有人論述內(nèi)燃機走下坡路的同時，鋰電又沒形成主流的今天，氫能源一定是未來的路。畢竟氫氣作為很多人腦海中對絕對環(huán)保的能源幻想，有期許很正常，但一條能源產(chǎn)業(yè)鏈的落地可能并沒有想象中那么簡單。
首先我們需要知道氫動力有兩種主要形式：一種叫做氫內(nèi)燃機，第二種叫做氫燃料電池。
早在1979年石油危機爆發(fā)之后的幾年，新能源在當(dāng)時被看作是一種新的能源方向。而人們最先嘗試的形式就是建立在這種對內(nèi)燃機的簡單改裝之上，比如BMW E12的520h，這是一款使用汽油和液態(tài)氫驅(qū)動的雙燃料四門轎車，寶馬工程師在里面塞了一個3.5直噴發(fā)動機的同時還在他的后備箱布置了一個超絕緣低溫儲氫罐，間歇性會通過高壓的泵體向燃燒室內(nèi)噴入氫氣。
同樣在2006年以寶馬E66為基礎(chǔ)的氫內(nèi)燃機Hydrogen7出爐，使用火花塞輔助壓燃技術(shù)搭配改裝的v12在氫氣模式下用噴射器將氫氣以高達(dá)300bar左右的壓力噴到燃燒室中。上述兩臺車都有兩套燃燒系統(tǒng)，后者可能更高級一些，可以在清洗和汽油之間無縫切換而且當(dāng)其中一種燃料耗盡的時候會自動進(jìn)行切換。
日本也是氫燃料領(lǐng)先的國家，僅僅武藏工業(yè)大學(xué)一個學(xué)校就有3-5種不同型號的氫能源車型研發(fā)成功。而且馬自達(dá)也是在1991年推出了氫燃料轉(zhuǎn)子發(fā)動機并在2004年的底特律車展上展出這臺RX8。和寶馬一樣，也裝備了雙燃料系統(tǒng)。
上述所有的車型有個共同的名字叫做氫內(nèi)燃機動力。樸素地理解，其實就是把液化石油氣罐改為氫氣罐而已，但其實這種動力還是有它的特點：
第一，氫氣和汽油相比是汽油熱值的2.7倍，由于氫氣自身特性，混合氣濃度范圍可以調(diào)節(jié)的非常寬泛。汽油空燃比一般也就是在14.7：1，而氫氣和空氣混合燃燒的比例可以輕易達(dá)到130：1。
第二，氫氣燃燒速度快。火焰?zhèn)鞑ニ俣仁瞧偷?.7倍燃燒室中抗爆性比汽油要好壓縮比也可以非常高。
第三，氫氣擴散系數(shù)高。在空氣中氫氣的擴散系數(shù)是汽油的12倍左右基本不需要汽油的霧化過程，而且相比汽油有害怕排放物會變得少一些。
當(dāng)然爆震解決了，氫內(nèi)燃機卻解決不了早燃的問題。(爆震一般是指火花塞點火之后瞬間壓力較大引起了自著火現(xiàn)象，而早燃是在火花塞點火之前。兩者的區(qū)別就是在斷掉點火系之后，發(fā)動機還會不會繼續(xù)不正常的運轉(zhuǎn)。早燃會，爆震不會。
此外還可以從發(fā)動機做功行程來區(qū)分。一般早燃是在壓縮行程，而爆震發(fā)生在點火之后，也就是做功行程。
當(dāng)然世界都是平衡的，爆震好了壓縮行程的早燃卻成了氫內(nèi)燃機最大的痛點。和燃油機類似，這種缸內(nèi)混合氣沒被火花塞點燃之前與燃燒室內(nèi)部局部熱點接觸引起的不正常的燃燒現(xiàn)象叫做氫內(nèi)燃機的早燃。主要解決的措施就是改進(jìn)燃燒室機構(gòu)和對火花塞進(jìn)行超精確控制，而一旦更改了上述結(jié)構(gòu)，勢必要拉低同時存在著另一套燃油系統(tǒng)的效率。在這一點上無論是傳統(tǒng)曲軸發(fā)動機還是轉(zhuǎn)子發(fā)動機，帶來的成本激增都很令人頭疼。
另外排放污染雖然是變少了，但并不代表沒有，因為空氣中78%都是氮氣。氫內(nèi)燃機缸內(nèi)局部溫度往往能夠達(dá)到1700℃以上。高溫高壓之下，空氣中的氮和氧元素會形成氮氧化物。大量運用氫內(nèi)燃機的車或許同樣不利于環(huán)保。
上述諸多原因?qū)е铝藲鋬?nèi)燃機并沒有量產(chǎn)。不過寶馬在這方面的原型車倒是會以試駕的形式供名人和政府機構(gòu)使用。
除了氫氣內(nèi)燃機，還有一種目前被更加認(rèn)可的動力形式，叫做氫燃料電池，這是一種將氫氣氧氣的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置。
氫燃料電池的基本原理可以理解為電解水的“逆反應(yīng)”。以氫氣作為還原劑，氧氣作為氧化劑氫氧兩端在催化劑的作用下通過電解質(zhì)生成水，氫電極上有多余的電子所以在負(fù)電。氧電極由于缺少電子而帶正電這個類似于燃燒的化學(xué)反應(yīng)，只要保證兩端不斷供應(yīng)，氫氣和氧氣就能連續(xù)反應(yīng)。
量產(chǎn)落地車的氫燃料電池有什么特點呢?先說優(yōu)勢，拿豐田Mirai這輛車來舉例續(xù)航里程基本可以說是解決了目前的用戶痛點，一次加氫能有650公里的最大續(xù)航加氫時間是5-7分鐘，使用過程產(chǎn)出只有純凈水。
但劣勢或許更為明顯。首先就是貴，貴在哪呢?有人說要用到貴金屬鉑，但這個材料用量并不大比如Mirai一輛車不到30克，鉑的價格每克200元錢左右，而且目前燃油車三元催化劑也要用到鉑這種貴金屬。
要點在于PtCo化合物催化劑，這種催化劑要求就是在交換膜中搭建一種金屬與有機物相結(jié)合的多孔聚合物，而且要求在整個電極中擁有大量均勻的活性定位點。
但是氫氧燃料通過膜片的過程中是有負(fù)載限制的而且會與PtCo催化劑相結(jié)合形成少量晶體使得電極表面沒有足夠多的位點與氧氣相結(jié)導(dǎo)致燃料電池電流下降，這種情況尤其會出現(xiàn)在對動力請求較高的時候。
而豐田MIRAI為什么性能還算尚可呢?是因為這個PtCo催化劑工藝非常厲害，公開資料顯示，催化層他們采用了一種叫做間歇槽膜涂布法的制備工藝基本算是做到了多孔聚合物均勻性的最優(yōu)化。
但成本為每個電堆800美金左右，即便如此，在試驗車狀態(tài)下的MIRAI高速再加速能力仍然不盡如人意。于是為了增加功率，豐田在最后量產(chǎn)版的電堆上加大了獨立燃料電池串聯(lián)的數(shù)量達(dá)到了370片，最大輸出功率達(dá)到了114KW。按照單件值厚度1.34mm來看整個電堆最后達(dá)到了37升56公斤的規(guī)模。
也就是說氫燃料電池和鋰電池是類似的，也是由單電芯組成的，只不過燃料電池計算的是總反應(yīng)面積。經(jīng)過計算MIRAI的電池面積功率密度也只達(dá)到了1.15W/cm2，而且重量密度比蓄電池還差很多，再加上儲存罐變壓器導(dǎo)致豐田MIRAI重量將近1.9噸，比普銳斯重了30%，最大功率只多25%馬力重量比實際下降7%。
而且氫能源要達(dá)到這個功率密度并不容易，除了催化劑制備工藝和串聯(lián)的數(shù)量以外，質(zhì)子交換膜這個部件也非常重要，成本也很高，它能將氫氣中的電子分離成為質(zhì)子進(jìn)而從正極交換到負(fù)極和氧氣產(chǎn)生反應(yīng)生成水和熱量。
我國也有質(zhì)子交換膜的研究和生產(chǎn)，比如清華大學(xué)、北理工、同濟、上海交大也有類似的實驗室級別的產(chǎn)品，但這種產(chǎn)品各方面的參數(shù)仍然落后于豐田。
在調(diào)研豐田供應(yīng)商過程中，一個叫做戈爾的公司浮出水面。這家公司幾乎就是可以被稱作質(zhì)子交換膜行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的打造者。無論是廣東佛山的氫能源公交車，還是銷量超百萬片膜電極的武漢理工氫電，都采用這家公司的產(chǎn)品。
到目前為止，全球涉足質(zhì)子交換膜這個技術(shù)的研發(fā)以杜邦、日本旭化成、大金、3m、歌爾和德國巴斯夫等國外公司為主，而且多數(shù)都是在化工領(lǐng)域完成了多次原始資本積累和技術(shù)儲備的公司。
而我國能源多樣化的相關(guān)產(chǎn)業(yè)放開之后，質(zhì)子交換膜一定還是爭奪的焦點，但目前為止國內(nèi)只有一些像東岳集團等少數(shù)公司進(jìn)入了批量試產(chǎn)階段。相比之下，目前的市場份額仍然由戈爾公司占據(jù)。希望在該領(lǐng)域我國有質(zhì)的突破，不然直接大規(guī)模準(zhǔn)入國外技術(shù)完全相當(dāng)于降維打擊或許會讓燃料電池重走內(nèi)燃機或者鋰電在我國的老路。
接下來講氫能源的安全、攜帶、制備。17年2月份豐田發(fā)布公告說，由于輸出電壓問題將召回已售全部2840輛的MIRAI。由于特別情況下比如巡航速度爬長坡加速踏板被踩到節(jié)氣門全開的位置的時候，燃料電池升壓變頻器產(chǎn)生了輸出電壓可能超過最大閾值存在安全隱患。
所有氫能源汽車的輔助配置都有一個掃氣的功能，為了就是將管道中殘留的氫氣排出。由于氫氣儲存罐本身就是一顆大炸彈，變頻器如果輸出電壓存在一些波動，那真的是有可能點燃在掃氣閥門中沒有被排干的氫氣的。而且當(dāng)氫能源規(guī)模化之后，具備掃氣功能的車輛大量擁堵在隧道之內(nèi)，會不會引發(fā)更嚴(yán)重的爆炸?
再有就是加氫站安全問題。去年5月份韓國江陵地區(qū)的儲存罐發(fā)生爆炸，炸毀了一個足球場那么大的建筑群，兩人死亡6人受傷。一個月之后挪威的嘉興站也發(fā)生爆炸，幾乎是被夷為平地。去年9月份韓國一家生產(chǎn)氫氣的化工廠發(fā)生了氫氣爆燃現(xiàn)象，致使3名員工受傷。這種接二連三的事故引發(fā)韓國人的抗議，他們反對在自己家附近修建氫氣設(shè)施本來韓國對氫能源還是非常重視的，要在2030年賣85萬輛。民間的阻力非常大。
緊接著我們說一下氫氣攜帶問題。儲氫合金是氫能源一個高頻的關(guān)鍵詞，儲氫合金的定義是指在一定溫度壓力下能夠可逆的大幅吸收儲存和釋放氫氣的金屬化合物，這種材料要滿足一定要求。
首先，化合物的生成熱要適當(dāng)，生成熱是指在一定溫度和壓力下由最穩(wěn)定的單質(zhì)生成1mol純物質(zhì)的熱效應(yīng).這個指標(biāo)對于儲氫合金是非常矛盾的，因為生成熱過高，氫化物就過于穩(wěn)定，釋放氫氣時就需要加熱到更高的溫度。而如果生成熱太低，又儲存不了多少氫氣。
其次，形成氫化物的平衡壓要適當(dāng)一些，最好是在室溫25℃左右和1個大氣壓附近，便于吸放氫氣。而且吸放速度要非常快，這樣才能夠滿足實際應(yīng)用的車輛的需求。
最后，選擇這種合金對水氧氣和二氧化碳這些雜質(zhì)敏感性要非常小，反復(fù)吸放氫氣的時候材料不至于中毒惡化。
那么基于上述3點相關(guān)產(chǎn)業(yè)的化學(xué)專家表示現(xiàn)在比較符合這種描述的有鎂系、稀土系、鈦系的儲氫金屬。但是他們同時也表示，同樣的道理，放到氫內(nèi)燃機車或者燃料電池車上面，關(guān)鍵指標(biāo)可能又有變化，比如體積密度和系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)。
07年弗吉尼亞大學(xué)就召開了國際氫經(jīng)濟材料論壇，當(dāng)時科研人員宣布開發(fā)出了大幅提高氫儲存能力的新材料。雖然相當(dāng)于當(dāng)時儲氫合金的2倍已經(jīng)進(jìn)步很大了，但儲存量最多只是自身重量的14%。如果要用加壓罐儲存5公斤液氫，系統(tǒng)的質(zhì)量大概在100公斤左右。那如果換作是儲氫金屬，整個質(zhì)量則是原來的2-3倍，達(dá)到了200-300公斤左右。那這么大質(zhì)量放在車上，估計誰也受不了。
即便儲氫金屬發(fā)展到今天質(zhì)量密度依然很差，另外最關(guān)鍵的是動態(tài)響應(yīng)也是比較差的。因為相比燃油來說，氫燃料電池也好內(nèi)燃機也罷，它們對氫的消耗比例仍然是比較大的，所以當(dāng)你有了動力請求的時候這套系統(tǒng)很可能并不能馬上給你供應(yīng)充足的氫氣。
實際上氫金屬與氫結(jié)合之后是一種化合物，要脫氫需要重新加熱。如果想在中間加一些用于中轉(zhuǎn)的小氣罐，那整個的系統(tǒng)質(zhì)量可能又會進(jìn)一步的增加。而汽油只需要一個樹脂的郵箱而儲存氫氣，我可能要什么新材料儲存，要加熱脫氫了，還要什么中轉(zhuǎn)氣罐來提高響應(yīng)。最終的結(jié)果就是一個大概飛度大小的一個車，后面需要掛一個斗，里面裝的比例非常不協(xié)調(diào)的儲氫金屬還有中轉(zhuǎn)氣罐一系列的外圍配置。
最后我們放眼整個的氫能源產(chǎn)業(yè)鏈，規(guī)模化之后氫氣制備也是一個非常大的難題。工業(yè)化制造往往和實驗室級別的制備完全不一樣，因為當(dāng)產(chǎn)品規(guī)模化之后所帶來的整體邊際效應(yīng)的考量是完全不在一個維度的。
目前工業(yè)化制氫的效率大概只有60%-70%，再算上發(fā)電的效率、發(fā)電本身需要開采加工燃料的費用、中轉(zhuǎn)物流包裝輸送，綜合成本很可能比汽油要高不少。目前遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到實用化的階段。
經(jīng)過調(diào)研，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)很可能確實能夠通過一些手段把氫氣制備成本降下來。因為我國煤炭是富裕的，比如煤炭“大鱷”神華集團就在近些年高調(diào)入局氫能源，使用一種類似于“水煤氣”的方法來制氫。目前最低成本是每個立方7毛7，折合不到9毛/公斤，大大低于國際的平均成本。
神華集團在煤化工領(lǐng)域年產(chǎn)超過400萬噸氫氣，具備供應(yīng)4000萬輛燃料電池車制氫能力，在世界上排名可謂是靠前的。在氫氣制備能力上相信我國的工業(yè)實力和降本增效的能力。
但任何事情來規(guī)模化之后都會有一些隱患，在查找資料過程中發(fā)現(xiàn)氫氣可能會破壞臭氧層消息來源是加州理工學(xué)院的約翰·埃勒，這位地球化學(xué)家說利用氫氣作為燃料存在的問題不是氫氣燃料本身，而是來自生產(chǎn)、儲存以及氫燃料電池使用過程不可避免的氫氣泄漏。
之后他的這項研究結(jié)果發(fā)表他的美國《科學(xué)》雜志上，經(jīng)過他的宏觀計算，未來經(jīng)濟規(guī)模化之后，大約會有15%的量在制備和儲存過程中泄露到大氣層。使氫氣從原來的正常水平百分之0.5增加到百萬分之2.3。泄露氫氣會逃逸到臭氧層，因為上層大氣的水分增加使得臭氧冰晶層化學(xué)反應(yīng)失衡，從而加速臭氧層的破壞。
02年科學(xué)家在美國愛達(dá)荷州南部的一處地下200米的溫泉之內(nèi)發(fā)現(xiàn)一種會吃氫氣的微生物。這些微生物被稱作太古代微生物，只要在有氫氣和二氧化碳混合環(huán)境就能生長，根本不需要陽光和有機元素。美國大氣海洋局的科學(xué)家諾·沃利也曾經(jīng)說過，氫氣的逃逸不光會帶來臭氧層的破壞，還會讓大氣濃度比例失衡。采用氫氣作為營養(yǎng)物的太古代微生物也會繁育更多，從而帶來未知的生態(tài)后果。
雖然上述研究呢只是提出了一個生態(tài)失衡的模型，但是燃油車剛出現(xiàn)的時候誰也沒想到能夠有現(xiàn)在的這種規(guī)模化的污染排放。所以有必要進(jìn)行前瞻性的提醒，任何事如果忽視生態(tài)環(huán)境同時又形成了規(guī)模，就像一列剎車失效的列車輕易停不下來的。
