氫能：汽車的未來？

尼古拉·斯高班斯奇

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

“我相信水總有一天會成為燃料，而構成水的氧和氫會成為熱和光的無盡源泉。”這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！

就在機動車努力跳脫石油限制、尋找轉型的當下，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，氫和氧結合產生水，以水蒸氣的形態從排氣管排出，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，那么根據法國蒙田研究所于2017年作出的預測，一輛氫能汽車可將碳排放量縮減至1.4公斤。但是，氫氣在用于發動機前，必須經過壓縮才行，否則它將占據巨大的空間。若要續航100公里，一輛氫能汽車需要1.12萬升的氫氣，相當于一輛槽罐車容積的1/3。但是在7萬千帕的壓強下，便可壓縮氫氣，以便在加氫站供應。目前，法國已經有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憂，因為開發商已在燃料箱中嵌入了多重安全系統。洛林大學的教授杰拉爾德·博諾姆表示：“日本豐田、本田以及韓國現代的氫能汽車運行得都非常好。這是一項經過驗證的技術。”

對氫能源的追捧始于2002年。美國經濟趨勢基金會主席杰里米·里夫金在《氫經濟》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，氫氣還遠遠沒達到清潔能源的標準。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合，產生了二氧化碳。像這樣，若要獲得一公斤氫氣，就會產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，卻出現在了最初的制氫過程中。

生產“綠氫”的方式還包括生物質氣化，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–奧弗涅大學的帕斯卡學院做制氫相關實驗。

為了區分氫氣的生產方式，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，藍色則代表在制氫過程中產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，只存在有碳氫和無碳氫兩種。”博諾姆直言不諱地說。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生產（合成氨工業、鋼鐵工業等）。法國每年消費約100萬噸氫氣，這意味著制氫過程中產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，其產量并不樂觀。“1公斤氫氣能夠產生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。”法國國家科學研究中心研究員、法國氫燃料電池協會成員奧利弗·茹貝爾表示認同。

法國技術學院在2020年6月30日的報告中也表示：“為了促進氫能在運輸上的使用，我們需要增加核電站的產電量。”但這是部分國家無法做到的：在福島核泄漏發生后，德國立即決定棄核，重新使用煤炭發電。因此，通過電解水制造的1公斤氫氣在德國會產生25公斤的碳排放量。也就是說，德國的氫能汽車比傳統汽車更不環保！

究竟選擇非核電生產的有碳氫還是核電生產的無碳氫，這讓法國陷入了糾結。除非還存在一種完全環保的選擇——“綠氫”，這一選擇支撐著所有圍繞氫車的樂觀愿景。“‘綠氫’是希望，我們只有靠它才能在2050年真正實現碳中和。”四位法國研究者于2020年在雜志《發展中的世界》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自可再生能源，如風能、太陽能，也許未來還有生物質能。位于法國莫塞勒省薩爾格米訥市的一個加氫站負責人稱，自2017年起，他們便開始為顧客提供完全產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，具有極大的季節性。“太陽能和風能就夠了嗎？答案是否定的。”博諾姆說。法國技術學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，這遠遠超過了100%可再生能源的產電量。”2020年，整個法國通過太陽能和風能所產的電量為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堆產生的電。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“氫經濟”一旦成勢，就會使鉑金的需求和價格飆升，引起地緣戰略大洗牌。某些地方的鉑金產量極高：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將手握氫時代的能源之鑰。

然而，在這一設想令人擔憂的同時，氫燃料電池的推崇者們已經在設法排除這種可能性了。法國氫燃料電池協會稱，已在鉑金回收領域取得了進步，“最近的科技創新已經將電池內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。“氫能科技仍有待改善，”茹貝爾表示，“我們需要減少鉑金在電池中的占比。我們會成功的。”

“氫能汽車的問題在于它不具有任何經濟和能源優勢。”博諾姆惋惜道，并稱該類汽車的耗電量是傳統電動汽車的四倍。法國國家科學研究中心主任弗雷德里克·利韋則更加悲觀：“燃料電池的能量轉化效率很難超過50%，加上其他損失，從氫能到電能的真實轉化效率僅為40%。”換句話說，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計售價在10歐元左右。“這種能源不會便宜，縱使從長遠來看。”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。按照發動機每千瓦500至1000歐元計算，一輛豐田Mirai——簡單的四門轎車——售價就達7萬多歐元，而現代Nexo則達到了8萬歐元。

正如法國技術學院所說，政府還要從零打造基礎設施，“在需求尚未出現的時候進行投資，目前看來，只有政府才會冒此風險”。據德國于利希科研中心估計，2000萬輛氫能汽車的制造費用就高達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發展，但私家車并不包含在內。

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

如此看來，一個由氫能汽車統治的未來世界希望渺茫，這恰恰也是豐田在2020年發展計劃中發布的結論。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美的Mirai轎車呢？“豐田是氫能源的先驅，”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。韓國現代稱Nexo能夠續航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，但由于它能夠自發電，其續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：應該選擇經典的往復式內燃機，還是應將氫氣納入一個電力系統。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——他們認為可以發揮自己發動機生產商的優勢。只可惜，電動汽車的普及和氫內燃機的低效最終讓德國制造商放棄了開發計劃。如今，氫燃料電池的技術已經十分成熟，氫能汽車續航能力已經能達到700公里。

氫能汽車與普通電動汽車的發動機沒有本質區別。在性能方面，氫能汽車毫不遜色。豐田Mirai2的最大功率能達到182馬力，最大扭矩（加速力）可達300牛米。從這些數字來看，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”，它能夠根據駕駛員的操作，控制引擎的運作和電流的產生。為了控制汽車電力系統的成本，工程師設計時將它放在了發動機旁。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來。在較為平穩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生的電能。

這是氫能汽車的主打優勢：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7萬千帕的壓強下，氫瓶被設計得特別沉：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，氫燃料電池能夠將氫能轉化為電能。由于常用鉑金作為導體，因此該電池的價格昂貴。

1、將氫氣送到燃料電池的陽極板（負極），與此同時，讓氧氣進入電池的陰極板（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電的電子。

3、氫離子通過一個具有滲透性的交換膜到達電池的陰極板（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線（鉑金）流動，因流動而產生的電流被用來供給發動機。

5、氫離子和電子在陰極板（正極）和氧氣重新結合，產生水分子，進而被汽車以水蒸氣的形態排出去。