鉅大LARGE | 點擊量：841次 | 2021年11月11日
氫燃料動力電池：是最終方法還是愚蠢的投資？
加氫3分鐘，續(xù)航600公里。
比較飽受白名單呵護與資本青睞的動力鋰離子電池：“快充20分鐘，續(xù)航300公里”已經(jīng)是業(yè)內(nèi)翹楚。
“被騙了！動力鋰離子電池是大忽悠，氫燃料動力鋰電池才是最終能源方法！”
這樣的報道鋪天蓋地而來。配著總理的表情，一時掀翻了國內(nèi)輿論。
宇宙第一元素，最終的清潔能源——身負盛名，氫是救世主？是炸碎動力鋰離子電池統(tǒng)治的重磅炸彈？
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
又或者，難成大器，如鋼鐵俠ElonMusk所言：“氫燃料動力鋰電池的投資非常愚蠢”。
純電動一路狂飆，氫能源暗自磨刀
2017年，全球純電動汽車銷量122萬輛，相比2016年上升近五成。得益于政府的鼓勵政策，我國的純電動汽車銷量65.2萬輛，撐起了半個地球。反觀氫燃料動力鋰電池車，2013年到2018年，累計銷量6475輛，其中75%的銷量由豐田貢獻。
“產(chǎn)業(yè)化落后了不止十年！”看衰氫能源車的人聲稱。
然而，主流動力鋰離子電池的局限，業(yè)內(nèi)人都一清二楚。即使是Model3所采用的，目前能量密度最高的三元鋰離子電池21700，能量密度也不過是300Wh/kg，快充30分鐘，續(xù)航210公里。充滿的話可是充滿氫燃料動力鋰電池車的兩個儲氫罐只需3分鐘，續(xù)航里程達600公里。單純從用戶體驗和擺脫里程焦慮的角度，氫燃料動力鋰電池有碾壓優(yōu)勢。
雖然純電車的急先鋒馬斯克號稱，下一代的Tesla將會擁有長達800公里續(xù)航能力的電池，但是業(yè)內(nèi)人一清二楚，目前高鎳三元鋰離子電池如811尚且面對多種技術(shù)挑戰(zhàn)，鎳的用量新增之后，會導(dǎo)致相應(yīng)的電極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低，從而導(dǎo)致電池循環(huán)壽命和安全性大幅降低。
打嘴炮沒用，還是要看數(shù)據(jù)。
氫氣1個標準大氣壓密度為0.0899克／升，熱值為1.4億焦/kg，也就是大約1公斤氫氣完全釋放能量有39度電，轉(zhuǎn)換效率最高60%，按500公里80度電算要3.45公斤氫氣（以Mirai為例），大約38375升體積，用60升高壓罐裝要加壓到639個大氣壓。目前豐田和本田已經(jīng)將70MPa的高壓儲氫罐應(yīng)用于量產(chǎn)，氫燃料動力鋰電池車一口氣跑500公里不是個問題，背一個儲氫罐就能搞定。
事實上，身為化學元素周期表上的第一元素，氫生來是種“宇宙黑科技”。雖然在地球上易于逃逸，常以化合物的身份存在，但在廣袤宇宙之中，氫是含量最豐富的元素——太陽就日以繼夜地進行氫聚合反應(yīng)，釋放出巨大的能量，為太陽系帶來光明與生命。
而地球之上，所有人類活動都建立在能源之上，人類生活水平的提高，必須以人均消耗能源的提升為基礎(chǔ)。人類歷史上每一次成功的能源變革，都有一個清晰的主線邏輯，就是能量密度（或者說熱值）出現(xiàn)數(shù)量級上的躍升。
如煤炭能量密度是木柴的160倍，石油約為煤炭的2倍。這類似英爾特創(chuàng)始人格魯夫在IT領(lǐng)域提出的10倍速原理，即能夠成功顛覆（10倍提升）的新技術(shù)一旦出現(xiàn)，便會星火燎原，摧枯拉朽。這反映在煤炭替代柴薪，石油替代煤炭之上。
各類能源能量密度約為下表，氫氣表現(xiàn)出了“一騎絕塵”的高能量密度：
（三元鋰電替代汽油機的過程如此費勁，也怪能量密度的先天不足啊?。?/p>
而除去能量密度，更清潔亦是能源發(fā)展的線索：從伐薪燒炭到發(fā)現(xiàn)煤炭，再到利用石油，利用天然氣，能源的進化史事實上是一場“脫碳的革命”——假如薪柴的碳元素含量是一百個碳單位，煤炭的碳含量是十個碳單位，石油的碳含量減少到了一個碳單位。煤炭相比薪柴更清潔，石油相比煤炭更清潔；到了氫，由于不含碳，燃燒后的產(chǎn)物是水，因此可看作是“零碳排放”的高清潔能源。
縱觀能源史，從能量密度和含碳量的歷史規(guī)律上，氫燃料動力鋰電池給了人們許多的想象空間——動力鋰離子電池難堪能源變革的重任，氫能源才是最終能源？
難怪動力鋰離子電池一路狂飆背后，以豐田為首的公司暗暗磨刀，準備為開拓氫燃料動力鋰電池而披荊斬棘。
而馬斯克等人為何會鄙視氫燃料動力鋰電池車是種“傻瓜能源”呢？加州的ZEV法案（類似于我國的雙積分），讓做出零排放的ModelS的Tesla從通用等傳統(tǒng)車企手里賺了不少積分錢，而豐田、本田FCV的推出顯然是來“砸場子”的。早在2013年，特斯拉通過賣ModelS的積分就大賺1.4億美金，一度實現(xiàn)盈利。而氫燃料動力鋰電池由于超高的續(xù)航里程和0排放量，積分超過BEV。
馬斯克看到有人搶他生意，怎能不急？
宇宙黑科技受到質(zhì)疑
氫燃料動力鋰電池的工作原理遠沒有“宇宙黑科技”的名頭那么復(fù)雜。說白了，就是氫氣和氧氣化合反應(yīng)生成水、電，放出熱量。所以原料一邊是空氣，一邊是用各種方式提取出來的高純度氫氣。
氫分子又小又活潑。它透過質(zhì)子膜時，電子被從分子上剝離，只留下帶正電的氫質(zhì)子通過，氫質(zhì)子被吸引到薄膜另一側(cè)的電極與氧分子結(jié)合。電解質(zhì)薄膜兩側(cè)的電極板將氫氣拆分成氫離子（正電）和電子、將氧氣拆分成氧離子（負電）和電子，電子在電極板之間形成電流，兩個氫離子和一個氧離子結(jié)合成為水，是反應(yīng)的唯一廢物。
整個過程可以理解成蚊子無法穿過紗窗，但是更小的灰塵卻可以。那么“紗窗”——質(zhì)子交換膜就是這一過程中最核心的技術(shù)。質(zhì)子交換膜中又以鉑金（Pt）為催化劑，Mirai用了約100克鉑，按照現(xiàn)在181元/克計算，催化劑就用了近2萬塊。質(zhì)子交換膜以杜邦的Nafion為例，約為一平方厘米10元人民幣，按照用量一平方米計算，光是質(zhì)子交換膜的成本就在10萬元左右。另外還需高壓儲氫罐成本6萬。
橫向比較，傳統(tǒng)汽油車2L發(fā)動機的成本約為3萬元，鋰離子電池成本約1.2元/Wh,Tesla主流配置的75KWh三元鋰離子電池成本約為9萬。兩相比較，氫燃料動力鋰電池的成本還是高出不少，現(xiàn)階段不靠政府補貼很難走下去。
另一方面，氫的制備技術(shù)雖然較為成熟，但全世界96%的氫都來源于化石能源的產(chǎn)業(yè)鏈條?？墒秋@然，依賴石油化工是沒有未來的，氫的制備若要真的綠色環(huán)保，還是要大力發(fā)展那4%的電解水方式——特別是生物制氫和太陽能電解水。
安全，則是另一個重大問題。
有關(guān)氫，人類曾經(jīng)有過非常痛苦的記憶。1937年，曾經(jīng)成功12次往返大西洋兩岸的德國豪華氫氣飛艇“興登堡”號，即將降落在美國新澤西州萊克赫斯特鎮(zhèn)。由于這是一艘世界最豪華的飛艇，豪華程度碾壓泰坦尼克號。它滿載著名流，現(xiàn)場有22架攝像機和眾多記者迎接“興登堡”號的降落。誰知在降落過程中飛艇突然著火，尾部爆炸，頓時在空中燃成了一團火球，造成37人死亡。鏡頭被直播給了全世界，造成巨大的震動。
盡管至今有關(guān)事故成因依然爭論不休，但氫氣易燃易爆確是不爭的事實。此世故結(jié)束了飛艇的歷史使命，更為氫的安全性蒙上陰影。
然而氫氣超高的能量效率依然吸引著人們探索。航天探索中，長征三號系列的三級發(fā)動機、長征五號一級二級主推進發(fā)動機，都采用了氫氧火箭發(fā)動機。航天技術(shù)中廣為應(yīng)用的液氫存儲技術(shù)也逐漸向民用領(lǐng)域推進。
能量效率高，成本也高；清潔，卻存在安全隱憂。身為“宇宙黑科技”，想要落地并不容易。降低成本、存儲、和加氫站建設(shè)是最核心的三個突破點。
日本——氫能源的天時地利
氫能的利用，目前走在世界前列的是日本。日本提出了“氫能社會”的構(gòu)想，豐田量產(chǎn)了第一輛性能優(yōu)越的氫電池車Mirai，本田也推出了Clarity，加氫三分鐘，續(xù)航750公里。日本至今建設(shè)了92座加氫站。其他國家或堅守燃油，或大力發(fā)展純電的時候，日本“朝氫走”走得特別堅定。
說是天時地利，其實背后是一把辛酸淚。
日本這個島國資源特別匱乏，也就剩下能捕點金槍魚了。明治維新之后，為了保證國內(nèi)的經(jīng)高速上升必須搶資源，就到處侵略別人。戰(zhàn)敗以后，就靠著美國老大哥開路，從中東運石油。也許是因為資源底子薄，日本人的危機意識也就特別強，努力尋找不必依賴別人的能量來源。前些年日本的核電很厲害，占到所有發(fā)電量的30%，可是2011年福島事件后，日本政府不得不將一系列關(guān)停。到了今天，日本的核能發(fā)電只占全國發(fā)電量的2.7%，出現(xiàn)了巨大的空白等待填補。
同樣資源匱乏，懼怕核能也排斥火電的，去年頻頻爆出電荒，更是造成了815停電事件等影響惡劣的事件。日本可不想學“用愛發(fā)電”，有沒有替代的辦法？
氫能于是走進規(guī)劃。
日本看重的不僅是氫能源的高效與清潔，在煤炭和石油時代，人們早已發(fā)現(xiàn)了氫可作為煉制化石能源的副產(chǎn)品，因此氫的制備多種多樣，還可以很好地利用起石油時代的基礎(chǔ)設(shè)施和產(chǎn)業(yè)鏈。
以我國比較成熟的氯堿法制氫為例，2015年，我國氯堿廠產(chǎn)量為3028.1萬噸。根據(jù)氯堿平衡表，燒堿與氫氣的產(chǎn)量配比為40:1，理論上將出現(xiàn)氫氣75.7萬噸，即85億立方米氫氣，理論上可以供243萬輛乘用車使用。但考慮氯堿廠區(qū)域分布、運輸距離、期間損耗及不同車型的耗氫量，供應(yīng)幾十萬輛燃料動力鋰電池車的規(guī)模問題不大。
還有一個因素就是寒冷。鋰離子電池的低溫性能到今天都得不到很好的解決，而日本緯度較高，最溫暖的地區(qū)也不過和山東的溫度近似，跟溫暖的加州和純電跑得最多的華東華南實在沒法類比。氫燃料動力鋰電池不受溫度的制約，這在日本看來有不小的吸引力。
而且日本是個非常狹長的島國，主島本州島的寬度在50—230公里之間。一個加氫站覆蓋100平方公里左右的面積，就算僅僅將加氫站在日本沿海布局，好像戴一串珍珠項鏈相同，也基本可以滿足日本加氫的需求了。
想及我國廣袤無垠的內(nèi)蒙古、青海、西藏和新疆，每個加氫站的成本1500萬人民幣，額，不敢再想下去了……
是因為天時地利，也是因為無可奈何，日本成為了全球氫能利用的急先鋒。借2020年東京奧運會，日本計劃全面展示氫能社會的建設(shè)成果，包括4萬輛氫燃料汽車的全國保有量。而這一數(shù)字在2025年和2030年將分別達到25萬臺和80萬臺。日本為氫能源的利用畫下了充滿希望的藍圖，這或許為與日本非常類似的國家的地區(qū)指了一條能源明路。
再看看韓國。
今年的美國CES，韓國現(xiàn)代展出了第五代氫燃料動力鋰電池車Nexo——續(xù)航里程高達805km，百公里加速僅9.9秒。目前，韓國共有加氫站11座，計劃到2020年達到100座。到2020年計劃將有1萬輛氫燃料動力鋰電池轎車上路。
此外，美國的加州也在積極探索氫能源，目前美國有1800輛氫能源車在路上跑，基本上是大巴和叉車，約30座加氫站沿著美國西海岸分布在加州。目前美國的加氫站約55座，在建的65座，絕大部分在為氫燃料大巴或叉車服務(wù)。豐田賣到美國去的千余輛Mirai顯然會進一步推動加氫基礎(chǔ)設(shè)施區(qū)域化的建設(shè)。
從日本、韓國、加州的例子可以看出，氫燃料動力鋰電池車或許是一種非常具有地域特色的解決方法，尤其適合狹窄，人口稠密，能源匱乏以及高度要求環(huán)保的地點。如同各國目前的能源獲取有各種各樣的方式，煤炭多的例如我國，火電占比在40%；核能發(fā)達的例如法國，核能發(fā)電占總發(fā)電量的70%；風能呢？在大部分國家占比1%，可是在適宜的風能的荷蘭就占到發(fā)電量的6%以上。
與能源的多樣共存相同，氫能也將成為一個重要的汽車動力來源，在未來的一段時間，在適宜的地區(qū)發(fā)展。與純電動汽車一起，徹底顛覆燃油車的時代。
氫能在我國
在我國發(fā)力純電，致力于顛覆發(fā)動機的百年積淀之時，氫能一直是一個劍走偏鋒的選擇。
劍走偏鋒的選擇未必不是一個好選擇。別忘記，我們說的是一個年銷量2000多萬輛，存量達3億輛的市場。新能源車將燃油車逐步替代的過程，無疑會打亂現(xiàn)有格局，好的產(chǎn)品，都有機會分一杯羹。
2018年六月二十八日，北京天氣燥熱。我國電動汽車百人會與國際氫能委員會在清華大學舉辦的“氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)新論壇”的熱度甚至更勝過天氣。
氫能產(chǎn)業(yè)、汽車、能源等各方專家人士擠滿了會場。清華大學校長邱勇、我國電動汽車百人會理事長陳清泰為論壇致辭；全國政協(xié)副主席萬鋼，中科院院士、清華大學教授歐陽明高，我國工程院院士干勇，國家能源集團總經(jīng)理、我國工程院院士凌文，液化空氣董事長、國際氫能委員會聯(lián)席主席BenoitPotier，現(xiàn)代汽車集團副會長、國際氫能委員會聯(lián)席主席YangWoong-chul等嘉賓發(fā)表了精彩演講。
事實上，在純電世界賺得了成長紅利的寧德時代等公司之外，早有產(chǎn)學研的專家默默耕耘在氫能領(lǐng)域。當動力鋰離子電池的能量密度為這一技術(shù)的應(yīng)用前景蒙上陰霾的時候，我國早有一些公司開始布局氫能。
或許，他們博取的不是一個巨大的主流市場，但只要產(chǎn)品對路，相同可以有光明前景。
就是這樣，有兩股氫能勢力悄然崛起。
在山海關(guān)之北，有一家大連的公司名叫新源動力。2000年初，這家公司脫胎于中科院大連化學物理研究所。之前提到的氫燃料動力鋰電池的核心技術(shù)是質(zhì)子交換膜，新源動力就選用了這一領(lǐng)域世界領(lǐng)先的供應(yīng)商戈爾戰(zhàn)略合作。2006年，“燃料動力鋰電池及氫源技術(shù)國家工程研究中心”在新源動力掛牌，這里開始承接國家重點項目，2007年，上汽悄然入股新源動力1.17億元，這在當時并未引人注目，直到今年總理參觀豐田北海道廠之時，才重又被人提起。
在造車新勢力在純電領(lǐng)域拼得刺刀見紅之時，上汽大通搭載新源動力HYMOD?-300型車用燃料動力鋰電池電堆的榮威750推出。并赫然名列工信部最新公布的白名單目錄。這一車型成功進行了歷時三個月，途徑14省25市，行程10000公里的旅行。無疑，上汽在深度電動化的同時，也沒放棄另辟蹊徑。
而嶺南之南的佛山，有一個叫做云浮的小鎮(zhèn)，這里也即將發(fā)起一場新能源和新出行的革命。國鴻氫能科技有限公司與氫燃料電堆技術(shù)的全球領(lǐng)先者巴拉德于2016年七月成立合資公司，國鴻氫能股比90%，巴拉德股比10%。同時，巴拉德將成為合資公司生產(chǎn)的每個燃料動力鋰電池堆的膜電極組件(MEA)的唯一供應(yīng)商；在“采購或付款”協(xié)議中規(guī)定，在2017年至2021年的最初五年期間，MEA最低采購量超過1.5億美元。在運行調(diào)試后，合資公司將擁有在我國制造和銷售FCveloCity?-9SSL電堆的獨家權(quán)利。
我國這個具有巨大潛能的市場令巴拉德雀躍。事實上，巴拉德的燃料動力鋰電池野心一直志在全球。包括奔馳、福特、豐田、大眾和本田在內(nèi)的眾多車企均是基于加拿大巴拉德公司燃料動力鋰電池電堆(Mark900)開發(fā)了自己的第一代燃料動力鋰電池汽車，其中奔馳和福特還參股巴拉德18%和20%的股份。
而通過定向增發(fā)持有巴拉德9.9%股權(quán)的大洋電機也與國鴻氫能簽訂了一萬輛氫能大巴的大單。自2016年起，云浮佛山之間就開始有國鴻氫能生產(chǎn)出的氫能大巴往返兩地。
盡管還沒有寧德時代這樣的頭部公司，但是氫燃料領(lǐng)域無疑已經(jīng)開始涌入玩家布局。面對我國商用車、乘用車這個天量市場，我們不應(yīng)忽視任何一種可能性。
當別國發(fā)展氫能源最大的阻礙是天價的加氫站建設(shè)費的時候，天朝笑了?；A(chǔ)設(shè)施？這向來不是一個問題。
在純電動一路狂飆之時，氫能源暗自磨刀。當質(zhì)子交換膜、鉑用量顯著降低、氫的清潔制備、低溫存儲氫技術(shù)得到突破之時，或許就是氫能廣泛落地之日。
當我們放眼一個10年，有關(guān)汽車來講是兩個世代更替，而有關(guān)人類在能源革命上的探索，不過歷史的一瞬。
氫燃料動力鋰電池或許是最終解決方法，但這仍需時光來證實。但從眾多國家與公司的深度布局上看，說是大忽悠實在太過武斷。新能源車是個不斷在擴充的天量市場，可以容納下眾多的產(chǎn)品。
百花齊放，勝過孤注一擲。何況這是有關(guān)全人類能源消費方式的升級探索。
相信科技，為人類留了不止一個好選項。
