技術挑戰大 氫能源車仍有長路要走

作者 : 張河勳,EE Times China

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」。但距離氫能的普及,還有一段路要走…

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      

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