国内氢能源车真的来了！电动车要完了？

　　Hello，大家好！我是Mogo
　　前两天发了几篇关于新能源的文章，在评论区里一直有一个呼声很高的说法： 电动车不行，未来是氢能源的。
　　广州车展上，广汽丰田将氢能源轿车Mirai带上了展台。不仅仅是一次技术的展示，还宣告了Mirai将正式进入国内市场。
　　我们还在适应电动时代，氢的时代就要来了吗？
　　今天，就再和大家相对细致地聊一聊氢气和汽车的那点事儿。  直接烧氢气?
　　干过，但不靠谱
　　氢+氧可以燃烧，反应生成水，这个基础的化学反应，但凡接受过九年义务教育，应该不用科普。
　　氢气理论上是一种理想的燃料，它的优点，不仅仅在于只产生水的环保属性。 氢气理论的能量密度极高，有足足140MJ/Kg，而汽油仅有44MJ/Kg。 仅就热值论，三倍于汽油。燃烧温度也远高于汽油，热效率天然较高。
　　因此，很早的时候，就有人开始了氢内燃机汽车的尝试。比如宝马在上世纪八十年代，就立项了氢能源汽车。
　　2006年，宝马推出了使用氢内燃机的7系——Hydrogen 7。 这批车已经足以满足日常的使用需要，也可以加注普通汽油。虽然没有公开售卖，但广泛提供给了社会知名人士，联合国机构等试用。
　　直接烧氢的Hydrogen 7
　　既然氢气是一种可燃气体，自然可以通过内燃机燃烧使用。内燃机改用氢气并非什么难事，任何发动机经过简单改造和针对性调校都可以，原理和天然气的出租车别无二致。
　　Hydrogen 7结构图，和天然气出租车大差不差
　　但直接燃烧氢气不靠谱。
　　背后的原因也简单： 氢气热值极高，甚至三倍高于汽油，燃烧温度也远高于汽油， 还比汽油更容易爆炸，远离明火才是安全上上策。
　　而且，虽然说内燃机直接用氢气不是啥难事，但氢气会导致金属产生氢脆现象。也就是游离的氢离子同金属中氢离子结合，导致金属产生微小裂缝，影响零件强度。氢内燃机的诸多部件都需要直接接触氢气，自然氢脆现象极易发生。
　　Hydrogen 7的发动机，源自普通760
　　还有一点，直接点氢气的话，对于氢气的浪费惊人。 昔日宝马Hydrogen 7的百公里油耗不到15升，但用氢气的话，百公里需要消耗氢气50升。结合当时并不成熟的高压储氢技术，用氢气驱动时续航里程十分感人。
　　Hydrogen 7巨大的气罐
　　所以，目前氢内燃机还有没有人研究呢？ 有，丰田和少数几个专业赛车公司，仍旧看好氢内燃机在赛场的前景，毕竟比赛可以不计成本争第一。但要在生活中应用，直接烧氢气明显不靠谱、不科学，我们需要一种更科学的方式。
　　丰田的氢燃料赛车怎么高效利用氢气
　　氢燃料电池
　　氢燃料电池是如今氢能应用的主要形式。 原理简单来说，就是通过一系列过程，利用氢燃料电池让氢气和氧气结合成水，在这个过程中产生电能。目前应用最成熟，也最广泛的是固体高分子燃料电池。
　　具体的原理感兴趣的话，可以看如下部分，不感兴趣可以直接略过。
　　氢燃料电池的原理
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　　氢气首先到达气体分布层，然后进入催化剂层，经过催化层进入质子交换膜。质子交换膜是电子阻隔层，即质子可以通过，而电子通不过。因此电子必须绕道而行，从而形成电流——即发电。
　　发电后的电子回到质子交换膜的右侧，在催化剂的作用下，与通过交换膜的质子重新结合成为氢气，同时空气经右侧进入，空气中的氧气与氢气结合形成水，其他空气仍然回到大气中去，这就是氢气发电的过程。其过程没有燃烧，没有污染。
　　这个过程中涉及到如下反应：
　　阳极： 2H2 → 4H+ + 4e-
　　阴极： O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
　　整体： 2H2 + O2 → 2H2O + 能量
　　而通过氢燃料电池产生电能之后，自然是通过电动机来实现车辆的驱动。本质上，氢燃料电池汽车还是一台电动汽车。 目前许多氢燃料电池汽车，也都可以直接充电，当作纯电动汽车使用。
　　相比于氢内燃机，不用点燃的燃料电池自然要安全，相比于直接燃烧氢气做功，氢燃料电池的利用效率也更高。更重要的是， 相比于纯电动车，氢燃料电池无需长时间的充电，即便是大型公交车，加注燃料也仅需要10分钟左右。
　　氢燃料电池公交车的动力系统
　　目前，我们所说的氢能源汽车，绝大部分都使用氢燃料电池作为动力源。  氢能源汽车
　　发展到什么程度了？
　　海外
　　氢乘用车已经上市
　　使用氢燃料电池汽车，已经在这两年进入了市场 。2022年冬奥会上，就出现了丰田Mirai。而且，已经是这个车系的第两代产品。目前在日本、美国等地实现了销售。在美国，2021年Mirai可卖出2000+台，主要销售到了以加州为核心的西海岸。前段时间也在国内象征性的上市，有望在今年内正式登陆中国市场。
　　第二代Mirai是一台尺寸类似皇冠、亚洲龙的中大型轿车。 如今在美国市场主要销售的Mirai XLE版本，单次加注燃料可以行驶650公里左右。 除去丰田，在美国当地市场还可买到本田的氢燃料车Clarity Fuel Cell。
　　除去日本厂商，韩国的现代在氢能源领域的步伐也很快。 现代的氢燃料电池汽车主要面向韩国和欧洲市场销售，主要产品NEXO是一款中型SUV，全球范围内的累计销量已经突破一万台。
　　国内
　　氢商用车应用广泛
　　国内，氢燃料电池车辆的应用，也比想象中广泛。 氢燃料电池汽车的应用，一直是近些年来国家发展的重点领域。截至2022年底，实现上牌的氢能源车辆也已经过万台。
　　国内的一些车企，已经有一些成熟的氢燃料乘用车，做好了投入市场的准备 。
　　Mirai已经确定将由广汽丰田渠道引入、在华销售，市场建议零售价为74.8-75.1万元，首批限量引入50辆。
　　广汽传祺的氢燃料版Aion LX，已经在广州投入了网约车运营。
　　长安深蓝SL03氢电版也已经正式宣布上市，不过售价高达70万。
　　国内氢燃料汽车更多应用于商用领域。 在近几年，主要以公交车、公共服务车辆、长途货运车辆的形式应用。在北京，已经出现了诸如水木通达等使用氢能源大巴开展通勤、旅游等巴士服务的公司。
　　服务冬奥会的氢能源大巴
　　本次冬奥会期间投入使用的氢能车辆，大部分就是在北京、张家口等地日常运营的公交车 ，体验氢能源车的成本仅需人民币2元。
　　虽然看似前景美好，但氢燃料同我们的距离其实还很遥远。
　　燃料电池的应用瓶颈
　　氢能源的技术瓶颈
　　氢气难以储存。 氢气的燃烧效率是基于单位质量而言的，如果按照体积算，氢气就很渣了。常温下，氢作为密度极低的气体存在，需要极高压力、极低温度才能以液态存在。这就导致氢燃料汽车都需要携带体积巨大的气罐。不增加车辆尺寸的情况下，就需要占用大量的车内空间。
　　如氢燃料公交高高的车顶，内部就是储氢气罐
　　前文说到，氢气很危险。 而诸多不安全因素，同样适用于氢燃料电池。尽管比起来直接燃烧，燃料电池的安全性已经强不少。
　　氢气极低的密度，必须加压储存，意味着更容易发生泄漏。同时氢气会渗入金属，造成金属氢脆现象，使金属强度降低。虽然氢燃料电池汽车中接触氢气的组件显著减小，但仍旧存在此类风险。
　　如上的两点，最终结果就是氢能源汽车造价昂贵。 都是对于成本敏感度较小的豪华车、商用车。一台氢能源公交车价格，更是电动公交的三倍有余。
　　这样简单的氢能源轻卡同样价格不菲
　　不仅如此，氢气本身价格昂贵，让氢能源车使用成本高：
　　氢气仍旧很贵。 昔日宝马推广的7系氢燃料版，每公里的燃料成本达4-5元人民币。这个价格大概是使用汽油的5倍，电动车的数十倍。
　　即便是现在，氢气价格依旧高昂。 推广氢能源公交车较多的张家口市，就多次面临加氢费用过高，导致公交系统减次运营的情况。因为氢气高昂的价格，许多使用氢能源公交车的城市，甚至不加氢，仅依靠直接充电当作纯电动公交行驶。
　　技术之外的瓶颈
　　氢气高昂使用成本背后，是氢气产业链上诸多环节，都面临着技术瓶颈：
　　氢气制备的效率低，成本高。 传统的氢气生产会消耗大量的电能，只是制氧工业的副产物。如今可以用风电等相对廉价的绿色电力制氢，但是制备的成本依旧居高不下。即便制备的规模效应有了，又涉及下一个问题，如何将氢气从制备的工厂转移到加氢站？
　　氢气运输的效率低，成本高。 根据我国相关法律法规，目前氢在我国尚未作为能源进行管理，而是作为危化品管理，储氢和运氢对专业性要求很高。使用管道的话，氢气的高危性，又使得管道成本十分高昂。目前，仅仅有中石化等少数企业，准备实验性地建设氢气运输管道。
　　氢气加注的成本，也很高。 虽然加氢的过程和加油别无二致，但是加氢站的建设、运营成本要远高于加油站。加氢过程对于操作人员的要求，也远高于加油站。大规模建设加氢站的成本是一个天文数字。
　　所以，截止目前加氢站都十分稀有，尤其是面向乘用车的加氢站。在广汽丰田的网站上， 我们可以查到，可供Mirai使用的加氢站全国只有三个。
　　如上几点行业、上游的因素，都是现如今氢气推广普及的巨大障碍。也是不少机构对于氢能源的应用前景表示悲观的主要原因。
　　氢能取代电吗
　　从目前阶段来看，氢能源距离成熟的商业应用还有很多路要走。 现如今氢能源也面临着和纯电驱动相似的问题：配套设施跟不上，车辆技术不成熟，冬季续航短等。从现在的应用效果来看，短途、小型车氢能源汽车比之电动车并没有优势。长途重载的重型汽车，才是氢能源比电动车优势明显的领域。
　　其实，纯电仍旧是目前看起来最适合我们的新能源应用形式。 电动机的高效率是毋庸置疑，制约电驱动的是电池和充电效率。氢和电谁是未来，取决于的是电池技术和氢气应用哪一个先迎来突破。
　　未来一定是新能源的，这是毫无疑问的。 但是，新能源不等于纯电动。实际上，生物燃料、氢燃料，甚至于太阳能、核能都可能是未来交通工具的驱动形式。 未来的新能源应用也必然是多层次的 。就如同我们现在应用的化石燃料也有着汽油、柴油、重油、煤油之分。氢能源或许是会和纯电动一起，应用在不同的领域。