前幾日與朋友聊天，談及了汽車產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展方向的話題，朋友表達了他的困惑：現(xiàn)在有兩種截然不同的聲音，一種認為特斯拉開創(chuàng)的純電技術(shù)路徑將是汽車工業(yè)的未來，除了電動新勢力發(fā)展迅猛之外，所有傳統(tǒng)主機廠也紛紛轉(zhuǎn)型生產(chǎn)純電汽車，只有以豐田為代表的日企還在推進氫燃料技術(shù)路線，卻因此備受嘲諷；另一種聲音則認為現(xiàn)在主要的電力生產(chǎn)方式并非通過清潔能源，因此電動汽車在本質(zhì)上并不環(huán)保，相反氫能是一種真正能夠?qū)崿F(xiàn)零排放的理想能源，所以純電汽車只是曇花一現(xiàn)，氫燃料汽車才是未來。這兩種聲音各有各的道理，究竟哪種技術(shù)路徑才是汽車工業(yè)的未來呢？

筆者的確也聽到過這兩種聲音，而且也接觸過不少相關(guān)信息，但卻從未系統(tǒng)性的研究過這個技術(shù)路線之爭的相關(guān)問題。為了搞清楚這個問題，筆者通過查閱資料、與研發(fā)人員溝通等方式，逐步梳理出了相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的整體脈絡(luò)，相信可以從更加全面的角度與大家交流分享。

對于很多人來說，對氫能源最初的了解來自于中學(xué)化學(xué)課。在課上，老師講授并演示了氫氣燃燒和電解水的相關(guān)知識，同時介紹說氫氣的燃燒熱值高，燃燒后只產(chǎn)生水，是真正零污染的能源；同時氫氣的電解法生產(chǎn)工藝只以水為原料，而水在地球上的儲量豐富，因此氫氣可是說是取之不盡用之不竭的能源形式。從那時起，許多人的頭腦中便種下了一個極為深刻印象，認為氫氣是人類社會理想的終極能源，而這種印象也在很大程度上影響了人們對于氫燃料汽車前景的判斷。然而，從化學(xué)式的成立到可用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的實用技術(shù)的研發(fā)成功，這中間存在著巨大的、尚未跨越的鴻溝，因此我們還需要從技術(shù)實用性和全產(chǎn)業(yè)鏈的角度分析整個產(chǎn)業(yè)中存在哪些技術(shù)瓶頸，進而探討氫燃料汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景和可行路徑。

氫燃料電池汽車原理

氫燃料電池原理最早由德國化學(xué)家克里斯蒂安·弗里德里?！ど邪?Christian Friedrich Sch?nbein)于1838年提出，但直到1955-1958年間，現(xiàn)代意義上的燃料電池才被通用電氣研發(fā)制造出來，并以兩位主要貢獻者的名字命名為葛盧布-尼德拉克燃料電池(Grubb-Niedrach Fuel Cell)。

氫燃料電池的核心組件為燃料堆，包括含有鉑基催化劑的正負極和中間的質(zhì)子交換膜(電解質(zhì))，氫氣被供給到陽極端，在催化劑的作用下釋放出電子，進而產(chǎn)生可供電機使用的直流電，而氫離子則穿過電解質(zhì)到達陰極與空氣中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生水。

在這一套系統(tǒng)中，鉑基催化劑是促進反應(yīng)發(fā)生的核心技術(shù)，然而鉑元素為稀有金屬，儲量低價格高，據(jù)悉僅催化劑一項的成本就占到整車成本的30%以上，因此大規(guī)模商用存在很大困難。目前相關(guān)研發(fā)的主要方向為降低單位面積內(nèi)鉑的用量和尋找價格更低的非鉑基催化劑，不過非鉑基催化劑的研發(fā)尚缺乏實質(zhì)性突破，只是在降低鉑用量的技術(shù)路徑上取得了一些進展，但相較于大規(guī)模商用的需求仍顯不足。

就燃料電池技術(shù)瓶頸問題，筆者也訪問了參與過氫燃料電池技術(shù)開發(fā)的同事，除了催化劑問題以外，燃料電池還面臨著催化劑在與雜質(zhì)氣體(如二氧化碳)接觸下逐步失效的問題，以及反應(yīng)產(chǎn)水滲入稀釋電解質(zhì)的問題，這些問題會逐漸降低反應(yīng)強度，致使整個系統(tǒng)的功率不斷下降，進而縮短系統(tǒng)的使用壽命。

在目前的燃料電池研發(fā)領(lǐng)域中，日本由于發(fā)展起步較早，因而先發(fā)優(yōu)勢明顯，擁有40%以上的全球相關(guān)技術(shù)專利，并且已經(jīng)開始在部分市場中小規(guī)模商用，其它主要汽車工業(yè)國與日本存在不小的差距?？梢韵胍姷氖?，其它國家在發(fā)展氫燃料汽車的過程中無法避免的會碰觸到日本的專利壁壘，這也被認為是其它國家紛紛避開氫燃料汽車技術(shù)路線轉(zhuǎn)而積極鼓勵純電汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的原因之一。

加氫、充電產(chǎn)業(yè)對比

除了燃料電池技術(shù)本身，整個氫燃料汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也存在許多技術(shù)瓶頸。我們將與電動汽車產(chǎn)業(yè)進行對比，探討兩個不同產(chǎn)業(yè)模式之間的優(yōu)劣差異。

首先需要簡單介紹一下當前不同的氫氣生產(chǎn)工藝。氫氣的類型從生產(chǎn)工藝角度分為三類：綠氫、藍氫和灰氫。綠氫是通過電解水獲得的，優(yōu)點在于清潔，氫氣純度高，但缺點在于能量轉(zhuǎn)化效率低，需要消耗大量電能?；覛涫峭ㄟ^裂解化石能源(石油、煤炭、天然氣等)獲得的，是一種傳統(tǒng)的、正在大規(guī)模使用的制氫工藝，在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量溫室氣體，同時產(chǎn)出的氫氣中也含有其它氣體雜質(zhì)。藍氫是對于灰氫工藝的技術(shù)優(yōu)化，通過捕獲和儲存制造過程中排放的二氧化碳以降低溫室氣體排放，雖然相對更加環(huán)保但仍然需要消耗大量化石能源。其它諸如光解水、生物質(zhì)制氫技術(shù)尚不成熟，無法大規(guī)模商用。

觀察上面的充電和加氫產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)圖，可以發(fā)現(xiàn)兩者各有一條清潔能源通路，并且都仰賴于清潔的電力生產(chǎn)方式，而這是需要光伏、風能、原子能等清潔發(fā)電技術(shù)的發(fā)展和大規(guī)模應(yīng)用才能實現(xiàn)的。對于充電產(chǎn)業(yè)而言，充換電基礎(chǔ)設(shè)施在全球主要市場都在大規(guī)模建設(shè)中，當前主要的技術(shù)瓶頸在于如何大幅提升充電速率。雖然不少廠商已經(jīng)開發(fā)了高壓快充技術(shù)，最高可以通過800伏電壓實現(xiàn)10分鐘增加400公里續(xù)航，但是尚未大規(guī)模鋪開，同時這樣的高壓充電設(shè)施也會給電網(wǎng)帶來一定的壓力。另外，在這條技術(shù)路徑上，電池回收再利用也是一個長期性的挑戰(zhàn)。目前中國等電動汽車產(chǎn)銷大國已經(jīng)陸續(xù)出臺了鼓勵梯次利用、強制回收拆解的法規(guī)，以此來降低廢舊電池帶來的污染問題。

與純電技術(shù)路徑相比，氫燃料路徑的清潔能源通路多一個制氫的節(jié)點，因此在流程上就相對冗余，而多一個能源轉(zhuǎn)化節(jié)點就意味著能源的消耗損失?？紤]到綠氫生產(chǎn)的能源消耗很大，轉(zhuǎn)化效率也不高，因而成為了這個產(chǎn)業(yè)鏈條上的重大技術(shù)瓶頸。目前綠氫占整個工業(yè)制氫的比例只有5%左右，屬于較為邊緣的生產(chǎn)方式。另外，氫氣的運輸、儲存、加注過程中的安全性在大規(guī)模使用過程中也存在一定風險。目前氫氣的主流生產(chǎn)方式仍為灰氫工藝，不但消耗傳統(tǒng)化石能源，還產(chǎn)生大量溫室氣體和其它空氣污染，因此當前的加氫產(chǎn)業(yè)比充電產(chǎn)業(yè)更加耗能和污染，需要解決許多技術(shù)瓶頸才能實現(xiàn)本質(zhì)的提升。

進一步從能源轉(zhuǎn)化效率角度考察兩種技術(shù)路徑的清潔能源通路，根據(jù)德國大眾集團的研究，純電技術(shù)路徑在這方面具有明顯優(yōu)勢。氫燃料路徑從電力產(chǎn)出到運輸加注環(huán)節(jié)就已經(jīng)損失了一半左右的能量，再到燃料電池發(fā)電輸出能量驅(qū)動車輛，整個流程的能源轉(zhuǎn)化效率只有10%-20%，與純電路徑下的70%-80%相去甚遠，因此如何提高整體的能源轉(zhuǎn)化效率也是氫燃料路徑下需要大力解決的問題。

氫燃料、純電汽車實際使用對比

正如前文所述，從全產(chǎn)業(yè)的角度觀察，氫燃料技術(shù)路徑在現(xiàn)階段的能源利用率低、制氫過程污染大，與純電技術(shù)路徑相比處于劣勢。然而從兩種車型的實際使用的角度觀察，結(jié)果又會是怎樣呢？

從乘用車的角度進行對比，可以發(fā)現(xiàn)氫燃料汽車的優(yōu)勢在于補能時間短，但在補能成本方面不具優(yōu)勢。據(jù)悉在當前的補貼政策支持下，加氫成本與加注燃油的成本接近，不過考慮到政府補貼和主流制氫方式均會逐步發(fā)生改變，因此氫氣的價格在未來具有相當?shù)牟淮_定性。

而在補能設(shè)施數(shù)量上，加氫設(shè)施與充電設(shè)施則完全無法相比，用天差地別形容一點也不為過。在加氫設(shè)施相對充足的美國南加州地區(qū)，由于各方的鼓勵措施（如聯(lián)邦補貼8,000美元、廠商補貼最高25,000美元、加氫免費），吸引了不少用戶購買或租賃氫燃料乘用車，但是隨著用戶數(shù)量的增加，原本相對充足的加氫設(shè)施開始顯得不夠用了，據(jù)悉加氫等待的時間顯著增加，平均可達45分鐘，使用體驗大幅下降。同時，由于企業(yè)(以日韓企業(yè)為代表)在推廣氫燃料汽車的過程中提供了大量的價格和燃料補貼，因此企業(yè)實際上是在虧本銷售(有消息稱每銷售一輛氫燃料汽車虧損10萬美元，未證實)，因此企業(yè)沒有動力和財力繼續(xù)擴大加氫站的布局，再加上純電乘用車產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展所帶來的沖擊，整個氫燃料乘用車產(chǎn)業(yè)處在一個相當尷尬的局面中。從財務(wù)的角度考量，目前車企的高額補貼推廣模式并不具有可持續(xù)性，在沒有更加積極的產(chǎn)業(yè)政策配套下，企業(yè)的單打獨斗很難取得實質(zhì)性的成功。

不過，對于商用車而言，情況就有很大不同了。目前的商用車市場中，純電車型尤其是純電重載車型發(fā)展也很緩慢，與乘用車領(lǐng)域存在很大差距。在技術(shù)上，當前的鋰電池能量密度已經(jīng)沒有了大幅度提升的空間，新型的固態(tài)電池、鈉電池技術(shù)尚不成熟，因此要為重型商用車提供足夠的動力和續(xù)航，就需要增加電池模組的數(shù)量，這樣一來車體的重量大幅增加，因而削弱了載貨能力；同時也是由于電池模組數(shù)量的增加，充電時間必定會相應(yīng)的延長，致使貨運周期和時間成本增加。相比之下，氫燃料商用車在車重和補能時間方面存在明顯優(yōu)勢，而在補能設(shè)施方面，兩種技術(shù)路徑其實仍然處在同一起跑線上。由于商用車的運營線路相對固定，尤其重載車輛主要在城際公路沿線運行，因此不需要在人口稠密的城區(qū)進行大規(guī)模的加氫設(shè)施建設(shè)，只需要在人口稀疏的城際公路沿線建設(shè)即可，這不僅對沖了加氫站建設(shè)成本高的劣勢，同時也在客觀上降低了氫氣運輸、儲藏和加注的安全風險。

如何發(fā)展氫動力商用車產(chǎn)業(yè)

了解了氫燃料汽車在商用車領(lǐng)域所具有的優(yōu)勢，我們必然要問：目前全球的氫燃料商用車產(chǎn)業(yè)發(fā)展如何？

當前，許多商用車巨頭已經(jīng)加快了在氫燃料領(lǐng)域的布局，比如戴姆勒、日野等傳統(tǒng)廠商都發(fā)布了氫燃料重卡，歐美也有為數(shù)不少的新勢力企業(yè)涉足這一領(lǐng)域，如Nikola和Hyzon，且都已在美股上市。在中國廠商中，也有不少傳統(tǒng)商用車生產(chǎn)商發(fā)布了氫燃料重卡，如上汽紅巖、中國重汽等。在中國如火如荼的造車新勢力中也不乏氫燃料商用車的身影，如格羅夫旗下的中極氫能汽車，百度投資的新能源商用車品牌DeepWay也推出了氫電共用平臺，為未來成熟后的氫燃料動力技術(shù)預(yù)留了兼容性。

不過在實際使用方面，目前氫燃料商用車還在起步階段，而價格是重要的制約因素。由于商用車本質(zhì)上是生產(chǎn)工具而非消費品，因此貨運公司和司機個體對于采購價格和使用成本及其敏感。氫燃料商用車由于鉑基催化劑和其它技術(shù)因素，目前的采購價格大幅高于燃油商用車，同時加氫成本與加油相比也沒有明顯優(yōu)勢，便利性更是差距巨大，因此無法吸引潛在用戶實際購買?，F(xiàn)在絕大多數(shù)的在營氫燃料商用車隊都是廠商自有或針對具體事項的(如奧運會)，測試和推廣的意義大于實際使用的意義。

因此，我國在發(fā)展氫燃料商用車產(chǎn)業(yè)時需要綜合考慮各種因素，集中資源突破關(guān)鍵性的技術(shù)難題，才能夠?qū)崿F(xiàn)技術(shù)的實際應(yīng)用，從而推動產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。在燃料電池技術(shù)方面，研發(fā)成本更低的催化劑是重中之重，這直接關(guān)乎到車輛的實用價值。而在氫氣生產(chǎn)領(lǐng)域，與清潔電力生產(chǎn)相配套的綠氫制備技術(shù)突破也是整個產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心議題，但此類技術(shù)的突破有賴于整個能源產(chǎn)業(yè)的技術(shù)革新，車企在這方面很難親歷親為。另外，加氫基礎(chǔ)設(shè)施還要持續(xù)完善，不斷擴展布局并提高安全性可靠性。同時，在全產(chǎn)業(yè)鏈條的各個技術(shù)環(huán)節(jié)上不斷提高能源轉(zhuǎn)化效率也是重要的發(fā)展突破方向。

除此之外，產(chǎn)業(yè)界和政策制定者還應(yīng)有意識的利用一系列的技術(shù)、市場和政策工具打破日本在氫燃料汽車產(chǎn)業(yè)中建立的專利壁壘，不能讓其成為阻礙我國相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重大障礙。而這一切都需要有合理的產(chǎn)業(yè)政策進行有力的支撐，利用產(chǎn)業(yè)政策為企業(yè)技術(shù)研發(fā)、基礎(chǔ)設(shè)施配套、車主購車和使用提供激勵，同時消除各方面不利因素的影響，才能使我國的氫燃料商用車產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展壯大。

結(jié)語

雖然氫燃料汽車產(chǎn)業(yè)還有許多有待解決的瓶頸問題，尤其是與當下電動化的大趨勢相比，氫燃料路線沒有表現(xiàn)出足夠的潛力。但筆者仍然認為我國應(yīng)該積極發(fā)展氫燃料汽車產(chǎn)業(yè)，不能落后于其它競爭者，因為中國作為一個大國，在任何一個關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的落后都可能帶來卡脖子的系統(tǒng)性風險，尤其是在能源這一全局性的重大領(lǐng)域，更是不能掉以輕心。

在當前階段，可以率先鼓勵發(fā)展氫燃料商用車，待技術(shù)成熟、布局擴展后，也可依情況拓展氫燃料技術(shù)在乘用車領(lǐng)域的應(yīng)用。畢竟未來的汽車產(chǎn)業(yè)究竟如何沒有人可以準確預(yù)料，我們能夠做的就是未雨綢繆，利用我們的產(chǎn)業(yè)和市場規(guī)模優(yōu)勢加快多種技術(shù)路徑的布局，為未來增加一種可能性，更是在激烈的國際產(chǎn)業(yè)競爭中增加一分勝算。

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