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氫燃料電池汽車,打得過純電動車麼?



前幾天,寶馬集團首次公佈了BMW i Hydrogen NEXT動力系統的技術細節,也就是新一代氫燃料電池汽車的動力系統。該系統所使用的燃料電池系統通過壓縮氫氣和空氣中氧氣發生化學反應,能夠產生高達125kW(170匹)的功率。

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此外,寶馬集團還與豐田汽車公司合作,雙方將致力於氫燃料電池技術的開發。 BMW i Hydrogen NEXT動力系統就是搭載的雙方合作研發的燃料電池,和寶馬集團獨立研發的燃料電池組和整體驅動系統。

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寶馬集團研發負責人傅樂希表示:“從長期來看,氫燃料電池技術有可能成為寶馬集團動力系統組合的第四大支柱。”計劃將在2022年小規模生產寶馬X5氫燃料電池版本。

筆者第一次了解到“氫氣動力”,是在2007年第一次參觀中國科學技術館時。當時寶馬展示了“氫燃料汽車”,內心激動之情溢於言表,不僅僅是因為這種車排放物僅為“水”,還有當時看到H2R概念車時的衝擊感。

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(寶馬H2R概念車)

不過無論當時寶馬展示的氫動力7系還是H2R,都是利用壓縮氫氣作為燃料替代燃油,也就是仍舊在內燃機中工作,即氫氣遇到氧氣燃燒爆炸產生動能,由內燃機將化學能轉化為動能,通過傳動系統帶動汽車行駛。

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而氫燃料電池則完全是另一種概念,雖然化學方程式仍舊不變,但反應的方式有所不同。在氫燃料電池中,氫氣進入電池,通過催化劑的作用下在PEA(Proton Exchange Membranes,質子交換膜)陰極一側分離為質子(氫離子H+,陽)和電子(e-,陰),因為只有質子能夠穿過PEA進入到另一側,所以電子只能“自尋出路”,沿著電線通過用電器之後進入電池陽極(產生電能),同樣在催化劑作用下,氧氣與質子(氫離子)和電子共同產生化學反應,合成水(H2O)並釋放大量熱量。

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(氫燃料電池工作原理)

注:上圖中整體架構(左右進氣空間、PEM等)合起來被稱之為膜電極(MEA,Membrane Electrode Assemblies),也就是PEM類型氫燃料電池的核心。燃料電池單個輸出電壓約為0.8~1V,所以真正車載燃料電池其實是燃料電池組,也就是並聯串聯一大堆單個燃料電池,來保證電壓和輸出功率。

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氫燃料電池與氫燃料內燃機相比,其能源利用效率要高很多。內燃機效率理論值可接近50%,但實際上大約在25%左右,而氫燃料電池效率可高達60%(轉化為電能),如果算上熱能回收利用,總體效率可超過90%(CHP效率, Combined Heat and Power)。

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(不同種類燃料電池工作溫度、輸出功率、效率、應用領域,其中車載氫燃料電池為PEM類型)

雖然氫燃料電池技術早在1838年就被發明了,並且隨後在太空(1960年NASA採用的培根燃料電池)、發電、小型機械和電氣設備供能等領域被採用,但受到PEA材料以及諸多限制,仍不足以應用於汽車產品。 1991年,Roger Billings研發了第一個氫燃料汽車,真正讓氫燃料電池技術引入汽車領域。

然而隨後的發展卻並未如預期般順利,近30年過去了,如今市場上真正量產並銷售的氫燃料電池車,僅有現代NEXO、本田Clarity、豐田Mirai。

為什麼?

首先是製造成本問題。氫燃料電池汽車的工作原理類似混動車型,低功率時,由電池提供動力,而需要急加速時,燃料電池介入為電機提供電能,電池電量低時,燃料電池則為其充電。

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(圖/豐田)

所以其動力系統可以完全可以照搬純電動車,例如上文中提到BMW i Hydrogen NEXT系統中,其動力系統就是從純電動車型iX3上拿來的;而氫燃料電池和儲氫罐則可以被當作是發電機,在需要時候提供動力和向電池充電。

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(圖/豐田)

問題就在這裡,氫燃料電池本身作為核心部分,其成本很高。一方面由於產量不大(多個原因,下文分析),無法利用大規模生產降低成本效應;另一方面則是氫燃料電池材料中需要昂貴的鉑金屬(或鉑家族),所以從原材料採購成本就較高;最後則是技術原因,氫燃料電池之前未能大規模應用於汽車,其中一個關鍵問題就是壽命,PEM類型氫燃料電池目前全球領先水平其使用壽命大約是5000小時,而國內普遍在2000~3000小時,所以研發成本也會被計入其中。 (SOFC壽命約為40000小時,但由於其工作溫度和其他限制 ,無法應用於汽車)

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(電池本身成本和整體系統成本)

所以當你對比氫燃料電池車輛的售價時,就不難發現比同級別或者同類型車輛要貴上不少。

氫燃料電池汽車,打得過純電動車麼? 1

氫燃料電池汽車,打得過純電動車麼? 2

甚至其價格比續航差不多的電動車也要貴上不少。

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其次是使用問題。普通汽車加一箱油大約在200~300元之間,續航大約在500~600km左右;純電動車以特斯拉Model 3長續航為例,超充加滿為100~150元左右,家衝為30~40元左右,續航在500km左右;而氫燃料電池以豐田Mirai為例,加滿氫燃料(5kg)大約在350~400元左右(70多元/kg),續航在500~600km左右。很明顯,氫燃料電池的使用成本大約是燃油車的1.5~2倍,是純電動車的3~10倍。

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雖然加氫的時間只需要幾分鐘,但加氫站的數量屈指可數,導致氫燃料電池汽車使用更加不方便。當然如果國家要大力發展氫能源汽車,那麼基建或許會在未來快速發展,但這裡面存在一個更大的行業問題,也就是一個導致氫燃料汽車未能快速發展的原因——氫氣來源。

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商業化大規模製造氫氣大致可以分為四種方式:電解水、天然氣、石油、煤炭,分別佔世界氫氣產量的4%、48%、30%、18%。總體而言,工業中常用甲烷或天然氣通過蒸汽重整(Steam Reforming)的方式來製造氫氣。

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通過將甲烷和高壓高溫水蒸氣混合,在催化劑作用下,生成氫氣。這種方式的弊端就在於,工廠需要消耗大量電能、石油能來生產,並且生成物中除了氫氣之外,還有大量二氧化碳。 (當然生產鋰電池同樣會消耗大量能源以及排放溫室氣體,具體詳細對比暫時找不到資料)

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此外,氫氣的存儲和運輸又是另一個難題。由於氫氣的密度極小,所以想要作為燃料運輸和使用,需要使其加壓存入高壓存儲罐,而這就會造成安全隱患,一旦運輸過程或存儲出現問題,就會發生嚴重的爆炸事故,例如之前挪威和美國德克薩斯州朗維尤發生的氫氣站爆炸,十幾公里外都能感受到衝擊波。

所以“自產氫氣”的加氫站出現,不過顯然不可能採用上述工業大規模製氫手段,只能使用電解水方式。該方式不被大範圍應用的原因在於,利用電能電解水產生氫氣和氧氣,然後氫氣被燃料電池利用產生電能,即便期間從生產到車輛使用的效率為100%,那麼初始使用的電能仍超過最終產生的電能。所以“自產氫氣”的加氫站只能通過太陽能等手段先發電,然後再製氫。這種方式的弊端在於,產量低下,每天制氫數量也許只能滿足十幾輛或者幾輛氫燃料汽車使用。

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(站內製氫設備)

不僅如此,作為加氫站,其建設成本由於核心設備的進口費,不算土地成本,其建設費用約為1500萬,而如果是具有站內製氫能力的加氫站,其建設成本則高達2000 ~3000萬。並且,據中商產業研究院報告,加氫站中氫氣成本約佔7成。相比之下,加油站除了土地費用之外,其建設成本不過百來萬,而加電站則更低,一個最貴的直流超充樁需要2~4萬,普通樁則只需要幾千元。

拋開上述所有原因之外,氫燃料電池汽車還有一個不被注意的問題——能源使用效率問題。氫燃料電池雖然比內燃機效率高不少,但對比純電動車而言卻差很多。雖然從動力系統汲取電能並轉化為動能,兩者效率差不多,但氫燃料從生產到運輸再到燃料電池,這期間效率損失巨大,而與之對應的發電廠到電網再充入鋰電池,這期間效率較高。

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那是否氫燃料電池汽車就沒有未來了?

這要分成兩部分來看,對於大規模個人乘用車角度而言,就目前製氫、運輸、存儲等各個方面來說,對比純電動車除了補能速度之外毫無優勢可言。而對於大型公共交通工具而言,卻有所不同。

氫燃料1kg能量約等於1加侖汽油(約2.65kg),而1加侖汽油約等於33kWh電能,但要存儲33kWh電能,其電池包重量高達幾百kg。所以例如對於飛機而言,攜帶充足的能源,顯然氫燃料最為方便;再例如,行駛路線固定的公交,和一些物流車輛,其起點終點相對穩定,加氫的快速比之充電而言要迅速不少,尤其對於一些“時間就是金錢”的交通需求,既比燃油車環保,又比純電車輛補能迅速。且對於這些使用場景,其加氫站並不需要遍布全球,只需要在指定位置建設即可。

氫燃料電池技術是人類科技發展中一個里程碑,技術本身是優秀和卓越的,只不過在應用領域還受到諸多限制。可持續能源發展的本質是不依賴有限能源,從而解除人類發展和探索宇宙的“枷鎖”,雖然從效率角度而言,通過太陽能、風能等可持續能源製造氫氣,再進行利用,顯得有些“愚蠢”。但作為一種環保且能量密度較高的存儲介質,筆者相信仍然會在未來被重用。

畢竟,誰還沒遇到過斷電呢。

作者 | 孫鳴遠

題圖 | 寶馬i8氫燃料電池版本