“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，這仍是一個行業性質的大會，與會的大多是這個行業的主管領導、專家學者、企業代表，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系。但是，于無聲處聞驚雷，這兩年從幾位行內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，它正在快步邁向現實。我覺得是應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，整個能源行業都把氫能當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，占了宇宙質量的75%。當氫與氧發生化學反應釋放能量之后，唯一的產物就是水（H2O），完全是零污染。而現在咱們使用的主要能源里都含有碳元素（C），由此所產生的二氧化碳（CO2）排放是造成全球升溫的罪魁禍首。回顧人類能源的發展史，其實也是一部生產力發展史。從農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，人類社會的發展是隨著能源進步而進步的。細細研究其發展，可從中發現一些規律：首先是能源的形態變化，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展路徑，而最理想的終極形態，自然就是氫。

第二，氫能非常好用，具體表現在它的能量密度大、可儲存、可再生、好轉化且轉化效率高。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，它先天所具備的應用優勢。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，而是把電能通過電解水來制氫，再將氫海運過來。再比如，目前咱們國內就有大量的可再生能源（包括風能、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的電受環境影響極不穩定難以并入電網，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，或者運輸到其他地方使用。再舉一個例子，日本為什么這么積極發展氫燃料汽車？其中有一個原因，就是它可以能用來抗災避險，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，為家庭提供應急電力。

氫何去何從？

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

未來氫能如果能得到廣泛應用，這個產業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副產品或由其他能源形式的轉化，將來很有可能變為主產品，最終取代煤炭和燃油。不信您就上網查查看，已經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，氫能應用是否能真正實現低碳甚至無碳，要從整個產業鏈來綜合評判，尤其要把制氫過程產生的碳排放考慮在內。前面所提到的化石能源重整制氫方式，可都是要產生CO2的，要想辦法將其捕獲并封存。用電解水制氫當然沒有這個問題，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。但是目前氫能的應用還停留在示范階段，將來真正實現產業化之后，肯定要在政府指導下利用市場這個杠桿來重新進行調節。僅從氫能獲取以及相關基礎設施的建設來看，通過技術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，但由于相關核心技術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？想當年，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象屢見不鮮。有了前車之鑒，從氫能和燃料電池汽車的產業規劃和政策制定上，就應該想好怎么配合市場的節奏來合理發力，用力過猛會產生泡沫，支持不夠則難以推動。總之，氫能產業實際也是個考量管理者決心和智慧的龐大系統工程，需要跨部門跨行業的整體協作。

Mirar是當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。這幾年統計下來，Mirai的銷量總占比已高達75%，其他還有本田Clarity和現代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化上，哪些國家走在前面呢？當然最領先的也是日本和韓國，從具體應用場景來看，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。

從國內來看，結合咱們的具體國情，氫燃料電池汽車前期發展主要還是著力于在商用車上的應用，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。業內也普遍認為，隨著國內機動車排放標準日益嚴苛，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的真正商業化即將迎來最佳風口期。

消費者最關心的還是這個問題，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，作為率先實現商業化的氫燃料電池乘用車，它們自然是最吸睛的亮點。當然國內企業也有新車亮相，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，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和成本控制方面，咱們和現在的領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要求，電堆輸出功率不能低于驅動電機額定功率的30%，因為比例太低就是“假的”氫燃料電池汽車，有騙補嫌疑了。在此基礎上還設了30kW這一補助標準，乘用車低于30kW按6000元/kW補貼，高于則統一按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，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，地方政府還有相應比例的額外補貼，不同地區的補貼額度不一樣。

“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技術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轉換器3、動力電池（鎳氫）4、高壓儲氫罐（H70）5、驅動電機6、電機控制器7、其他附件（氫循環泵等）

電堆

電堆（Fuel Cell Stack）作為氫能轉化為電能的反應裝置，當然是整個燃料電池系統當中最核心的部件。電堆的內部結構雖然和鋰電差不多，它也是由數百節單電池串聯而成，但是在反應過程當中，要有大量的反應氣、生成水、冷卻劑等流體流經每節單電池。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過程。電堆到底長啥樣呢？有點像是空調蒸發箱，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，最關鍵指標就是它的能量密度。鋰電池講的是多少kWh/kg，電堆則是kW/L。從數字就可知道，咱們和領先者的差距有多大。Mirar的電堆能量密度已經達到了3.1kW/L，據悉未來豐田在這方面很快還會有大幅提升。而目前咱們國內能夠量產的電堆只有2.0kW/L這個水平，更高性能的還停留在實驗室研發階段。

差距到底在哪里呢？歸根結底是在與材料、工藝相關的基礎科學及技術能力上。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量，就得在高純度石墨、質子交換膜、碳紙、鉑催化劑等這些關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的研發上還是有很大突破，制造成本也在下降，為將來的商業化打下了較好的基礎。

此次大會上電堆技術專場也是人滿為患，也說明大家對于電堆技術的關注和熱情。

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，最大的已經超過了100KW。另外，燃料電池電堆當中每單片電池的輸出電壓大約在0.6V-0.8V之間，整體串聯到一起也不會超過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轉換器的最大挑戰。此外值得一提的是，現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。比如這次來參展的深圳福瑞電氣，在這個領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，其實它的全稱應該是氫-氧燃料電池，這個電化學裝置的反應原理實際就是電解水的逆過程，其反應方程式是2H2+O2=2H2O，可見O2作為氧化劑是絕對不可或缺的，如果按空氣化學計量比2.0計算，100kW的燃料電池系統大約需要300Nm3/h（標準立方米/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，所以和傳統的內燃機一樣，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速下運轉；其次，它必須小型而高效；再有，噪音一定要低，因為高速運轉的空壓機是燃料電池汽車最大的噪聲源（主要是電堆和驅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，動態響應性能要好，當功率需求發生變化時，空氣流量和壓力得隨時與其配合迅速做出調整，不能有延遲。據我了解，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。國內這個領域表現活躍的都是跨行業精英，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系統的開發者——瑞典SRM和OES公司，后者曾給不少國際汽車品牌生產過燃料電池系統。

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，在標準狀態下，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加注到儲氫罐里面，有多高壓力呢？國內目前還在沿用行業最初制定的H35高壓氫氣標準，即罐體內部壓力為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膽氣瓶。但海外市場已經在逐漸淘汰H35標準，轉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）內膽，同樣大小可以多存放兩倍重量的氫氣，從而可實現小罐體長續航。還是以Mirar為例，它有一大一小兩個H70儲氫罐，總容量是122.4升，雖然僅能加注5kg的氫氣，但所能提供的續航里程已高達600km。

在H70這個技術標準上，咱們還沒有成熟產品，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。

當然，從H35升級為H70，加氫站的設備也得同步提升，這也是個大課題。

國內目前還采用H35標準，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題——“氫”車熟路，這到底是什么意思？

汽車工業發展到今天這個時代，是應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用已成為業內共識，并且正一步步走向現實。盡管如此，但前方仍荊棘密布，氫燃料汽車的發展沒有任何捷徑，需要國家從戰略層面積極支持和推進，也需要各方通力協作，更需要行業自身努力投入，而最最關鍵的是，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。