這幾年新能源汽車備受關(guān)注，中國在新能源汽車方面的推廣也不遺余力，其實(shí)新能源汽車的細(xì)分類型繁多。目前主要仍以純電動(dòng)汽車、插電混合動(dòng)力汽車。不過氫能汽車正在迎頭趕上。此前中國汽車工程學(xué)會(huì)曾預(yù)測(cè)，到2030年，我國氫能汽車產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值有望突破萬億元大關(guān)。

今年4月份對(duì)電動(dòng)汽車很不友好，從4月21日一輛特斯拉Model S在某地庫爆燃后；一輛蔚來ES8在西安的一家維修點(diǎn)里發(fā)生自燃；一輛插電式混動(dòng)版榮威e i6在杭州一路上起火，整個(gè)座艙被燒了個(gè)精光；一輛比亞迪E5在武漢一所中學(xué)附近自燃；最近在5月4號(hào)下午3點(diǎn)多，杭州九堡大橋南端靠近錢塘江的一停車場(chǎng)內(nèi)多輛電動(dòng)汽車起火燒毀。據(jù)悉，現(xiàn)場(chǎng)大概有1000輛汽車，有8輛車純電動(dòng)汽車輛都已燒報(bào)廢，目前起火原因還未知。

各國家紛紛出臺(tái)氫能發(fā)展規(guī)劃

氫能具有熱值高、無污染和來源豐富的優(yōu)點(diǎn)，被視為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉础?/p>

僅2017年10月至2018年8月，就有日本、韓國、英國、法國和澳大利亞五個(gè)國家集中出臺(tái)了一系列有關(guān)氫能發(fā)展的國家戰(zhàn)略規(guī)劃或大型項(xiàng)目。這些規(guī)劃文件和項(xiàng)目涉及制氫、儲(chǔ)氫、氫能應(yīng)用與基礎(chǔ)設(shè)施等整個(gè)氫能產(chǎn)業(yè)鏈。

在主要發(fā)達(dá)國家政府積極部署的同時(shí)，世界知名的大型企業(yè)也形成合力，共同成立“氫能理事會(huì)”倡導(dǎo)氫能經(jīng)濟(jì)，引領(lǐng)全球能源轉(zhuǎn)型。在公私部門齊力共同促進(jìn)氫能發(fā)展的背景下，全球能產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)入快車道。

2015年，巴黎氣候變化大會(huì)通過了《巴黎協(xié)議》，指出全球氣溫較工業(yè)化前水平升高要控制在2℃以內(nèi)。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，到2050年世界各國需要減排60%，氫能理事會(huì)估計(jì)氫能源的使用能夠幫助實(shí)現(xiàn)1/5的減排目標(biāo)。因此，不少國家陸續(xù)出臺(tái)氫能發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃或大型項(xiàng)目，設(shè)定氫能發(fā)展目標(biāo)。

日韓提出全力打造氫能社會(huì)。日本是當(dāng)前最重視氫能發(fā)展的國家。2017年12月，日本政府出臺(tái)《氫能基本戰(zhàn)略》，旨在在全球率先實(shí)現(xiàn)“氫社會(huì)”，以實(shí)現(xiàn)低碳社會(huì)發(fā)展目標(biāo)和尋求日本經(jīng)濟(jì)新的增長點(diǎn)。韓國希望利用氫能幫助實(shí)現(xiàn)到2030年減排37%的目標(biāo)，并于2018年6月宣布了為期5年、總額達(dá)23.3億美元的“氫燃料電池基礎(chǔ)設(shè)施、制造和研發(fā)公私合作計(jì)劃”，旨在建造燃料電池汽車和燃料電池堆工廠、生產(chǎn)燃料電池巴士和開發(fā)儲(chǔ)氫系統(tǒng)，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)氫能經(jīng)濟(jì)社會(huì)。

歐盟及其成員國希望成為全球氫能技術(shù)領(lǐng)軍者。歐盟委員會(huì)正通過公私合作模式聯(lián)合產(chǎn)業(yè)界和研究界共同投入13.3億歐元實(shí)施“燃料電池和氫能技術(shù)”聯(lián)合技術(shù)計(jì)劃，旨在支持氫能技術(shù)研發(fā)和項(xiàng)目示范，到2020年能夠力證氫能能夠作為未來歐洲能源和運(yùn)輸系統(tǒng)的支柱之一，并能為歐洲2050年向低碳經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型做出突出貢獻(xiàn)。

德國是最早啟動(dòng)氫能技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化研究的國家，于2006年就已出臺(tái)“國家氫能與燃料電池技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃”，旨在吸引產(chǎn)業(yè)部門參與氫能全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，進(jìn)而使德國成為全球氫能產(chǎn)業(yè)領(lǐng)軍者。

英國于2017年10月出臺(tái)《清潔增長戰(zhàn)略》，提出到2050年比1990年水平減排80%的長期目標(biāo)，并將燃?xì)夥峙?a target="_blank">網(wǎng)絡(luò)100%轉(zhuǎn)化為氫氣定為最可靠的大規(guī)模脫碳方案之一。

法國于2018年7月發(fā)布《氫能利用計(jì)劃》，旨在利用氫能實(shí)現(xiàn)環(huán)保轉(zhuǎn)型，并使法國在氫能利用方面成為領(lǐng)先國家。

澳大利亞欲成為全球氫氣供應(yīng)商。近年來，澳大利亞產(chǎn)業(yè)界已經(jīng)明確了其投資氫能的意愿，希望加速發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)搶占國際氫能市場(chǎng)。澳大利亞發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)的愿景目標(biāo)是：通過發(fā)展氫能，增加出口收入，帶動(dòng)新的產(chǎn)業(yè)引擎和就業(yè)，為澳大利亞帶來經(jīng)濟(jì)效益；支持供電、供暖、運(yùn)輸和工業(yè)領(lǐng)域向低排放能源過渡；提高能源系統(tǒng)的彈性，增加消費(fèi)者的選擇。

中國也在2016年發(fā)布了《中國氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍(lán)皮書2016》，明確提出了我國氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展的路線圖。規(guī)劃指出，2016-2020年，進(jìn)行燃料電池運(yùn)輸車輛試點(diǎn)推進(jìn)，氫能現(xiàn)代有軌電車達(dá)到50列，燃料電車達(dá)到1萬輛，加氫站達(dá)到100座。2021-2030年實(shí)現(xiàn)中期目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)燃料電池車輛及發(fā)電應(yīng)用、氫能軌道交通及船舶等推廣，到2030年燃料電池車達(dá)到200萬輛，加強(qiáng)站達(dá)到1000座。2031-2050年遠(yuǎn)期目標(biāo)將實(shí)現(xiàn)加氫站覆蓋全國，燃料電池運(yùn)輸車保有量達(dá)到1000萬輛，實(shí)現(xiàn)燃料電池發(fā)電的推廣應(yīng)用。

此外，印度、冰島、加拿大和巴西等國家也有相應(yīng)部署。

氫供應(yīng)鏈建設(shè)備受重視

氫能是二次能源，自然界中并未直接存在，因此以氫氣制備和儲(chǔ)運(yùn)為核心的氫供應(yīng)鏈建設(shè)尤為重要。不少國家都提出要以降低成本為中心，開發(fā)安全、穩(wěn)定、高效、清潔的氫能制備和儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)。

日本指出，要構(gòu)建氫能從制備、儲(chǔ)運(yùn)到利用的供應(yīng)鏈，到2030年左右達(dá)到氫能年供應(yīng)量30萬噸，并將價(jià)格降到30日元/標(biāo)方（約合20500元/噸）。目前，日本正在開發(fā)液化氫供應(yīng)鏈和有機(jī)氫化物供應(yīng)鏈。2018年8月，日本宣布在福島部署全球最大10兆瓦級(jí)大型氫能源系統(tǒng) (FH2R)，每年使用可再生能源可生產(chǎn)900噸以上的氫氣，預(yù)計(jì)2020年開始供應(yīng)氫氣。

法國高度重視制氫過程的去碳化，以保證氫供應(yīng)鏈建設(shè)的綠色環(huán)保。目前，法國95%的氫氣是使用化石能源生產(chǎn)的，構(gòu)成了溫室氣體排放總量的3%。為此，法國計(jì)劃到2023年，工業(yè)用氫能中“綠色”氫能比例應(yīng)達(dá)到10%，到2028年應(yīng)達(dá)到20-40%。

澳大利亞正努力證明其成為氫氣供應(yīng)國的可靠性。首先，澳海事安全局與日本國土交通省共同開發(fā)了液化氫運(yùn)輸船，用于海上運(yùn)輸氫氣。其次，正在試點(diǎn)維多利亞地區(qū)氫能供應(yīng)項(xiàng)目，包括將氫氣生產(chǎn)、壓縮和液化、海上運(yùn)輸和卸載。最后，計(jì)劃構(gòu)建市場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，即建立氫氣交易中心，幫助氫氣生產(chǎn)者和購買者提高投資效率、管控風(fēng)險(xiǎn)。

氫燃料電池汽車應(yīng)用前景廣闊

當(dāng)前，交通領(lǐng)域貢獻(xiàn)了全球20%以上的二氧化碳排放，面臨巨大的脫碳?jí)毫Γ溈襄a指出氫能是新能源汽車的理想能源，預(yù)計(jì)到2050年氫燃料電池汽車將占全部汽車的20-25%。為此，各國將“發(fā)展氫燃料電池汽車”置于最為顯著的位置。

日本提出到2020年使氫燃料電池汽車數(shù)量達(dá)到4萬輛，到2025年達(dá)到20萬輛，到2030年達(dá)到80萬輛。韓國提出到2020年擁有9000輛氫燃料電池汽車，到2030年達(dá)到63萬輛。德國計(jì)劃到2020年擁有50萬輛氫燃料電池汽車。法國計(jì)劃到2023年投入運(yùn)營5000輛輕型氫能商業(yè)交通工具以及200輛重型氫能交通工具（如公交車、卡車、特快列車、船只），到2028年分別應(yīng)達(dá)到2-5萬輛和800-2000輛。

另外，加氫站的網(wǎng)絡(luò)化分布是氫燃料電池汽車大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的基本保障。因此，各國設(shè)立了加氫站的建設(shè)目標(biāo)。日本計(jì)劃到2020年建成160個(gè)，2025年建成320個(gè)，2030年建成900個(gè)，到2050年逐步替代加油站。韓國計(jì)劃到2022年建設(shè)310個(gè)。德國計(jì)劃到2020年建設(shè)1000個(gè)。法國計(jì)劃到2023年建設(shè)100個(gè)，到2028年達(dá)到400-1000個(gè)。

氫能汽車技術(shù)研發(fā)困境

雖然氫能汽車的前景很廣闊，但目前還面臨著一些技術(shù)研發(fā)困境，主要是兩大核心零部件研發(fā)難度較大：一是高壓儲(chǔ)氫罐；二是氫燃料電池。

一、高壓儲(chǔ)氫罐

由于“氫氣很輕”，其質(zhì)量能量密度很大。但反過來說，如果從單位體積燃?xì)忉尫诺哪芰縼砜矗瑲錃獾臒嶂凳浅Ｒ娙剂侠镒畹偷模瑑H為12.74MJ/Nm3，是甲烷的1/3，汽油的1/10。

這就意味著，如果要釋放同樣的能量，汽車需要消耗巨量體積的氫氣，因而氫燃料電池車上都有高壓儲(chǔ)氫罐來壓縮儲(chǔ)存氫氣。

圖：車載儲(chǔ)氫罐

車載高壓儲(chǔ)氫罐一般可以儲(chǔ)存6kg左右高壓氫氣，總體積在150L-200L上下，有些大的儲(chǔ)氫罐甚至?xí)D壓車內(nèi)空間，比如豐田Mirai的后排就只能乘坐兩人。

在儲(chǔ)氫罐體積只能減小不能增大的情況下，儲(chǔ)氫壓力成為了重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)。同等體積下，儲(chǔ)氫壓力升高一倍，儲(chǔ)氫量會(huì)增加50-70%，續(xù)航里程提升50%，但是成本會(huì)增加近7倍。

目前中外儲(chǔ)氫罐技術(shù)差距主要集中在儲(chǔ)氫罐材質(zhì)上，包括內(nèi)襯、纖維纏繞層和過渡層材料。

我國車載儲(chǔ)氫罐主流是金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶(Ⅲ型瓶)，內(nèi)襯材料為金屬鋁，儲(chǔ)氫壓力為35MPa，質(zhì)量儲(chǔ)氫密度（氫氣占儲(chǔ)氫罐總質(zhì)量的比重）在3%左右。

而日、美、韓的頭部企業(yè)已經(jīng)量產(chǎn)了全復(fù)合纖維纏繞瓶（IV型瓶），內(nèi)襯材料為塑料，有更好的氣密性、耐腐蝕性、耐高溫性，因此這種儲(chǔ)氫罐儲(chǔ)氫壓力能達(dá)到70MPa，質(zhì)量儲(chǔ)氫密度在5.7%左右。

但需要指出的是，兩種儲(chǔ)氫罐都面臨很大的安全問題。

內(nèi)部來說，儲(chǔ)氫壓力本身很高，無論是35MPa還是70MPa，都是一個(gè)很危險(xiǎn)的壓力數(shù)值。要知道，20MPa的水壓就可以用來切割石材了。其次，氫氣在高壓高溫（30MPa，300℃以上）環(huán)境下，還會(huì)發(fā)生“氫脆現(xiàn)象”，腐蝕金屬，引起裂紋導(dǎo)致儲(chǔ)氫罐破裂。

外部來說，汽車行駛途中還可能發(fā)生碰撞事故，火災(zāi)事故、浸水事故等極端情況，讓原本就比較危險(xiǎn)的儲(chǔ)氫罐增加了破裂、泄露，甚至爆炸的可能性。

由于以上三個(gè)問題存在，兩種儲(chǔ)氫罐都采用了大量的碳纖維材料，同時(shí)，為避免“氫脆現(xiàn)象”發(fā)生，金屬內(nèi)膽儲(chǔ)氫罐還需額外配備液冷系統(tǒng)，以控制罐內(nèi)溫度。綜合下來，一個(gè)儲(chǔ)氫罐的成本達(dá)到了6萬元以上。

另外，目前國內(nèi)外采用的大都是氣態(tài)儲(chǔ)氫，如果要實(shí)現(xiàn)更大的儲(chǔ)氫量，需要發(fā)展到低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、高壓液態(tài)儲(chǔ)氫、有機(jī)液體儲(chǔ)氫等。

但液態(tài)氫的密度更高，面臨的爆炸、泄露風(fēng)險(xiǎn)也更大，同時(shí)還要耗費(fèi)系統(tǒng)30%以上的能量來維持液氫狀態(tài)，目前讓汽車裝載液氫可能得不償失。

二、燃料電池的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)

燃料電池是燃料電池車最核心、成本最高的零部件，其也有質(zhì)子交換膜、鉑催化劑、雙極板三大部件需要突破。

質(zhì)子交換膜被稱為氫燃料電池的心臟，它處于燃料電池正負(fù)極板的中間，起到了隔離其他離子，僅允許質(zhì)子通過的功能，同時(shí)還要隔離兩極反應(yīng)氣體，支撐兩側(cè)催化劑層，性能要求非常高。

如此重要的電池“心臟”，卻一直被握在國外公司手心里，我國研發(fā)氫燃料電池的核心材料幾乎全靠進(jìn)口。

質(zhì)子交換膜技術(shù)從上世紀(jì)60年代起就被美國杜邦公司壟斷，杜邦膜的價(jià)格約為120美元/kW，我國常用的燃料電池功率為35-50kW，以50kW燃料電池計(jì)算，一套燃料電池里，僅質(zhì)子交換膜的成本就高達(dá)4萬元人民幣。

圖：燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖

質(zhì)子交換膜的兩側(cè)是鉑（Pt）催化劑，氫氣通到陽極板后，在鉑催化劑的作用下，失去電子變成質(zhì)子，再通過質(zhì)子交換膜與另一側(cè)的氧原子結(jié)合生產(chǎn)水。

難點(diǎn)在于催化劑只能用鉑，而鉑的價(jià)格非常昂貴，均價(jià)約200元/克，使用100克鉑的情況下，一套氫燃料電池所用鉑催化劑的成本近2萬元。因此，降低催化劑中鉑的使用量，是降低電池成本的一大關(guān)鍵手段。

而目前，我國的低鉑催化劑技術(shù)尚處于實(shí)驗(yàn)研發(fā)階段，離規(guī)模量產(chǎn)還有很長的距離。

除此之外，作為燃料電池的“骨架”，雙極板的工藝水平仍待突破。雙極板（Bipolar Plate，BP）又叫流場(chǎng)板，與膜電極層疊裝配成電堆，在燃料電池中起到支撐、收集電流、為冷卻液提供通道等作用，其質(zhì)量好壞直接決定了電池輸出功率和使用壽命。

雙極板的三種材質(zhì)中，石墨板和復(fù)合板的技術(shù)已相對(duì)成熟，而金屬板因?yàn)槟艽蠓岣唠姵剌敵龉β剩陙沓蔀榱巳剂想姵氐囊淮笸黄品较颍源鉀Q掉問題是金屬板在電池環(huán)境下易受腐蝕，導(dǎo)致電池壽命較短。

在燃料電池的零部件上，還有膜電極、膜加濕器、氫氣循環(huán)泵等關(guān)鍵技術(shù)有待突破。

未來

雖然氫能源看起來很美好，但事實(shí)上氫燃料行業(yè)的成熟度還大幅落后于動(dòng)力電池行業(yè)，其產(chǎn)業(yè)鏈的大部分環(huán)節(jié)都還沒有普及，因此造成了氫燃料電池的制造成本昂貴。

未來氫能源的發(fā)展，仍然需要一個(gè)漫長的階段，不僅是科研人員與車企要努力研究核心技術(shù)，市場(chǎng)接受新能源的融入也是重要的一環(huán)。想要推進(jìn)氫能的發(fā)展，仍然不能操之過急。