如果有一天，可以像加燃油一樣，在高速公路服務區加氫燃料，再也不必像鋰電池車那樣長時間排隊充電，無疑將備受期待。而這一願景正由氫能源車一點點得到實現，並將在未來幾年出現在大眾眼前。
要說氫能源車的高光時刻，無疑是2022年北京冬奧會。1,000多輛氫燃料電池車出現在本次冬奧會上，甚至連火炬的燃料也是氫，燃燒後生成水，真正實現零污染，也成就這一場環保的奧運賽事。
近日，日本研究公司Astamuse編制了一份國家排名，對2011~2020年的氫技術競爭力進行評分。Astamuse資料顯示，日本、中國以34,624項、21,235項氫相關技術專利分別位居全球第一、第二位。Astamuse認為，未來中日兩國將在氫能源展開激烈角逐。
整體來看，氫能源是目前最理想的能源類型。儘管目前氫能源車並未成為全球新能源車的主流，但氫能源已煥發出強大的競爭活力。隨著各國新能源政策的頒佈，氫能源技術研究的深入，以及越來越多主流車企的涉足與佈局，氫能源車將在未來與燃料車、鋰電池車「分庭抗禮」，也將成為全球各國實現「雙碳」目標的重要推手之一。
氫能源車已崛起
目前來看，未來新能源車主要有鋰電池車、氫能源車兩個發展方向。兩者相較而言，氫燃料電池本質上就是一個電化學反應的發電裝置，而鋰電池是儲能裝置。氫燃料電池是一種非燃燒過程的能量轉換裝置，透過電化學反應將陽極的氫氣和陰極的氧氣(空氣)的化學能轉化為電能。氫燃料電池發電不受卡諾循環(Carnot cycle)的限制，發電效率可以達到50%以上，若實現熱電聯供，氫燃料的總利用率可高達80%以上。此外，氫燃料電池裝置不含或含有很少的運動零件，運作安靜，較少需要維修，而且電化學反應清潔、完全，產物對環境無污染。
從氫能源車應用來看，相對其他車企，豐田(Toyota)是氫能源車最堅定的支持者，也是該領域的領跑者，手握70%以上的氫燃料車相關專利。據悉，早在1992年，豐田就已經展開了對氫能源車的研究。豐田mirai於2014年12月15日在日本正式上市，是全球第一台量產的氫燃料車；今年6月，在富士舉辦的一場24小時汽車超級耐力賽上，搭載氫燃料發動機Corolla的豐田GR86順利完賽，完美挑戰了傳統燃油車。豐田透過這場比賽，再次向外界充分證明了氫能源車高超的穩定性和動力性能。
日本另一家汽車巨頭本田(Handa)也視氫燃料電池車為終極環保的車輛。儘管2021年本田因clarity系列銷量不佳，決定停產這款氫燃料車，但新一代的氫燃料電池車也正在積極研發中。
相對而言，儘管德國汽車巨頭在氫能源車上沒有日本車企那麼大的熱情，但也開始了相關的產品與技術佈局。據悉，2022年寶馬(BMW)會生產100台X5氫燃料車，2030年，將推出量產版本的氫燃料車，正式對外銷售。大眾集團(Volkswagen)加速氫燃料電池的研發工作，奧迪(Audi)已組建了團隊，代表整個大眾集團研究氫燃料電池，並已製造了幾輛原型車。2017年賓士(Benz)就發佈了以氫燃料電池和鋰電池共同作為能量來源的賓士GLC F-Cell，但因氫燃料乘用車的成本太高，把重心轉移到了重型汽車的燃料電池系統。同時，富豪(Volvo)和賓士正在合作開發氫燃料商用車，燃料電池車預計在2025年開始生產，旨在2030年使該集團一半歐洲銷量為純電動卡車或燃料電池卡車。
2017年9月，賓士在法蘭克福國際車展上發佈賓士GLC f-cell。
(來源：新華社)
美國福特(Ford)則向美國專利商標局申請氫燃料內燃機專利。不同於氫燃料電池車，該專利是一種以氫為動力的渦輪增壓內燃機，未來可能用於混合動力車型。通用汽車(GM)則為重型卡車和飛機等開發研製氫燃料產品，目前正在將該系統擴展到燃料電池電力系統，協助建造發電機和快速充電站。
中國本土汽車品牌方面，上汽、吉利、長城、北汽、廣汽、長安等企業也在深耕氫燃料電池車技術。其中，比亞迪選擇純電和氫能源車多線發展戰略，且獲得「儲氣罐安裝座、儲氫裝置及汽車」專利。長城汽車於2021年正式推出了氫能戰略，目前已經實現「電堆及核心元件、燃料電池發動機及元件(控制器等)、Ⅳ型儲氫瓶、高壓儲氫閥門、氫安全、液氫製程」六大核心技術和產品的智慧財產權完全自主化。
其他車企方面，現代汽車(Hyundai)的NEXO已經獲得中國的新能源執照，可以在中國合法上路。Nexo是現代氫燃料電池車的第二代產品，充氫加注僅需5分鐘，續航最高可以達到800公里。雷諾(Renault)、Jaguar、Land Rover等車企則推出了氫能源概念車、原型車。
不過，鑒於長續航里程、低溫性能優越、加注時間短等優勢，氫燃料電池車將更適合用於長途、大型、商用車領域，預計未來氫燃料電池車將與純電動汽車長期並存互補，可望形成「乘鋰商氫」新能源車市場格局。
另外，相對其他能源，氫能具有來源廣、燃燒熱值高、能量密度大、可儲存、可再生、可電可燃、零碳排等優點，屬於可再生二次能源。透過氫燃料電池技術既可以應用於汽車、軌道交通、船舶等領域，也可應用於分散式發電(家用/商用)和儲能領域；還可以透過直接燃燒為煉化、鋼鐵、冶金等產業提供高效原料、還原劑和高品質的熱源。未來，氫能源關乎到能源安全、關乎到全球經濟、關乎到雙碳目標的實現，將具有廣闊的應用空間。
各國角逐氫能源戰略
美國是全球最早制訂氫能戰略的國家，早在2002年就發佈了《國家氫能路線圖》，2019年FCHEA發佈《氫能經濟路線圖》，將佈局氫能大規模應用。德國是最早啟動燃料電池項目的國家，早在1999年就建立了首家加氫站。2008年歐盟成立氫能源和燃料電池聯盟(FCH-JU)，提供大量資金支援，推動產業發展。2019年FCH-JU發佈《歐洲氫能路線圖》，規劃在2050年達到24%的氫能佔比。
近年來，韓國持續加強對氫能產業的支持力度，推出一系列財政補貼政策；2019年發佈《氫能經濟發展路線圖》，計畫到2040年實現氫燃料電池車普及量620萬輛，加氫站1,200座。
相對其他國家而言，氫能源已經上升為日本基本國策，或者說是其國家的戰略性選擇，而氫能源車僅僅是日本建構「氫能源社會」的重要一環。日本之所以如此看重氫能，主要是因為其國內資源匱乏，煤、石油和天然氣嚴重依賴進口。二戰時期，日本就因石油資源冒險發動珍珠港襲擊事件。可以說，能源一直成為日本發展最關注的頭等大事，根據相關資料顯示，日本最高峰是超過90%的化石能源依賴進口。
很長一段時間內，日本大力發展核電來緩解能源壓力，但福島核事故以後，使日本加快了氫能替代的步伐。2013年，日本推出的《日本再復興戰略》，把發展氫能源提升為國策。隨後，日本又發佈了一系列氫能政策，使國家戰略《日本再復興戰略》、能源發展戰略《能源基本計畫》和氫能發展戰略《氫能/燃料電池戰略發展路線圖》從三個層次指導日本「氫能源社會」的建設。
日本國土狹小、人口集中，核電站出問題無疑是滅頂之災。而寄予厚望的風電和太陽能因發電不穩定性，無法實現技術上突破，日本當下的電力依然主要依靠的是天然氣、煤電和核電。正如有人評論：發展氫能，日本算是賭上了國運。相對日本在氫能源上的「態度」，中國則是「兩邊押寶」，在發展鋰電的同時，也鼓勵氫能源的發展。
2021年8月中國氫燃料電池車補貼政策正式落地，北京、上海、廣東等三個城市群入選首批獎勵範圍，氫燃料電池車產業發展進入快車道。2021年12月，財政部等五部門印發了《關於啟動新一批燃料電池車示範應用工作的通知》，示範期為4年。目前，中國已初步形成京津冀城市群、上海城市群、廣東城市群、河北城市群、河南城市群5大燃料電池車政策支持示範城市群。
今年3月23日，國家發改委與國家能源局又聯合印發了《氫能產業發展中長期規劃(2021~2035年)》。作為首份氫能源國家戰略，規劃明確了氫的能源屬性，首次明確了氫能是未來國家能源體系的重要組成部分，並確定可再生能源制氫是主要發展方向。根據此項國家氫能源戰略，中國的目標是到2025年在北京和其他地方對製造、儲存和運輸氫能的各項技術進行測試，並將道路上的氫燃料電池車數量增加到5萬輛。
日本研究公司Astamuse表示，在其追蹤的氫相關技術的五個類別中，中國在四個方面的得分超過了日本：製造、儲存、安全控制和運輸。Astamuse認為，儘管日本在氫能源相關技術方面繼續領先世界，但隨著該國企業和研究機構的新專利申請放緩，而中國企業在政府支援下穩步前進，日本的優勢正在縮小。未來，在所有與氫相關的領域，中國都很有可能最終超過日本。
根據啟信寶近日發佈的《氫能產業研究報告》，自2011年起，中國氫能產業企業數量已連續12年穩步成長，總數量已超過1,600家。截至2022年6月底，相關產業企業資本背景主要為民營企業(1,201家)，其次是國資背景企業(248家)；超過75%的氫能企業註冊資本在人民幣1,000萬以上，數量超過1,200家。
氫能源絕非一蹴可幾
在「碳中和」成為全球共識的情況下，氫能已經成為全球各國兌現「雙碳承諾」、推進能源轉型的一個重要方向。中國汽車工程學會預測到2030年，中國氫能源車產業產值可望突破人民幣兆元。中國電動車百人會發佈的《中國氫能產業發展報告2020》也顯示，2050年氫燃料電池車保有量將會達到3,000萬輛。
儘管氫能源具有諸多技術優勢，也具有廣闊的發展前景，但其應用還面臨很多的技術障礙。這裡聊聊兩個關於氫能源車的騙局。
一個是中國青年汽車的「車載水解即時制氫氫能源車」專案。該公司宣稱「水氫燃料車不用加油，也不用充電，只加水，續航里程超過500公里，轎車可達1,000公里。」儘管這個專案對外宣稱有相關的技術專利，但沒有具體說明怎麼獲得氫氣、怎麼儲存氫氣？其經濟性和安全性也廣受質疑。
尼古拉氫燃料卡車。
(來源：視訊截圖)
另一個則是美國美國新能源車公司——尼古拉(Nikola)。該公司產品線主要專注於重卡、皮卡這樣的大車領域，2020年6月在納斯達克上市，從創辦到上市僅用了6年時間，這甚至超過了特斯拉(Tesla)的上市速度。不過，該公司至今未生產出一輛汽車，其CEO僅用一個宣傳片和汽車模型受到投資者的追捧，曾一度讓這家公司的市值超過福特。該公司自稱擁有的正是氫燃料電池技術，且宣稱將用這項技術挑戰特斯拉，一度使特斯拉暴跌21%，創下上市以來單日最大跌幅，市值一度縮水了800億美元。
本文特別提到氫能源車的騙局，就是借此強調氫能源的技術挑戰。從制氫環節上，目前商業化應用的制氫技術主要有工業副產品提純、化石能源重整、電解水制氫等。水電解制氫是「零碳排放」模式下氫氣的主要來源，俗稱「綠氫」，目前制氫成本較高；來自煤炭和天然氣等化石能源的氫氣，俗稱「灰氫」，成本相對較低；若使用碳捕捉與封存(CCS)技術，可以使碳排放量能夠減少90%以上，採用CCS技術制取的氫氣被稱為「藍氫」，CCS技術將大幅增加制氫成本。其他「零碳排放」制氫如光解水制氫、生物質制氫，尚處於試驗階段，能量轉換率偏低。
同時，氫能的大規模運輸儲存依然是個問題，因為氫氣具有危險性。氫氣需要低溫加壓才能液化，這對運輸儲存的技術和成本都提出了比較高的要求，加氫站也是氫能發展利用的關鍵環節。儘管中國中石化計畫在「十四五」期間規劃建設1,000座加氫站，但是對於中國逛大的面積來說，依然是杯水車薪。
除了以上幾個方面，氫燃料電池車也面臨著關鍵材料如鉑的制約。據悉，氫燃料電池需要鉑作為催化劑來進行能量轉換，但鉑金屬資源極為稀缺，且不可替代。這種資源約束強度遠高於鋰電池體系，意味著氫燃料電池車很難實現普及。還有，燃料電池各關鍵技術需要進一步完善，提高效率，降低成本。
以上因素成為了制約氫燃料電池發展普及的關鍵，也讓氫燃料電池車在和電動車的新能源路線競爭中暫時落後。不過，在長途重載物流車等商用車領域，長期來看，氫能源是未來發展的「終極方向」。未來很長一段時間，燃油車、電動車、氫燃料電池車將會共存。氫能的未來固然很美好，但是距離氫能的普及，還有一段路要走，但仍可期待氫能為人們帶來的顛覆性的變革。
參考資料
1.2022年氫能源產業深度報告
2.為什麼日本舉全國之力發展氫能源電池？
本文原刊登於EE Times China網站
The post 技術挑戰大 氫能源車仍有長路要走 appeared first on 電子工程專輯.
