氢燃料电池汽车，打得过纯电动车么？

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开发。BMW i Hydrogen NEXT动力系统就是搭载的双方合作研发的燃料电池，和宝马集团独立研发的燃料电池组和整体驱动系统。

宝马集团研发负责人傅乐希表示：“从长期来看，氢燃料电池技术有可能成为宝马集团动力系统组合的第四大支柱。”计划将在2022年小规模生产宝马X5氢燃料电池版本。

笔者第一次了解到“氢气动力”，是在2007年第一次参观中国科学技术馆时。当时宝马展示了“氢燃料汽车”，内心激动之情溢于言表，不仅仅是因为这种车排放物仅为“水”，还有当时看到H2R概念车时的冲击感。

（宝马H2R概念车）

不过无论当时宝马展示的氢动力7系还是H2R，都是利用压缩氢气作为燃料替代燃油，也就是仍旧在内燃机中工作，即氢气遇到氧气燃烧爆炸产生动能，由内燃机将化学能转化为动能，通过传动系统带动汽车行驶。

而氢燃料电池则完全是另一种概念，虽然化学方程式仍旧不变，但反应的方式有所不同。在氢燃料电池中，氢气进入电池，通过催化剂的作用下在PEA（Proton Exchange Membranes，质子交换膜）阴极一侧分离为质子（氢离子H+，阳）和电子（e-，阴），因为只有质子能够穿过PEA进入到另一侧，所以电子只能“自寻出路”，沿着电线通过用电器之后进入电池阳极（产生电能），同样在催化剂作用下，氧气与质子（氢离子）和电子共同产生化学反应，合成水（H2O）并释放大量热量。

（氢燃料电池工作原理）

注：上图中整体架构（左右进气空间、PEM等）合起来被称之为膜电极（MEA，Membrane Electrode Assemblies），也就是PEM类型氢燃料电池的核心。燃料电池单个输出电压约为0.8~1V，所以真正车载燃料电池其实是燃料电池组，也就是并联串联一大堆单个燃料电池，来保证电压和输出功率。

氢燃料电池与氢燃料内燃机相比，其能源利用效率要高很多。内燃机效率理论值可接近50%，但实际上大约在25%左右，而氢燃料电池效率可高达60%（转化为电能），如果算上热能回收利用，总体效率可超过90%（CHP效率，Combined Heat and Power）。

（不同种类燃料电池工作温度、输出功率、效率、应用领域，其中车载氢燃料电池为PEM类型）

虽然氢燃料电池技术早在1838年就被发明了，并且随后在太空（1960年NASA采用的培根燃料电池）、发电、小型机械和电气设备供能等领域被采用，但受到PEA材料以及诸多限制，仍不足以应用于汽车产品。1991年，Roger Billings研发了第一个氢燃料汽车，真正让氢燃料电池技术引入汽车领域。

然而随后的发展却并未如预期般顺利，近30年过去了，如今市场上真正量产并销售的氢燃料电池车，仅有现代NEXO、本田Clarity、丰田Mirai。

为什么？

首先是制造成本问题。氢燃料电池汽车的工作原理类似混动车型，低功率时，由电池提供动力，而需要急加速时，燃料电池介入为电机提供电能，电池电量低时，燃料电池则为其充电。

（图/丰田）

所以其动力系统可以完全可以照搬纯电动车，例如上文中提到BMW i Hydrogen NEXT系统中，其动力系统就是从纯电动车型iX3上拿来的；而氢燃料电池和储氢罐则可以被当作是发电机，在需要时候提供动力和向电池充电。

（图/丰田）

问题就在这里，氢燃料电池本身作为核心部分，其成本很高。一方面由于产量不大（多个原因，下文分析），无法利用大规模生产降低成本效应；另一方面则是氢燃料电池材料中需要昂贵的铂金属（或铂家族），所以从原材料采购成本就较高；最后则是技术原因，氢燃料电池之前未能大规模应用于汽车，其中一个关键问题就是寿命，PEM类型氢燃料电池目前全球领先水平其使用寿命大约是5000小时，而国内普遍在2000~3000小时，所以研发成本也会被计入其中。（SOFC寿命约为40000小时，但由于其工作温度和其他限制 ，无法应用于汽车）

（电池本身成本和整体系统成本）

所以当你对比氢燃料电池车辆的售价时，就不难发现比同级别或者同类型车辆要贵上不少。

甚至其价格比续航差不多的电动车也要贵上不少。

其次是使用问题。普通汽车加一箱油大约在200~300元之间，续航大约在500~600km左右；纯电动车以特斯拉Model 3长续航为例，超充加满为100~150元左右，家冲为30~40元左右，续航在500km左右；而氢燃料电池以丰田Mirai为例，加满氢燃料（5kg）大约在350~400元左右（70多元/kg），续航在500~600km左右。很明显，氢燃料电池的使用成本大约是燃油车的1.5~2倍，是纯电动车的3~10倍。

虽然加氢的时间只需要几分钟，但加氢站的数量屈指可数，导致氢燃料电池汽车使用更加不方便。当然如果国家要大力发展氢能源汽车，那么基建或许会在未来快速发展，但这里面存在一个更大的行业问题，也就是另**一个导致氢燃料汽车未能快速发展的原因——氢气来源。**

商业化大规模制造氢气大致可以分为四种方式：电解水、天然气、石油、煤炭，分别占世界氢气产量的4%、48%、30%、18%。总体而言，工业中常用甲烷或天然气通过蒸汽重整（Steam Reforming）的方式来制造氢气。

通过将甲烷和高压高温水蒸气混合，在催化剂作用下，生成氢气。这种方式的弊端就在于，工厂需要消耗大量电能、石油能来生产，并且生成物中除了氢气之外，还有大量二氧化碳。（当然生产锂电池同样会消耗大量能源以及排放温室气体，具体详细对比暂时找不到资料）

此外，氢气的存储和运输又是另一个难题。由于氢气的密度极小，所以想要作为燃料运输和使用，需要使其加压存入高压存储罐，而这就会造成安全隐患，一旦运输过程或存储出现问题，就会发生严重的爆炸事故，例如之前挪威和美国德克萨斯州朗维尤发生的氢气站爆炸，十几公里外都能感受到冲击波。

所以“自产氢气”的加氢站出现，不过显然不可能采用上述工业大规模制氢手段，只能使用电解水方式。该方式不被大范围应用的原因在于，利用电能电解水产生氢气和氧气，然后氢气被燃料电池利用产生电能，即便期间从生产到车辆使用的效率为100%，那么初始使用的电能仍超过最终产生的电能。所以“自产氢气”的加氢站只能通过太阳能等手段先发电，然后再制氢。这种方式的弊端在于，产量低下，每天制氢数量也许只能满足十几辆或者几辆氢燃料汽车使用。

（站内制氢设备）

不仅如此，作为加氢站，其建设成本由于核心设备的进口费，不算土地成本，其建设费用约为1500万，而如果是具有站内制氢能力的加氢站，其建设成本则高达2000~3000万。并且，据中商产业研究院报告，加氢站中氢气成本约占7成。相比之下，加油站除了土地费用之外，其建设成本不过百来万，而加电站则更低，一个最贵的直流超充桩需要2~4万，普通桩则只需要几千元。

抛开上述所有原因之外，氢燃料电池汽车还有一个不被注意的问题——能源使用效率问题。氢燃料电池虽然比内燃机效率高不少，但对比纯电动车而言却差很多。虽然从动力系统汲取电能并转化为动能，两者效率差不多，但氢燃料从生产到运输再到燃料电池，这期间效率损失巨大，而与之对应的发电厂到电网再充入锂电池，这期间效率较高。

那是否氢燃料电池汽车就没有未来了？

这要分成两部分来看，对于大规模个人乘用车角度而言，就目前制氢、运输、存储等各个方面来说，对比纯电动车除了补能速度之外毫无优势可言。而对于大型公共交通工具而言，却有所不同。

氢燃料1kg能量约等于1加仑汽油（约2.65kg），而1加仑汽油约等于33kWh电能，但要存储33kWh电能，其电池包重量高达几百kg。所以例如对于飞机而言，携带充足的能源，显然氢燃料最为方便；再例如，行驶路线固定的公交，和一些物流车辆，其起点终点相对稳定，加氢的快速比之充电而言要迅速不少，尤其对于一些“时间就是金钱”的交通需求，既比燃油车环保，又比纯电车辆补能迅速。且对于这些使用场景，其加氢站并不需要遍布全球，只需要在指定位置建设即可。

氢燃料电池技术是人类科技发展中一个里程碑，技术本身是优秀和卓越的，只不过在应用领域还受到诸多限制。可持续能源发展的本质是不依赖有限能源，从而解除人类发展和探索宇宙的“枷锁”，虽然从效率角度而言，通过太阳能、风能等可持续能源制造氢气，再进行利用，显得有些“愚蠢”。但作为一种环保且能量密度较高的存储介质，笔者相信仍然会在未来被重用。

毕竟，谁还没遇到过断电呢。

作者 | 孙鸣远

题图 | 宝马i8氢燃料电池版本