新能源的理想終點? 氫燃料電池現狀簡析

　　[汽車之家 技術]  氫燃料電池車長期以來都持續(xù)被世界各地專家學者和汽車企業(yè)認定為新能源汽車的最終形態(tài)。對于氫燃料電池的研發(fā)工作其實早在上世紀就已經陸續(xù)開展，各大車企也在致力于氫燃料電池技術的儲備工作。然而，雖然氫燃料電池車的原理早就寫入了中學化學課本，但即便是在新能源技術和產業(yè)飛速發(fā)展的今天，氫燃料電池車及氫產業(yè)鏈的小規(guī)模量產化和商業(yè)化還僅限于日本等少數地區(qū)，其余多地還處于試點運營狀態(tài)，成本也居高不下，未能真正推廣開來。那么就目前而言，那些走在前沿的氫燃料電池車企們有著怎樣的研發(fā)和推廣進度？氫產業(yè)鏈會如愿成為未來新能源社會的終極形態(tài)嗎？我們不妨來了解并探討一番。

● 氫燃料電池車的基本背景

　　在新能源車領域當中，主流的四種產品類型包括混合動力、插電式混合動力、純電動，以及氫燃料電池。而關于這幾種不同形式的新能源車，在網絡上也在持續(xù)不斷地進行著究竟孰優(yōu)孰劣的爭論。對于這一問題，豐田給出了他們的答案——不同地區(qū)市場有著不同的地域特色，四種新能源形式都會找到歸屬。

『四種主流的新能源車型』

　　舉例來說，在北歐地區(qū)，發(fā)達的風力發(fā)電帶來的清潔電力能夠支撐插電式混動或純電動車的充電需求；而在石油資源富足的中東地區(qū)，普通混合動力可能在拿捏成本和資源的平衡后顯得更有意義；在政策倡導電動化新能源的中國大陸地區(qū)，插電混動、純電動和氫燃料電池可能將一同成為著重發(fā)展的方向。

　　在四種新能源形式中，氫燃料電池車被許多業(yè)內人士公認為最環(huán)保且最理想的一種形式，但目前它也是四種形式中相對最不成熟的，距離真正普及到消費者日常使用還需一些時日。那么，氫燃料電池是怎么回事？它好在哪兒？現在的發(fā)展情況又是如何？

『Fuel Cell（燃料電池）』

　　氫燃料電池（Hydrogen Fuel Cell）是一套將氫氣和氧氣蘊含的化學能經過電化學反應直接轉換為電能的發(fā)電裝置，它并不是什么遙不可及的高深事物，因為其工作原理早就被寫入了高中化學課本，并“困擾”著一代又一代學子。而在近年來的新能源汽車領域中，氫燃料電池扮演的角色正在逐漸重要起來。

『豐田Mirai氫燃料電池車的儲氫罐之一』

　　現階段來說，氫燃料電池車除了與傳統純電動車同樣是“0碳排放（此處忽略電能和氫氣生產過程的碳排放）”外，還有著幾大明顯優(yōu)勢——氫氣相較于電能更易儲存、更易運輸，且充填效率與傳統汽油車相近，遠優(yōu)于電動車充電，并且單次充填燃料后的續(xù)航里程也明顯大于純電動車。因此，越來越多的車企加入到了氫燃料電池車的研發(fā)當中，其中走在前列的都是來自亞洲的企業(yè)——豐田、本田、現代，他們生產的氫燃料電池車已經量產，并投放到了世界多地市場，同時他們也在致力于打造更加完善的“氫能社會”。

　　然而就現階段而言，以純電動為主的新能源汽車遭人詬病的一大原因之一就是電力本身不夠“清潔”，而這主要是由于各地電力系統依賴火力發(fā)電造成的。其實，氫燃料電池車也同樣面臨著這種“源頭不干凈”的問題，那就是氫氣的制取。目前工業(yè)上主要依靠電解水的方式制取氫氣，而電解水所需的電能如果還是依靠傳統火電，那么它就和現階段的純電動車一樣，只是將實際的碳排放從人類聚集區(qū)轉移開了，而“0碳排放”也只是噱頭和空話。

● 破解低碳氫制取難題——豐田用風能給出解決方案

　　◆ 橫濱Hama Wing風電制氫實證實驗探究氫產業(yè)鏈

　　為解決這一問題，豐田在2015年聯合日本橫濱/川崎市政府、巖谷產業(yè)、東芝、豐田自動織機等多家機構與企業(yè)，在橫濱風力發(fā)電站（Hama Wing）開展了風力發(fā)電制造低碳氫燃料的實證實驗項目。項目的主要內容就是通過風力發(fā)電制取真正的“低碳氫”，并將氫氣供應給橫濱、川崎兩地四家企業(yè)的12輛氫燃料電池叉車，從而對整個氫能供應鏈進行初步摸索，并對供應鏈廣泛推廣的可行性進行評估。在不久前的10月份，我曾親自前往Hama Wing進行了參觀。關于這套氫能供應鏈的細節(jié)，請隨我一起往下看吧。

『實證實驗開展前的橫濱風力發(fā)電站』

　　由于周圍比較空曠，還沒到地兒，頂點高118米的Hama Wing“大電扇”就可以遠遠望到了。它坐落在橫濱市海濱的一片工業(yè)區(qū)里，周圍有多處工地、廢料回收廠等。

　　下圖展示了風電制氫實證項目的全景，項目在已有的Hama Wing風力發(fā)電機腳下增設了氫供應鏈所需的更多設備，如受電盤、配電盤、制氫穩(wěn)定化系統、水電解設備、氫氣壓縮/填充裝置等必要環(huán)節(jié)，下面我們就來一一解讀。

　　180塊回收自二手普銳斯的電池組構成了這個“大蓄電池”，由于風力發(fā)電非常容易受天氣影響——在風速過小或過大時，風力發(fā)電機都無法工作。因此，這個“大蓄電池”就用于緩沖、消除由于風力發(fā)電機工作斷續(xù)帶來的供電波動，保證下方的水電解制氫裝置可以得到持續(xù)的供電。

　　基于上圖三個裝置，氫氣完成了生產（制備）和包裝（壓縮）過程，接下來的環(huán)節(jié)就是將壓縮氫氣運輸至需求方，而載具則是下圖中這輛日野DUTRO Hybrid運氫車。

　　豐田在橫濱市中央批發(fā)市場本場蔬果部、麒麟啤酒橫濱工廠、日冷物流東扇島物流中心、中村物流川崎FAZ物流中心四家企業(yè)投放了12輛氫燃料電池叉車進行試點，分別用于短距離多頻次、重物搬運，以及低溫工作環(huán)境的驗證和測試。這款叉車充滿氫所需的時間約為3分鐘，可以支持其工作約8小時，無需像傳統純電動叉車一樣充電或換電池。

　　那么經過一段時間的實際運營，這套氫產業(yè)鏈相比傳統電動叉車和汽油叉車究竟能夠減排多少碳呢？

　　◆ 實證實驗結論：相比傳統電動/汽油叉車減碳86%/94%

　　根據官方給出的碳排放數據對比，我們不難發(fā)現，相較于傳統的汽油叉車，實證研究下的氫燃料電池叉車在總CO2排放上有著高達94%的降低，相比電動叉車也有著86%的削減。實際上，如果能解決將柴油充氫車替換成燃料電池驅動的車型的話，那么這套“低碳氫供應鏈”就基本上實現0碳排放了。

『點擊圖片可放大查看』

　　比汽油叉車減碳90%還多？看到這里，您可能認為這套氫能源供應鏈已經“非常棒呆”了。然而，它還有一個不可忽略的硬傷制約著它的推廣——成本高昂。并且，作為小規(guī)模實證實驗，其實這套風能發(fā)電系統也還是沒能完美解決因天氣不穩(wěn)定帶來的發(fā)電中斷，只能緩解短時間停止發(fā)電帶來的供電波動。

　　對于此，豐田表示將會努力壓縮風能制氫的成本，力求將制氫和壓縮氫氣這兩個環(huán)節(jié)所需的成本壓縮至當前傳統非低碳氫能源的價格，從而實現推廣。當然，這個任務也是十分艱巨的。

『東京街頭的巖谷產業(yè)加氫站』

　　此次，豐田并未透露這套尚處于實證階段的氫能源供應鏈的制氫成本，但他們透露了當前傳統來源氫能源的成本大約為1000-1500日元/千克（約合人民幣5.22-7.83元/標方）。以每輛叉車13.4標方/工作日（官方數據）的耗氫量計算，一天的加氫成本約為70-105元人民幣。而除了風能發(fā)電制氫外，豐田還將著眼于探究褐煤制氫、廢水污泥制氫方式，它們都有望成為未來低碳氫社會的重要制氫方式。