電動汽車安全事故頻發(fā),氫能汽車有望走向臺前

這幾年新能源汽車備受關注，中國在新能源汽車方面的推廣也不遺余力，其實新能源汽車的細分類型繁多。目前主要仍以純電動汽車、插電混合動力汽車。不過氫能汽車正在迎頭趕上。此前中國汽車工程學會曾預測，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。

今年4月份對電動汽車很不友好，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里發(fā)生自燃；一輛插電式混動版榮威e i6在杭州一路上起火，整個座艙被燒了個精光；一輛比亞迪E5在武漢一所中學附近自燃；最近在5月4號下午3點多，杭州九堡大橋南端靠近錢塘江的一停車場內(nèi)多輛電動汽車起火燒毀。據(jù)悉，現(xiàn)場大概有1000輛汽車，有8輛車純電動汽車輛都已燒報廢，目前起火原因還未知。

各國家紛紛出臺氫能發(fā)展規(guī)劃

氫能具有熱值高、無污染和來源豐富的優(yōu)點，被視為21世紀最具發(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國家集中出臺了一系列有關氫能發(fā)展的國家戰(zhàn)略規(guī)劃或大型項目。這些規(guī)劃文件和項目涉及制氫、儲氫、氫能應用與基礎設施等整個氫能產(chǎn)業(yè)鏈。

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

2015年，巴黎氣候變化大會通過了《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)。為實現(xiàn)這一目標，到2050年世界各國需要減排60%，氫能理事會估計氫能源的使用能夠幫助實現(xiàn)1/5的減排目標。因此，不少國家陸續(xù)出臺氫能發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃或大型項目，設定氫能發(fā)展目標。

日韓提出全力打造氫能社會。日本是當前最重視氫能發(fā)展的國家。2017年12月，日本政府出臺《氫能基本戰(zhàn)略》，旨在在全球率先實現(xiàn)“氫社會”，以實現(xiàn)低碳社會發(fā)展目標和尋求日本經(jīng)濟新的增長點。韓國希望利用氫能幫助實現(xiàn)到2030年減排37%的目標，并于2018年6月宣布了為期5年、總額達23.3億美元的“氫燃料電池基礎設施、制造和研發(fā)公私合作計劃”，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)儲氫系統(tǒng)，推動實現(xiàn)氫能經(jīng)濟社會。

歐盟及其成員國希望成為全球氫能技術領軍者。歐盟委員會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13.3億歐元實施“燃料電池和氫能技術”聯(lián)合技術計劃，旨在支持氫能技術研發(fā)和項目示范，到2020年能夠力證氫能能夠作為未來歐洲能源和運輸系統(tǒng)的支柱之一，并能為歐洲2050年向低碳經(jīng)濟轉(zhuǎn)型做出突出貢獻。

德國是最早啟動氫能技術和產(chǎn)業(yè)化研究的國家，于2006年就已出臺“國家氫能與燃料電池技術創(chuàng)新計劃”，旨在吸引產(chǎn)業(yè)部門參與氫能全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，進而使德國成為全球氫能產(chǎn)業(yè)領軍者。

英國于2017年10月出臺《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，并將燃氣分配網(wǎng)絡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《氫能利用計劃》，旨在利用氫能實現(xiàn)環(huán)保轉(zhuǎn)型，并使法國在氫能利用方面成為領先國家。

澳大利亞欲成為全球氫氣供應商。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。澳大利亞發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)的愿景目標是：通過發(fā)展氫能，增加出口收入，帶動新的產(chǎn)業(yè)引擎和就業(yè)，為澳大利亞帶來經(jīng)濟效益；支持供電、供暖、運輸和工業(yè)領域向低排放能源過渡；提高能源系統(tǒng)的彈性，增加消費者的選擇。

中國也在2016年發(fā)布了《中國氫能產(chǎn)業(yè)基礎設施發(fā)展藍皮書2016》，明確提出了我國氫能產(chǎn)業(yè)基礎設施發(fā)展的路線圖。規(guī)劃指出，2016-2020年，進行燃料電池運輸車輛試點推進，氫能現(xiàn)代有軌電車達到50列，燃料電車達到1萬輛，加氫站達到100座。2021-2030年實現(xiàn)中期目標，實現(xiàn)燃料電池車輛及發(fā)電應用、氫能軌道交通及船舶等推廣，到2030年燃料電池車達到200萬輛，加強站達到1000座。2031-2050年遠期目標將實現(xiàn)加氫站覆蓋全國，燃料電池運輸車保有量達到1000萬輛，實現(xiàn)燃料電池發(fā)電的推廣應用。

此外，印度、冰島、加拿大和巴西等國家也有相應部署。

氫供應鏈建設備受重視

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運為核心的氫供應鏈建設尤為重要。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運技術。

日本指出，要構(gòu)建氫能從制備、儲運到利用的供應鏈，到2030年左右達到氫能年供應量30萬噸，并將價格降到30日元/標方（約合20500元/噸）。目前，日本正在開發(fā)液化氫供應鏈和有機氫化物供應鏈。2018年8月，日本宣布在福島部署全球最大10兆瓦級大型氫能源系統(tǒng) (FH2R)，每年使用可再生能源可生產(chǎn)900噸以上的氫氣，預計2020年開始供應氫氣。

法國高度重視制氫過程的去碳化，以保證氫供應鏈建設的綠色環(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，法國計劃到2023年，工業(yè)用氫能中“綠色”氫能比例應達到10%，到2028年應達到20-40%。

澳大利亞正努力證明其成為氫氣供應國的可靠性。首先，澳海事安全局與日本國土交通省共同開發(fā)了液化氫運輸船，用于海上運輸氫氣。其次，正在試點維多利亞地區(qū)氫能供應項目，包括將氫氣生產(chǎn)、壓縮和液化、海上運輸和卸載。最后，計劃構(gòu)建市場基礎設施，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、管控風險。

氫燃料電池汽車應用前景廣闊

當前，交通領域貢獻了全球20%以上的二氧化碳排放，面臨巨大的脫碳壓力，麥肯錫指出氫能是新能源汽車的理想能源，預計到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)量達到4萬輛，到2025年達到20萬輛，到2030年達到80萬輛。韓國提出到2020年擁有9000輛氫燃料電池汽車，到2030年達到63萬輛。德國計劃到2020年擁有50萬輛氫燃料電池汽車。法國計劃到2023年投入運營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年分別應達到2-5萬輛和800-2000輛。

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

氫能汽車技術研發(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：一是高壓儲氫罐；二是氫燃料電池。

一、高壓儲氫罐

由于“氫氣很輕”，其質(zhì)量能量密度很大。但反過來說，如果從單位體積燃氣釋放的能量來看，氫氣的熱值是常見燃料里最低的，僅為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氫罐來壓縮儲存氫氣。

圖：車載儲氫罐

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

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

目前中外儲氫罐技術差距主要集中在儲氫罐材質(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，儲氫壓力為35MPa，質(zhì)量儲氫密度（氫氣占儲氫罐總質(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，因此這種儲氫罐儲氫壓力能達到70MPa，質(zhì)量儲氫密度在5.7%左右。

但需要指出的是，兩種儲氫罐都面臨很大的安全問題。

內(nèi)部來說，儲氫壓力本身很高，無論是35MPa還是70MPa，都是一個很危險的壓力數(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，還會發(fā)生“氫脆現(xiàn)象”，腐蝕金屬，引起裂紋導致儲氫罐破裂。

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

由于以上三個問題存在，兩種儲氫罐都采用了大量的碳纖維材料，同時，為避免“氫脆現(xiàn)象”發(fā)生，金屬內(nèi)膽儲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，一個儲氫罐的成本達到了6萬元以上。

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

但液態(tài)氫的密度更高，面臨的爆炸、泄露風險也更大，同時還要耗費系統(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、燃料電池的多項關鍵技術

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，同時還要隔離兩極反應氣體，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口。

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

難點在于催化劑只能用鉑，而鉑的價格非常昂貴，均價約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鍵手段。

而目前，我國的低鉑催化劑技術尚處于實驗研發(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，石墨板和復合板的技術已相對成熟，而金屬板因為能大幅提高電池輸出功率，近年來成為了燃料電池的一大突破方向，仍待解決掉問題是金屬板在電池環(huán)境下易受腐蝕，導致電池壽命較短。

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

未來

雖然氫能源看起來很美好，但事實上氫燃料行業(yè)的成熟度還大幅落后于動力電池行業(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，仍然需要一個漫長的階段，不僅是科研人員與車企要努力研究核心技術，市場接受新能源的融入也是重要的一環(huán)。想要推進氫能的發(fā)展，仍然不能操之過急。