“氢”车熟路？

撰文= 雷鸣 摄影= SAE

国际氢能与燃料电池汽车大会（FCVC 2018）观后感

10月23-25日，由中国汽车工程学会主办的第三届国际氢能与燃料电池汽车大会江苏如皋举行。没错，这仍是一个行业性质的大会，与会的大多是这个行业的主管领导、专家学者、企业代表，所讨论的话题（氢能与燃料电池汽车）好像和咱们普通人也还没多大关系。但是，于无声处闻惊雷，这两年从几位行内朋友那里都已传递出明确信息，氢燃料电池汽车不再是水中月雾中花，它正在快步迈向现实。我觉得是应该趁着这个展会去长长见识了，如果您也对这方面感兴趣，那就随我一起去，咱边看边聊。

氢何德何能？

首先直击核心话题——氢能。不仅是汽车，整个能源行业都把氢能当做未来的终极能源解决方案，这究竟是为什么呢？在此有必要再科普一下 。

第一，当然是清洁。氢(H)在元素周期表中位于第一位，氢也是自然界中分布最为广泛的物质，占了宇宙质量的75%。当氢与氧发生化学反应释放能量之后，唯一的产物就是水（H2O），完全是零污染。而现在咱们使用的主要能源里都含有碳元素（C），由此所产生的二氧化碳（CO2）排放是造成全球升温的罪魁祸首。回顾人类能源的发展史，其实也是一部生产力发展史。从农耕时代燃烧牲畜粪干、秸秆茅草，到今天使用的煤炭、石油、天然气，人类社会的发展是随着能源进步而进步的。细细研究其发展，可从中发现一些规律：首先是能源的形态变化，煤炭等是固体，石油为液体，而天然气为气体，能源更替是从固体到液体再到气体这样一个过程，而氢气自然归属为气体。另外，从不同时期主要能源的碳氢构成比例变化来看，煤炭、柴薪的碳氢比为1:1，再看以丙烷(C3H8)和丁烷(C4H10)为主要成分的石油，它的碳氢比约为1:2，天然气（甲烷CH4）的碳氢比则为1:4，可见其中氢的比重是越来越高。所以可以这么说，能源的演变实际遵循的是一个减碳增氢的发展路径，而最理想的终极形态，自然就是氢。

第二，氢能非常好用，具体表现在它的能量密度大、可储存、可再生、好转化且转化效率高。这里所说的好用，是指氢作为类似电这样的二次能源，或者说是能量载体、储能介质，它先天所具备的应用优势。比如，怎么将澳洲过剩的电力输送到咱们这里来使用？最好的办法一定不是建跨洋电网，而是把电能通过电解水来制氢，再将氢海运过来。再比如，目前咱们国内就有大量的可再生能源（包括风能、水能、光伏，高达上千亿度）被白白浪费了，原因是这类可再生能源发的电受环境影响极不稳定难以并入电网，要利用好这部分电能，最好的办法也是先将其分布式制氢储存起来，或者就地利用，或者运输到其他地方使用。再举一个例子，日本为什么这么积极发展氢燃料汽车？其中有一个原因，就是它可以能用来抗灾避险，一旦地震海啸造成停电，氢燃料电池汽车就可变身为一个小型储能电站，为家庭提供应急电力。

氢何去何从？

好了，现在转到第二个话题，氢从哪里来？我国是最大的氢气生产国，据统计2017年我国氢气产量约为2100万吨，超过世界总产量（6000万吨）的1/3。从全球范围来看，96%的氢气都是来自于传统能源的化学重整，比如天然气蒸汽转化、甲醇裂解、氨分解、焦炉煤气回收等等，剩下的4%则来自于电解水制氢，因为这样成本较高。那么生产出来的这些氢干嘛用呢？65%被作为原料氢用于生产合成氨和甲醇，33%被用于石油炼制的加氢环节（这也让我们的汽油越来越清洁），只有大概2%被当做直接能源来使用（比如火箭推进器燃料、氢燃料电池车辆）。由此可见，目前氢的应用，更多是基于它的化工特质，而非能源属性。

未来氢能如果能得到广泛应用，这个产业格局肯定会有很大变化。在初始阶段，氢能还是更多来自于工业副产品或由其他能源形式的转化，将来很有可能变为主产品，最终取代煤炭和燃油。不信您就上网查查看，已经有煤制氢的大项目上马了。但是同时也要提醒大家注意的是，氢能应用是否能真正实现低碳甚至无碳，要从整个产业链来综合评判，尤其要把制氢过程产生的碳排放考虑在内。前面所提到的化石能源重整制氢方式，可都是要产生CO2的，要想办法将其捕获并封存。用电解水制氢当然没有这个问题，但是这个电又是怎么来的呢？

氢能贵吗？问得好。目前国内加氢站的氢价格大概是40-50元/kg，一辆氢燃料电池乘用车的能耗大概是1kg/100km，这样算也就是40-50元/100km，和燃油车相差不多。但是目前氢能的应用还停留在示范阶段，将来真正实现产业化之后，肯定要在政府指导下利用市场这个杠杆来重新进行调节。仅从氢能获取以及相关基础设施的建设来看，通过技术进步来降低成本仍有不少想象空间。

说到加氢站，这个事就比较尴尬了。放眼全国，目前建成并已运营的加氢站只有14个，在建的也就23个。虽然国家对建加氢站有不少的补贴，但由于相关核心技术和部件咱们尚未全面掌握，成本仍居高不下，从目前运营的角度来看肯定还是一个赔本买卖。这就又回到了那个“先有鸡，还是先有蛋”的老话题，氢燃料汽车和加氢站怎么同步推进和建设？想当年，在国家政策强力刺激下，电动车充电站大上快上但最后撂荒的现象屡见不鲜。有了前车之鉴，从氢能和燃料电池汽车的产业规划和政策制定上，就应该想好怎么配合市场的节奏来合理发力，用力过猛会产生泡沫，支持不够则难以推动。总之，氢能产业实际也是个考量管理者决心和智慧的庞大系统工程，需要跨部门跨行业的整体协作。

Mirar是当下最红的氢燃料电池乘用车

红旗H5-FCEV只是投石问路？

Clarity的动力布局更接近于传统汽车

“氢”车的近况

聊了半天，该回到氢燃料电池汽车本身了。先来看一下市场情况，自2013年氢燃料电池汽车开始商业化到2017年底，全球总共售出了6475辆氢燃料电池乘用车。虽然从这个数字看还是少得可怜，但是增量已较为喜人，2016年之前累计只卖出了3000多辆，而2017年销量就一下跃升至3382辆，爆发点就是大名鼎鼎的丰田Mirai，光这款车就卖出了3000辆。这几年统计下来，Mirai的销量总占比已高达75%，其他还有本田Clarity和现代ix35 FC，它们分别占到了13%和11%。此外，奔驰、宝马、奥迪都已宣称将来会推出氢燃料汽车。

目前在氢燃料电池汽车的商业化上，哪些国家走在前面呢？当然最领先的也是日本和韩国，从具体应用场景来看，这两个地域相对狭小的国家显然更适合于氢燃料电池汽车的推广，2020年东京奥运会日本还会有大动作。美国尤其是加州也跑得不慢，加氢站建了不少，而一多半的丰田Mirai也都是卖到了那里。

从国内来看，结合咱们的具体国情，氢燃料电池汽车前期发展主要还是着力于在商用车上的应用，也就是公交大巴、货车、轻卡这些车型。2017年已累计销售了上千辆，在不少地方开始了示范化运营。业内也普遍认为，随着国内机动车排放标准日益严苛，燃料电池取代柴油机的可行性已越来越大，这也意味着氢能在汽车行业的真正商业化即将迎来最佳风口期。

消费者最关心的还是这个问题，氢燃料电池汽车到底有多贵？还是拿咱们熟悉的乘用车来看，丰田Mirai在日本补贴后售价是500万日元（折合人民币大约30.5万），在美国加州的售价是57500美元，但是丰田附送价值15000美元的加氢卡，加州政府又补贴了5000美元，因此折算起来也是大概26万人民币。本田Clarity呢？766万日元约和人民币46.7万元。相比燃油车价格肯定还是贵，但也贵不了多少了。

这次展会Mirai和Clarity都来了，作为率先实现商业化的氢燃料电池乘用车，它们自然是最吸睛的亮点。当然国内企业也有新车亮相，比如红旗就拿来了基于H5的燃料电池车型，作为新造车势力的代表，威马也展出了一台采用直接甲醇燃料电池的SUV。这些车售价多少呢？对不起，包括之前早就推出的荣威950和750在内，它们都还没有真正上市销售，目前谈价格意义不大。必须承认，在燃料电池汽车的整体技术和成本控制方面，咱们和现在的领先者仍存在不小的差距，要加倍努力才能追上。

对于氢燃料电池汽车，国家的补贴政策倒是一直都有，而且在纯电动车补贴大幅下调的情况下，氢燃料电池汽车的补贴仍维持不变，由此可见对它的支持力度。补贴有着具体的技术要求，电堆输出功率不能低于驱动电机额定功率的30%，因为比例太低就是“假的”氢燃料电池汽车，有骗补嫌疑了。在此基础上还设了30kW这一补助标准，乘用车低于30kW按6000元/kW补贴，高于则统一按20万元补贴，此外轻客轻卡能补30万，大客大货则是50万。感觉以30kW来划分有点简单粗暴，所以目前基本上大家都压着这个红线来做开发，功率做高了补贴一分不多，但成本肯定就不合算。此外，除了上文提到的国家补贴，地方政府还有相应比例的额外补贴，不同地区的补贴额度不一样。

“氢”车玄妙何在？

接下来，咱们不妨更深入一些，了解一下氢燃料电池汽车有关技术及核心零部件的情况，出去吹牛也得有些干货不是？就拣几件重要的说说吧。

1、电堆2、DC-DC转换器3、动力电池（镍氢）4、高压储氢罐（H70）5、驱动电机6、电机控制器7、其他附件（氢循环泵等）

电堆

电堆（Fuel Cell Stack）作为氢能转化为电能的反应装置，当然是整个燃料电池系统当中最核心的部件。电堆的内部结构虽然和锂电差不多，它也是由数百节单电池串联而成，但是在反应过程当中，要有大量的反应气、生成水、冷却剂等流体流经每节单电池。所以你可以想象一下，这成百上千的涓涓细流，是怎样一个有序分布再汇集的繁复过程。电堆到底长啥样呢？有点像是空调蒸发箱，就这么一个密密匝匝层叠堆砌而成的方形金属疙瘩，看上去真是不起眼，但内里乾坤却有着太多门道。

怎么评价电堆的性能？和锂电池也一样，最关键指标就是它的能量密度。锂电池讲的是多少kWh/kg，电堆则是kW/L。从数字就可知道，咱们和领先者的差距有多大。Mirar的电堆能量密度已经达到了3.1kW/L，据悉未来丰田在这方面很快还会有大幅提升。而目前咱们国内能够量产的电堆只有2.0kW/L这个水平，更高性能的还停留在实验室研发阶段。

差距到底在哪里呢？归根结底是在与材料、工艺相关的基础科学及技术能力上。比如单电池里面最核心的两大部件——双极板和膜电极，要想减小双极板的厚度并增加其抗腐蚀性，要想提升膜电极的功率密度并降低铂担量，就得在高纯度石墨、质子交换膜、碳纸、铂催化剂等这些关键材料及其制备工艺上下功夫。从这次大会上获悉，近年来咱们在电堆核心技术的研发上还是有很大突破，制造成本也在下降，为将来的商业化打下了较好的基础。

此次大会上电堆技术专场也是人满为患，也说明大家对于电堆技术的关注和热情。

Mirar的电堆最大功率是114kW，能量密度已高达3.1kW/L

DC-DC转换器

你可以这样理解，这就是个大变压器，但它其实另有玄妙。纯电动车上的DC-DC很多人都知道，它是要把动力电池的系统电压（300-700V直流）降到12V或24V直流，给类似车灯、音响、雨刷这样的车载电器附件来使用，由于这部分电不参与到电机驱动，所以它实际功率很小，只有2-3kW。燃料电池车上的DC-DC则完全不同，它是要给驱动电机供电并给动力电池组充电，功率通常会在30kW以上，最大的已经超过了100KW。另外，燃料电池电堆当中每单片电池的输出电压大约在0.6V-0.8V之间，整体串联到一起也不会超过300V电压，所以还得通过DC-DC将其提升到更高的电压（500V以上，趋势是会变更高）。大功率升压，这就是对燃料电池车用DC-DC转换器的最大挑战。此外值得一提的是，现在的燃料电池汽车还是保留了动力电池，实际是采取电-电耦合的混合驱动方式，而将来的趋势是取消动力电池，单独用燃料电池来驱动，这样对DC-DC的功率需求会更大。

谁在做燃料电池车用DC-DC呢？从我们了解的情况来看，传统汽车零部件商在这块几乎是空白，新生力量更多来自于电力电子行业。比如这次来参展的深圳福瑞电气，在这个领域里它就是一匹很有冲劲的黑马。

燃料电池车用DC-DC需要大功率升压，这对于汽车行业是个新课题

空气压缩机

氢燃料电池汽车也需要增压？没错，这个必须有！都说氢燃料电池，可能很多人认为光有氢就可以了，其实它的全称应该是氢-氧燃料电池，这个电化学装置的反应原理实际就是电解水的逆过程，其反应方程式是2H2+O2=2H2O，可见O2作为氧化剂是绝对不可或缺的，如果按空气化学计量比2.0计算，100kW的燃料电池系统大约需要300Nm3/h（标准立方米/小时）的空气流量。为了提高燃料电池的功率密度和效率，就要想办法增加进到电堆的空气量，所以和传统的内燃机一样，要想不增加排量而提高功率，就得通过压缩机来给进气增压。

但是，普通的空压机干不了这事，因为燃料电池有其特殊使用要求。首先，它必须是无油的，因为润滑油会让电堆中毒失效，所以只能使用水润滑轴承或空气轴承，但又要保证它能在很高转速下运转；其次，它必须小型而高效；再有，噪音一定要低，因为高速运转的空压机是燃料电池汽车最大的噪声源（主要是电堆和驱动电机的声音实在在太轻了，所以空气压缩机的声音就显得突出了！）；另外，动态响应性能要好，当功率需求发生变化时，空气流量和压力得随时与其配合迅速做出调整，不能有延迟。据我了解，这样一台小小的空压机目前售价竟高达几万元，好的要十几万元！

适合于燃料电池的空压机有很多种，比如涡旋式、螺杆式、滑片式、离心式等等，在此就不展开说了。谁在做空压机呢？在零部件展馆里我唯一还算眼熟的品牌就是Garrett（盖瑞特），这个在涡轮增压圈里呼风唤雨的大佬就展出了燃料电池用空压机，看来人家在这方面早有布局。国内这个领域表现活跃的都是跨行业精英，比如做制冷出身的福建雪人股份，该公司已全资收购了氢燃料电池双螺杆式空气循环系统的开发者——瑞典SRM和OES公司，后者曾给不少国际汽车品牌生产过燃料电池系统。

氢燃料电池对空压机要求极为苛刻，售价也非常贵

高压储氢罐

这不就是个煤气罐吗？没你想的这么简单。大家都知道，氢是重量最轻的元素，在标准状态下，它的密度仅为0.0899g/L，是水的密度的万分之一。在-252.7℃以下氢液化之后，密度也只有70g/L，仅为水的十五分之一。所以氢气虽然可以储存，但是很难高密度的储存。

在燃料电池汽车上，氢是以高压气体的形态加注到储氢罐里面，有多高压力呢？国内目前还在沿用行业最初制定的H35高压氢气标准，即罐体内部压力为350个大气压，它实际是一个外面用碳纤维来缠绕加固的金属内胆气瓶。但海外市场已经在逐渐淘汰H35标准，转而启用了能量密度更高的H70储氢罐（700个大气压），罐体采用碳纤维缠绕的非金属（强化塑料）内胆，同样大小可以多存放两倍重量的氢气，从而可实现小罐体长续航。还是以Mirar为例，它有一大一小两个H70储氢罐，总容量是122.4升，虽然仅能加注5kg的氢气，但所能提供的续航里程已高达600km。

在H70这个技术标准上，咱们还没有成熟产品，就算是H35，价格也还高得吓人（大概几万元一个）。所以，别小看了这个高压气瓶，咱们在材料、工艺等方面都还存在诸多瓶颈呢。

当然，从H35升级为H70，加氢站的设备也得同步提升，这也是个大课题。

国内目前还采用H35标准，所以要装这么多储氢罐

谢谢您有足够的耐心，陪我一直聊到这里，不知道聊透了没有。对于氢燃料汽车这个话题，最后我再谈一下个人的看法吧 ，也回头来解释一下文章的标题——“氢”车熟路，这到底是什么意思？

汽车工业发展到今天这个时代，是应该要用行动来解决能源这个终极问题了，而早在探索的氢能应用已成为业内共识，并且正一步步走向现实。尽管如此，但前方仍荆棘密布，氢燃料汽车的发展没有任何捷径，需要国家从战略层面积极支持和推进，也需要各方通力协作，更需要行业自身努力投入，而最最关键的是，它最终还必须得到市场的认可。所以，如何让未来的消费者能真正了解并接受氢燃料电池汽车？这事已迫在眉睫。要想把“氢”车推上熟路，大家都得出力才行，也包括您。

相信总有一天，两岸猿声啼不住，“氢”车已过万重山。