「风评」氢燃料电池技术是“充电焦虑”的解药吗？

御风派 2020-12-02 09:12:05

上世纪 60 年代，氢燃料电池就已经被成功地应用在“阿波罗”飞船上；历经半个世纪之后，氢燃料电池技术才被应用到汽车动力系统中来，并被多个国家列为能源战略。那么与纯电动汽车相比，氢能源汽车有何优劣势？

纯电动并非最佳解决方案

氢燃料电池技术有着「零污染」优点，相较于纯电动车型，它没有笨重的电池组，也没有大容量电池的寿命、成本，以及高污染的问题；更重要的是，氢燃料车型不需要改变「补能」习惯，加氢速度基本与加油时间相当，自然也就没有续航里程方面的焦虑。问题来了，既然氢燃料电池汽车能够完美解决纯电动汽车的痛点，为何国内还要优先发展纯电动汽车，而不是氢燃料电池车呢？

因为中国是全球锂矿储量较大的国家，丰富的锂矿资源能够支撑起新能源汽车的原材料需求。不过，在国内的电力结构中，火电的比例长期接近 80%，即便目前中国的火力发电能效和排放水平已经达到全球最好水平，但仍然存在环保争议。因此，当核能的安全性还存在争议，国内风电和光伏能源比例较低时，那就需要我们另谋一条「非纯电」的道路了。

专利在手却孤掌难鸣

虽然氢燃料电池技术足够环保，但并没有在世界各地广泛普及，目前仅有丰田 Mirai、本田 Clarity Fuel Cell 和现代 NEXO 三款氢燃料电池汽车被应用到民用市场。除了基础建设、材料成本等影响到该技术的广泛普及，还有一个让人又爱又恨的名字叫「专利」。

▲ 丰田 Mirai

早在 1992 年，丰田就开始研发燃料电池汽车技术，并在全球申请了 2 万多项相关专利。2015 年初，丰田公司突然宣布将无偿开放 5,680 项燃料电池相关专利，其中包括：燃料电池、储氢罐电池控制系统等方面的专利。

近 30 年的研发，如今丰田将专利无偿开放，丰田究竟在打怎样的算盘？这件事并非表面看得这么简单。

▲ 现代 NEXO

丰田敢于开放氢燃料电池专利，原因之一是丰田对自家技术的自信，车企想通过丰田的专利共享从而实现「弯道超车」依然有很大难度；第二个原因是氢燃料电池汽车的整个产业链很长、很复杂，且基础设施（加氢站）不完善，一家独大的丰田面临着制造成本居高不下的现实，根本不能形成产业的规模化效应。

▲ 本田 Clarity Fuel Cell

氢燃料技术的春天来了？

「开放专利技术，让更多车企加入」，这看起来更像是丰田在借他人之手培育市场，但无疑也是一件好事。近十年来，上汽、北汽、长城、长安、奇瑞、东风等车企陆续加入氢燃料电池的研发中，五年前，他们开始尝到丰田专利技术的甜头。

例如：着眼于未来 10 年的长城柠檬平台将搭载氢燃料动力；宝马将于 2022 年使用丰田单体燃料电池，实现 i Hydrogen NEXT 车型小范围量产。而广汽埃安 LX Fuel Cell 走在了国产氢能源汽车队伍的最前列。

埃安 LX Fuel Cell 享用了丰田 Mirai 同源技术，而且新车计划将于 2020 年底投入示范运营，工信部发布的今年第 12 批新能源汽车推广应用推荐车型目录中，我们已发现了它的身影，这也意味着国内的氢燃料汽车和加氢设备已准备进入实质性的发展阶段了。

了解埃安 LX Fuel Cell

埃安 LX Fuel Cell 基于广汽 GEP 2.0 平台开发，外观与埃安 LX 车型相似，其搭载了广汽自主集成开发的氢燃料电池系统，其额定功率超过 68kW，最高效率达 62.2％，3-5 分钟即可完成氢气加注，综合工况续航超过 650 公里（与埃安 LX 80 版相同）。

▲ 广汽 GEP 2.0 平台

官方资料显示，埃安 LX Fuel Cell 搭载两个 70MPa 的高压储氢罐，容量分别为 53L 和 77L，最多可存储 5.2kg 氢气。动力电池使用的是宁德时代的锂电池组，而燃料电池系统的核定功率为 70kW，峰值输出功率为 150kW，永磁电机的峰值扭矩为 350Nm。另外，在零下 30℃ 环境中，整车无需外部热源即可实现一键冷启动，续航里程也会不缩水。这里出现了一系列大家较为陌生的名词和数据，什么意思呢？那就要从氢燃料电池的工作原理说起了。

氢燃料电池工作原理

氢燃料电池汽车是利用氢气与空气中的氧气发生化学反应驱动车辆前进，氢和氧反应物只有水，它能做到真正意义的零污染。但由于氢气质量轻、逃逸性好，所以储氢罐需要达到很高的存储压力，埃安 LX Fuel Cell 的储氢罐内部设计压力达到了 70MPa，相当于大约 700 倍的大气压，当然，如此高压的氢气也无法直接使用，需要在储气罐上设置两个减压阀为氢气减压。

▲ 埃安 LX Fuel Cell 氢燃料电池系统

解决氢气的问题之后，还要解决氧气的问题，这里又涉及两个问题：第一，空气有粉尘颗粒的污染源；第二，大气压力太小，氧气浓度太低。因此，空气需要经过过滤，再用空气压缩机进行压缩，得到干净的压缩空气、减压的氢气，并一起送到燃料电池堆进行化学反应。

实际上，燃料电池并非传统意义上的储能电池，确切的说，称之为「化学发电机」更贴切。氢和氧在燃料电池系统中产生化学反应进行发电，并直接输出直流电，但这个直流电容易被干扰且不稳定，所以，又需要加入 DC/DC 转换器来稳定电流电压。最后，一部分直流电被送到动力电池进行存储，另一部分直流电与动力电池输出的电能进行耦合，再输送到电动机驱动车辆行驶。

可见，氢燃料电池技术是通过化学反应实现它的能量转化率，而能量转化越高，也就意味着汽车的能效越高、越节能。当前，汽油机全球最高的热效率是 47.2%（本田的工程样机）；潍柴动力的量产柴油机热效率突破 50%（领先于全球）；氢燃料电池的效率可以接近 60%，而埃安 LX Fuel Cell 则实现了 62.2％的最高效率，要知道，燃料电池要比内燃机的的历史短得多。

储氢罐不是氢弹

科技往往是一把双刃剑，当纯电动汽车为人类带来便利的同时，自燃事故也让大家对新能源汽车心存疑虑。那么，氢燃料电池汽车也会存在危险性吗？理论上，氢气着火或爆炸属于「核聚变」的化学反应，如果没有超级高温、高压，核聚变根本是不会发生事故。

虽然它依然存在风险性，但在很早之前，汽车工程师已经使用多层玻璃纤维强化树脂，以及碳纤维增强树脂夹层等高强度复合材料的设计，进而保障储氢罐的强度。有实验证实，在火烧的情况下，这类储氢罐还可以同时抵抗自动步枪的射击而不爆破，这恐怕是普通油箱达不到水平，想想那些警匪片的电影桥段。其次，两个储氢罐分别布置在最不容易受到撞击的后排座椅下方和后方，而后排座椅靠背的后方区域则强化了防撞结构的强度，安全性又进一步提升。

结语

随着氢能和燃料电池产业的兴起并逐步实现产业化，超过 20 个国家将氢/燃料电池列为能源战略规划。未来，纯电动汽车将会被氢燃料电池汽车所取代吗？从技术特点及发展趋势来看，这两种形式的新能源汽车可以共存：纯电动汽车更适用于城市、短途、乘用车等领域；而氢燃料电池汽车更适用于长途、大型、商用车等领域，因为后者所涉及的基础建设成本、安全因素比加油站、充电站高得多，所以应用前期不可能被大面积投放到民用市场。

虽然氢燃料电池的许多技术难关都已经被攻克，但想要大规模量产应用，目前仍存在「氢制备」和「氢存储」两只“拦路虎”。未来五年内，它要走的路依然很漫长，好在有像埃安 LX Fuel Cell 这样的先行者持续推动着国内氢燃料电池技术的发展。