氢燃料电池汽车，打得过纯电动车么？

本篇文章3431字，读完约9分钟

作者|孙明远

标题地图|宝马i8氢燃料电池版本

日前，宝马集团首次公布了宝马I氢下一代动力系统的技术细节，即新一代氢燃料电池汽车的动力系统。该系统中使用的燃料电池系统可以通过压缩氢气和氧气in/き0/气体之间的化学反应产生高达125kw(170马力)的能量。

此外，宝马集团还与丰田汽车公司合作，双方将致力于氢燃料电池技术的发展。宝马I氢下一代动力系统配备了双方开发的燃料电池，以及宝马集团独立开发的燃料电池堆和整体驱动系统。

宝马集团研发主管傅表示:“从长远来看，氢燃料电池技术可能成为宝马集团动力系统产品组合的第四大支柱。”计划在2022年小规模生产宝马x5氢燃料电池版本。

2007年，当我第一次参观中国科技馆时，我第一次了解了“氢能”。当时，宝马展示了“氢燃料车”，其内心的兴奋是无法言表的，不仅因为这辆车排放的只是“水”，还因为当时看到h2r概念车时的冲击。

(宝马h2r概念车)

然而，宝马当时展示的氢动力7系和h2r都是用压缩氢代替燃料作为燃料，也就是说，它们仍然在内燃机中工作，即氢与氧相遇燃烧爆炸产生动能，内燃机通过传动系统将化学能转化为动能驱动汽车。

氢燃料电池是一个完全不同的概念。虽然化学方程式保持不变，但反应模式不同。在氢燃料电池中，氢进入电池并在催化剂的作用下在pea(质子交换膜)的阴极侧被分离成质子(氢离子h+，正)和电子(电子-，负)。因为只有质子可以通过pea进入另一边，电子只能“找到自己的出路”，然后进入电池的阳极(产生电能)后，通过电器沿电线，也在催化剂。

(氢燃料电池的工作原理)

注:整体结构(左、右入口空室、pem等。)在上图中统称为膜电极组件(mea ),它是pem型氢燃料电池的核心。燃料电池的单个输出电压约为0.8~1v，因此真正的车载燃料电池实际上是一个燃料电池堆，即大量的单个燃料电池并联在一起以保证电压和输出功率。

与氢燃料内燃机相比，氢燃料电池的能量利用效率更高。内燃机效率的理论值可接近50%，但实际上约为25%，而氢燃料电池的效率可高达60%(转化为电能)，如果包括热能回收，总效率可超过90%(热电联产效率，热电联产)。

(不同类型燃料电池的工作温度、输出功率、效率和应用领域，其中车载氢燃料电池为pem型)

尽管氢燃料电池技术早在1838年就被发明出来，然后被应用于Tai/きだよ 0/(培根燃料电池于1960年被美国宇航局采用)、发电、小型机电设备供电等领域。然而，由于pea材料和许多限制，它仍然不足以应用于汽车产品。1991年，罗杰.比林斯开发了第一辆氢燃料汽车，它将氢燃料电池技术真正引入了汽车领域。

然而，随后的发展并不像预期的那样顺利。近30年过去了，如今市场上真正生产和销售的氢燃料电池汽车只有现代nexo、本田clearance和丰田mirai。

为什么？

首先是制造成本。氢燃料电池汽车的工作原理与混合动力汽车相似。当功率低时，电池提供能量，而当需要快速加速时，燃料电池介入为马达提供电能，当电池功率低时，燃料电池给马达充电。

(照片/丰田)

因此，它的动力系统完全可以模仿纯电动汽车。例如，在上面提到的宝马I氢下一个系统中，它的动力系统取自纯电动汽车ix3而氢燃料电池和储氢罐可以用作发电机，以在需要时提供动力并给电池充电。

(照片/丰田)

这就是问题所在。作为核心部件，氢燃料电池本身成本很高。一方面，由于产量小(原因很多，如下分析)，不可能通过大规模生产来降低成本效应；另一方面，在氢燃料电池材料中需要昂贵的铂金属(或铂金族)，因此原材料的采购成本较高；最后，还有技术原因。氢燃料电池以前没有在汽车上大规模使用，其中一个关键问题是使用寿命。目前，pem型氢燃料电池处于世界领先水平，其使用寿命约为5000小时，而在中国一般在2000-3000小时之间，因此研发费用也将包括在内。(sofc的寿命约为40，000小时，但由于其工作温度和其他限制，它不能应用于汽车)

(电池本身的成本和整个系统的成本)

因此，当你比较氢燃料电池汽车的价格时，不难发现它们比同类或同类型的汽车贵得多。

甚至它的价格也比电池寿命相似的电动汽车贵得多。

第二个是使用问题。普通汽车加一箱油约200~300元，电池寿命约500 ~ 600公里。纯电动汽车以特斯拉3型的长电池寿命为例。过度充电约100~150元，家庭充电约30~40元，电池寿命约500公里；以丰田米拉为例，装有氢燃料(5公斤)的氢燃料电池约为350~400元(70元/公斤)，电池寿命约为500 ~ 600公里。显然，氢燃料电池的使用成本是燃料汽车的1.5~2倍，是纯电动汽车的3~10倍。

虽然加氢时间只需要几分钟，但是氢加气站的数量很少，这使得使用氢燃料电池汽车更加不方便。当然，如果国家想大力发展氢动力汽车，基础设施在未来可能会快速发展，但还有一个更大的行业问题，那就是，导致氢动力汽车快速发展的另一个原因——氢源。

商业化大规模制氢大致可分为四种方式:电解水、天然气、石油和煤，分别占世界制氢总量的4%、48%、30%和18%。一般来说，工业上通常使用甲烷或天然气通过蒸汽重整来生产氢气。

甲烷和高压高温蒸汽在催化剂的作用下混合生成氢气。这种方法的缺点是工厂需要消耗大量的电力和石油来生产，而且除了氢气，产品中还有大量的二氧化碳。(当然，锂电池的生产也将消耗大量能源并排放温室气体，具体的详细比较暂时无法获得。(

此外，氢的储存和运输是另一个难题。由于氢气的密度极低，如果要运输和用作燃料，需要加压并储存在高压储罐中，这将造成潜在的安全隐患。一旦运输或储存出现问题，就会发生严重的爆炸事故，例如挪威的氢站和美国得克萨斯州的朗维尤(Longview)的氢站爆炸，在那里可以感受到十多公里以外的冲击波。

因此，出现了“自产氢气”的氢气加气站，但显然不可能采用上述工业大规模制氢方法，只能采用水电解法。这种方法没有被广泛使用的原因是氢和氧是通过用电能电解水产生的，然后氢被燃料电池用来产生电能。即使从生产到车辆使用的效率是100%，初始电能仍然超过最终电能。因此，“自产氢气”的氢加气站只能先利用太阳能发电，然后再生产氢气。这种方法的缺点是产量低，每天产生的氢气量只能满足十几辆或几辆氢燃料汽车的需求。

(站内制氢设备)

此外，作为一个氢加气站，由于核心设备的进口成本，不包括土地成本，其建设成本约为1500万元，而如果是站内有制氢能力的氢加气站，其建设成本高达2000-3000万元。此外，根据中国商业研究院的报告，氢加气站的氢成本约占70%。相比之下，除了土地成本，加油站的建设成本只有100万元，而电站的建设成本更低。DC最贵的一种被多收的木桩需要20000到40000元，而普通的木桩只需要几千元。

除了上述所有原因，氢燃料电池汽车还有一个未被注意到的问题——能源效率。尽管氢燃料电池比内燃机效率高得多，但它们比纯电动汽车差得多。虽然从电力系统提取电能并将其转化为动能的效率是相似的，但是氢燃料从生产到运输到燃料电池的效率损失是巨大的，而相应的发电厂将锂电池充电到电网，这具有更高的效率。

氢燃料电池汽车没有未来吗？

这应该分为两个部分。从大型个人乘用车的角度来看，目前在制氢、运输、储存等方面，与纯电动汽车相比，除了能量补充的速度之外，没有任何优势。但是对于大型公共交通来说，情况就不同了。

1千克氢燃料的能量相当于约1加仑汽油(约2.65千克)，而1加仑汽油相当于约33千瓦时的电能。然而，为了储存33千瓦时的电能，它的电池组重达数百公斤。因此，例如，对于携带足够能量的飞机来说，氢燃料显然是最方便的；另一个例子是，有固定行驶路线的公交车和一些物流车辆有相对稳定的起点和终点，氢化的速度比充电的速度快得多，特别是对于一些“时间就是金钱”的交通需求，这比燃料汽车更环保，比纯电动汽车更快。对于这些使用场景，它的氢燃料补给站不需要遍布全世界，只需要建在指定的地点。

氢燃料电池技术是人类科技发展的里程碑。这项技术本身是优秀的和杰出的，但在其应用领域仍有许多限制。可持续能源发展的实质不是依靠有限的能源，从而解除人类发展和探索宇宙的桎梏。尽管从效率的角度来看，通过太阳能和风能等可持续能源生产氢气并加以利用有些“愚蠢”。然而，作为一种高能量密度的环保存储介质，我相信它在未来仍将被重复使用。

毕竟，谁没有经历过停电？