電解作用。圖為研究人員正在克萊蒙–奧弗涅大學(xué)的帕斯卡學(xué)院做制氫相關(guān)實驗。

為了區(qū)分氫氣的生產(chǎn)方式，人們采用了顏色分類法。黑色代表來源是煤炭，灰色代表來源是甲烷，藍(lán)色則代表在制氫過程中產(chǎn)生的二氧化碳被捕獲和填埋了……“我不喜歡這些顏色。對我來說，只存在有碳?xì)浜蜔o碳?xì)鋬煞N?！辈┲Z姆直言不諱地說。然而就目前而言，制氫是會造成碳排放的。國際能源署的報告顯示，全球每年有7000萬噸氫被用于工業(yè)生產(chǎn)（合成氨工業(yè)、鋼鐵工業(yè)等）。法國每年消費約100萬噸氫氣，這意味著制氫過程中產(chǎn)生的二氧化碳占到了其碳排放總量的3%左右。

事實上，還有一種更環(huán)保的制氫方式——電解水，電只需“打碎”水分子，就能釋放出氫原子。然而，看似足以讓化石燃料出局的這種制氫方式，其產(chǎn)量并不樂觀。“1公斤氫氣能夠產(chǎn)生33千瓦時能源，然而制造它卻需要消耗50千瓦時的電！”博諾姆說。“能源從來不是非黑即白的?！狈▏鴩铱茖W(xué)研究中心研究員、法國氫燃料電池協(xié)會成員奧利弗·茹貝爾表示認(rèn)同。

法國技術(shù)學(xué)院在2020年6月30日的報告中也表示：“為了促進(jìn)氫能在運輸上的使用，我們需要增加核電站的產(chǎn)電量?！钡@是部分國家無法做到的：在福島核泄漏發(fā)生后，德國立即決定棄核，重新使用煤炭發(fā)電。因此，通過電解水制造的1公斤氫氣在德國會產(chǎn)生25公斤的碳排放量。也就是說，德國的氫能汽車比傳統(tǒng)汽車更不環(huán)保！

究竟選擇非核電生產(chǎn)的有碳?xì)溥€是核電生產(chǎn)的無碳?xì)?，這讓法國陷入了糾結(jié)。除非還存在一種完全環(huán)保的選擇——“綠氫”，這一選擇支撐著所有圍繞氫車的樂觀愿景?！啊G氫’是希望，我們只有靠它才能在2050年真正實現(xiàn)碳中和?！彼奈环▏芯空哂?020年在雜志《發(fā)展中的世界》中如是說。為此，我們必須使用電解水的“秘方”，但是這里的電必須完全產(chǎn)自可再生能源，如風(fēng)能、太陽能，也許未來還有生物質(zhì)能。位于法國莫塞勒省薩爾格米訥市的一個加氫站負(fù)責(zé)人稱，自2017年起，他們便開始為顧客提供完全產(chǎn)自可再生能源的氫燃料了。

但就目前來看，“綠氫”的制造仍然被邊緣化：僅占到了全球氫氣產(chǎn)量的5%。原因是“綠氫”的制造條件難以掌控：易受天氣影響，具有極大的季節(jié)性?！疤柲芎惋L(fēng)能就夠了嗎？答案是否定的?！辈┲Z姆說。法國技術(shù)學(xué)院對此持同樣的觀點：“若氫能汽車占到法國目前汽車保有量的1/3，那么以它們對‘綠氫’的需求，我們就需要近300太瓦時的電，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了100%可再生能源的產(chǎn)電量。”2020年，整個法國通過太陽能和風(fēng)能所產(chǎn)的電量為52.3太瓦時，才占到“綠氫”所需電量的1/6。

與純電動汽車一樣，氫能汽車也配有一塊電池，其中儲蓄著由燃料反應(yīng)堆產(chǎn)生的電。然而，氫能汽車的電池也遭到了同樣的抨擊：它的生產(chǎn)過程耗能巨大，且需要用到稀有金屬，尤其是世界上最貴的金屬之一——鉑金（每公斤價值超過2.5萬歐元）。

里夫金口中的“氫經(jīng)濟(jì)”一旦成勢，就會使鉑金的需求和價格飆升，引起地緣戰(zhàn)略大洗牌。某些地方的鉑金產(chǎn)量極高：全世界約70%的鉑金出自南非，俄羅斯排名第二（12%），接下來是津巴布韋（7%）、加拿大和美國。作為鉑金市場的巨頭，南非的比勒陀利亞或?qū)⑹治諝鋾r代的能源之鑰。

然而，在這一設(shè)想令人擔(dān)憂的同時，氫燃料電池的推崇者們已經(jīng)在設(shè)法排除這種可能性了。法國氫燃料電池協(xié)會稱，已在鉑金回收領(lǐng)域取得了進(jìn)步，“最近的科技創(chuàng)新已經(jīng)將電池內(nèi)的鉑金含量減少到了之前的1/2000！”日本交通省甚至宣布研制出了一種效果“喜人”的非鉑催化劑?！皻淠芸萍既杂写纳疲比阖悹柋硎?，“我們需要減少鉑金在電池中的占比。我們會成功的?！?/p>

“氫能汽車的問題在于它不具有任何經(jīng)濟(jì)和能源優(yōu)勢?！辈┲Z姆惋惜道，并稱該類汽車的耗電量是傳統(tǒng)電動汽車的四倍。法國國家科學(xué)研究中心主任弗雷德里克·利韋則更加悲觀：“燃料電池的能量轉(zhuǎn)化效率很難超過50%，加上其他損失，從氫能到電能的真實轉(zhuǎn)化效率僅為40%?！睋Q句話說，費盡千辛萬苦得來的氫氣，有60%都被浪費掉了。氫能汽車的使用者恐怕只能眼看著自己的錢包縮水：加氫站每公斤氫氣預(yù)計售價在10歐元左右?！斑@種能源不會便宜，縱使從長遠(yuǎn)來看。”法國國家氫能委員會成員菲利克斯·馬特斯稱。

貴的不只有燃料，還有汽車。按照發(fā)動機(jī)每千瓦500至1000歐元計算，一輛豐田Mirai——簡單的四門轎車——售價就達(dá)7萬多歐元，而現(xiàn)代Nexo則達(dá)到了8萬歐元。

正如法國技術(shù)學(xué)院所說，政府還要從零打造基礎(chǔ)設(shè)施，“在需求尚未出現(xiàn)的時候進(jìn)行投資，目前看來，只有政府才會冒此風(fēng)險”。據(jù)德國于利?？蒲兄行墓烙?，2000萬輛氫能汽車的制造費用就高達(dá)500億歐元。法國政府于2020年9月宣布，將在2030年前斥資70億歐元用于氫能源行業(yè)發(fā)展，但私家車并不包含在內(nèi)。

2018年，法國原子能和替代能源委員會發(fā)布了《氫能推動能源轉(zhuǎn)型方案》。在此方案中，方向十分明確：能源轉(zhuǎn)型的重點應(yīng)放在電能和生物質(zhì)燃料上，而氫能是最后一招。這一方向主要針對卡車和公交車：在環(huán)境政策的施壓下，這兩類車輛的熱力發(fā)動機(jī)需要逐漸被新型發(fā)動機(jī)取代。然而，對于重型車輛而言，動力電池一旦超過一定體積，其產(chǎn)生的能量就不足以供給車輛長距離運行?！爱?dāng)下的方針應(yīng)當(dāng)是：盡可能多地使用電力，按需生產(chǎn)氫能。”馬特斯總結(jié)道。

如此看來，一個由氫能汽車統(tǒng)治的未來世界希望渺茫，這恰恰也是豐田在2020年發(fā)展計劃中發(fā)布的結(jié)論。豐田只計劃將氫能源用于重型卡車、物流車輛和公交車。那么如何解釋豐田推出的線條優(yōu)美的Mirai轎車呢？“豐田是氫能源的先驅(qū)，”茹貝爾說，“但Mirai的電池其實可以用在卡車上。”因此，Mirai就像一個比重卡更美麗、更具說服力的櫥窗，向大眾展示著氫能技術(shù)的可行性。但更重要的是，它印證了一點，即《神秘島》中賽勒斯·史密斯那預(yù)言般的話語最終只能存在于小說之中。

[編譯自法國《?a M' intéresse》]

編輯：侯寅

2020年，全球共登記10480 輛氫能汽車。韓國現(xiàn)代稱Nexo能夠續(xù)航666 公里 。全球每年因制氫而排放8.3 億噸二氧化碳。

來源：國際能源署

氫能汽車的工作原理和電動汽車相同，但由于它能夠自發(fā)電，其續(xù)航能力是電動汽車的兩倍。

氫能汽車的最初試驗讓工程師陷入了一個兩難境地：應(yīng)該選擇經(jīng)典的往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)，還是應(yīng)將氫氣納入一個電力系統(tǒng)。第一種解決方案吸引了部分汽車制造商的注意，其中就有寶馬——他們認(rèn)為可以發(fā)揮自己發(fā)動機(jī)生產(chǎn)商的優(yōu)勢。只可惜，電動汽車的普及和氫內(nèi)燃機(jī)的低效最終讓德國制造商放棄了開發(fā)計劃。如今，氫燃料電池的技術(shù)已經(jīng)十分成熟，氫能汽車?yán)m(xù)航能力已經(jīng)能達(dá)到700公里。

氫能汽車與普通電動汽車的發(fā)動機(jī)沒有本質(zhì)區(qū)別。在性能方面，氫能汽車毫不遜色。豐田Mirai2的最大功率能達(dá)到182馬力，最大扭矩（加速力）可達(dá)300牛米。從這些數(shù)字來看，它的性能僅次于梅賽德斯–奔馳A級轎車——不到10秒就可提速到100公里/小時。

這一模塊就好比“汽車的大腦”，它能夠根據(jù)駕駛員的操作，控制引擎的運作和電流的產(chǎn)生。為了控制汽車電力系統(tǒng)的成本，工程師設(shè)計時將它放在了發(fā)動機(jī)旁。然而這一選擇也有其缺陷，因為該模塊對溫度有要求，必須在-40℃到160℃之間才能正常運行。

它是燃料電池的左膀右臂。燃料電池產(chǎn)生的電流因使用情況而異，如果電流過小，無法滿足駕駛員的提速要求，那么蓄電池就會參與進(jìn)來。在較為平穩(wěn)的駕駛階段或者剎車時，蓄電池能夠儲存或者回收燃料電池產(chǎn)生的電能。

這是氫能汽車的主打優(yōu)勢：水蒸氣是它唯一的排放物。

氫瓶是氫能汽車的主要安全部件。為了將氫氣置于7萬千帕的壓強(qiáng)下，氫瓶被設(shè)計得特別沉：95公斤重的儲罐只為儲存5公斤的氫氣。由于氫氣十分易燃，為防止撞擊和火源引爆氫氣，氫瓶使用了金屬或聚合物外殼。其閥門裝置能夠確保在遭遇事故時，氫氣能快速排出。

作為氫能汽車的核心部件，氫燃料電池能夠?qū)淠苻D(zhuǎn)化為電能。由于常用鉑金作為導(dǎo)體，因此該電池的價格昂貴。

1、將氫氣送到燃料電池的陽極板（負(fù)極），與此同時，讓氧氣進(jìn)入電池的陰極板（正極）。

2、一個氫原子分解成兩個帶正電的氫離子和兩個帶負(fù)電的電子。

3、氫離子通過一個具有滲透性的交換膜到達(dá)電池的陰極板（正極），但電子無法通過交換膜。

4、電子通過電池陽極板和陰極板之間的導(dǎo)線（鉑金）流動，因流動而產(chǎn)生的電流被用來供給發(fā)動機(jī)。

5、氫離子和電子在陰極板（正極）和氧氣重新結(jié)合，產(chǎn)生水分子，進(jìn)而被汽車以水蒸氣的形態(tài)排出去。