Hello，大家好！我是Mogo
前兩天發了幾篇關於新能源的文章，在評論區裡一直有一個呼聲很高的說法：電動車不行，未來是氫能源的。
廣州車展上，廣汽豐田將氫能源轎車Mirai帶上了展臺。
不僅僅是一次技術的展示，還宣告了Mirai將正式進入國內市場。
我們還在適應電動時代，氫的時代就要來了嗎？
今天，就再和大家相對細致地聊一聊氫氣和汽車的那點事兒。
直接燒氫氣?
幹過，但不靠譜
氫+氧可以燃燒，反應生成水，這個基礎的化學反應，但凡接受過九年義務教育，應該不用科普。
氫氣理論上是一種理想的燃料，它的優點，不僅僅在於隻產生水的環保屬性。
氫氣理論的能量密度極高，有足足140MJ/Kg，而汽油僅有44MJ/Kg。
僅就熱值論，三倍於汽油。
燃燒溫度也遠高於汽油，熱效率天然較高。
因此，很早的時候，就有人開始了氫內燃機汽車的嘗試。
比如BMW在上世紀《參數丨圖片》八十年代，就立項了氫能源汽車。
2006年，BMW推出了使用氫內燃機的7系——Hydrogen 7。
這批車已經足以滿足日常的使用需要，也可以加註普通汽油。
雖然沒有公開售賣，但廣泛提供給了社會知名人士，聯合國機構等試用。
直接燒氫的Hydrogen 7
既然氫氣是一種可燃氣體，自然可以通過內燃機燃燒使用。
內燃機改用氫氣並非什麼難事，任何發動機經過簡單改造和針對性調校都可以，原理和天然氣的出租車別無二致。
Hydrogen 7結構圖，和天然氣出租車大差不差
但直接燃燒氫氣不靠譜。
背後的原因也簡單：氫氣熱值極高，甚至三倍高於汽油，燃燒溫度也遠高於汽油，還比汽油更容易爆炸，遠離明火才是安全上上策。
而且，雖然說內燃機直接用氫氣不是啥難事，但氫氣會導致金屬產生氫脆現象。
也就是遊離的氫離子同金屬中氫離子結合，導致金屬產生微小裂縫，影響零件強度。
氫內燃機的諸多部件都需要直接接觸氫氣，自然氫脆現象極易發生。
Hydrogen 7的發動機，源自普通760
還有一點，直接點氫氣的話，對於氫氣的浪費驚人。
昔日BMWHydrogen 7的百公裡油耗不到15升，但用氫氣的話，百公裡需要消耗氫氣50升。
結合當時並不成熟的高壓儲氫技術，用氫氣驅動時續航裡程十分感人。
Hydrogen 7巨大的氣罐
所以，目前氫內燃機還有沒有人研究呢？有，豐田和少數幾個專業賽車公司，仍舊看好氫內燃機在賽場的前景，畢竟比賽可以不計成本爭第一。
但要在生活中應用，直接燒氫氣明顯不靠譜、不科學，我們需要一種更科學的方式。
豐田的氫燃料賽車
怎麼高效利用氫氣
氫燃料電池
氫燃料電池是如今氫能應用的主要形式。
原理簡單來說，就是通過一系列過程，利用氫燃料電池讓氫氣和氧氣結合成水，在這個過程中產生電能。
目前應用最成熟，也最廣泛的是固體高分子燃料電池。
具體的原理感興趣的話，可以看如下部分，不感興趣可以直接略過。
氫燃料電池的原理
氫氣首先到達氣體分佈層，然後進入催化劑層，經過催化層進入質子交換膜。
質子交換膜是電子阻隔層，即質子可以通過，而電子通不過。
因此電子必須繞道而行，從而形成電流——即發電。
發電後的電子回到質子交換膜的右側，在催化劑的作用下，與通過交換膜的質子重新結合成為氫氣，同時空氣經右側進入，空氣中的氧氣與氫氣結合形成水，其他空氣仍然回到大氣中去，這就是氫氣發電的過程。
其過程沒有燃燒，沒有污染。
這個過程中涉及到如下反應：
陽極：2H2 → 4H+ + 4e-
陰極：O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
整體：2H2 + O2 → 2H2O + 能量
而通過氫燃料電池產生電能之後，自然是通過電動機來實現車輛的驅動。
本質上，氫燃料電池汽車還是一臺電動汽車。
目前許多氫燃料電池汽車，也都可以直接充電，當作純電動汽車使用。
相比於氫內燃機，不用點燃的燃料電池自然要安全，相比於直接燃燒氫氣做功，氫燃料電池的利用效率也更高。
更重要的是，相比於純電動車，氫燃料電池無需長時間的充電，即便是大型公交車，加註燃料也僅需要10分鐘左右。
氫燃料電池公交車的動力系統
目前，我們所說的氫能源汽車，絕大部分都使用氫燃料電池作為動力源。
氫能源汽車
發展到什麼程度了？
海外
氫乘用車已經上市
使用氫燃料電池汽車，已經在這兩年進入了市場。
2022年冬奧會上，就出現了豐田Mirai。
而且，已經是這個車系的第兩代產品。
目前在日本、美國等地實現了銷售。
在美國，2021年Mirai可賣出2000+臺，主要銷售到了以加州為核心的西海岸。
前段時間也在國內象征性的上市，有望在今年內正式登陸中國市場。
第二代Mirai是一臺尺寸類似皇冠、亞洲龍的中大型轎車。
如今在美國市場主要銷售的Mirai XLE版本，單次加註燃料可以行駛650公裡左右。
除去豐田，在美國當地市場還可買到本田的氫燃料車Clarity Fuel Cell。
除去日本廠商，韓國的現代在氫能源領域的步伐也很快。
現代的氫燃料電池汽車主要面向韓國和歐洲市場銷售，主要產品NEXO是一款中型SUV，全球范圍內的累計銷量已經突破一萬臺。
國內
氫商用車應用廣泛
國內，氫燃料電池車輛的應用，也比想象中廣泛。
氫燃料電池汽車的應用，一直是近些年來國家發展的重點領域。
截至2022年底，實現上牌的氫能源車輛也已經過萬臺。
國內的一些車企，已經有一些成熟的氫燃料乘用車，做好了投入市場的準備。
Mirai已經確定將由廣汽豐田渠道引入、在華銷售，市場建議零售價為74.8-75.1萬元，首批限量引入50輛。
廣汽傳祺的氫燃料版Aion LX，已經在廣州投入了網約車運營。
長安深藍SL03氫電版也已經正式宣佈上市，不過售價高達70萬。
國內氫燃料汽車更多應用於商用領域。
在近幾年，主要以公交車、公共服務車輛、長途貨運車輛的形式應用。
在北京，已經出現了諸如水木通達等使用氫能源大巴開展通勤、旅遊等巴士服務的公司。
服務冬奧會的氫能源大巴
本次冬奧會期間投入使用的氫能車輛，大部分就是在北京、張家口等地日常運營的公交車，體驗氫能源車的成本僅需人民幣2元。
雖然看似前景美好，但氫燃料同我們的距離其實還很遙遠。
燃料電池的應用瓶頸
氫能源的技術瓶頸
氫氣難以儲存。
氫氣的燃燒效率是基於單位質量而言的，如果按照體積算，氫氣就很渣了。
常溫下，氫作為密度極低的氣體存在，需要極高壓力、極低溫度才能以液態存在。
這就導致氫燃料汽車都需要攜帶體積巨大的氣罐。
不增加車輛尺寸的情況下，就需要占用大量的車內空間。
如氫燃料公交高高的車頂，內部就是儲氫氣罐
前文說到，氫氣很危險。
而諸多不安全因素，同樣適用於氫燃料電池。
盡管比起來直接燃燒，燃料電池的安全性已經強不少。
氫氣極低的密度，必須加壓儲存，意味著更容易發生泄漏。
同時氫氣會滲入金屬，造成金屬氫脆現象，使金屬強度降低。
雖然氫燃料電池汽車中接觸氫氣的組件顯著減小，但仍舊存在此類風險。
如上的兩點，最終結果就是氫能源汽車造價昂貴。
都是對於成本敏感度較小的豪華車、商用車。
一臺氫能源公交車價格，更是電動公交的三倍有餘。
這樣簡單的氫能源輕卡同樣價格不菲
不僅如此，氫氣本身價格昂貴，讓氫能源車使用成本高：
氫氣仍舊很貴。
昔日BMW推廣的7系氫燃料版，每公裡的燃料成本達4-5元人民幣。
這個價格大概是使用汽油的5倍，電動車的數十倍。
即便是現在，氫氣價格依舊高昂。
推廣氫能源公交車較多的張家口市，就多次面臨加氫費用過高，導致公交系統減次運營的情況。
因為氫氣高昂的價格，許多使用氫能源公交車的城市，甚至不加氫，僅依靠直接充電當作純電動公交行駛。
技術之外的瓶頸
氫氣高昂使用成本背後，是氫氣產業鏈上諸多環節，都面臨著技術瓶頸：
氫氣制備的效率低，成本高。
傳統的氫氣生產會消耗大量的電能，隻是制氧工業的副產物。
如今可以用風電等相對廉價的綠色電力制氫，但是制備的成本依舊居高不下。
即便制備的規模效應有了，又涉及下一個問題，如何將氫氣從制備的工廠轉移到加氫站？
氫氣運輸的效率低，成本高。
根據中國相關法律法規，目前氫在中國尚未作為能源進行管理，而是作為危化品管理，儲氫和運氫對專業性要求很高。
使用管道的話，氫氣的高危性，又使得管道成本十分高昂。
目前，僅僅有中石化等少數企業，準備實驗性地建設氫氣運輸管道。
氫氣加註的成本，也很高。
雖然加氫的過程和加油別無二致，但是加氫站的建設、運營成本要遠高於加油站。
加氫過程對於操作人員的要求，也遠高於加油站。
大規模建設加氫站的成本是一個天文數字。
所以，截止目前加氫站都十分稀有，尤其是面向乘用車的加氫站。
在廣汽豐田的網站上，我們可以查到，可供Mirai使用的加氫站全國隻有三個。
如上幾點行業、上遊的因素，都是現如今氫氣推廣普及的巨大障礙。
也是不少機構對於氫能源的應用前景表示悲觀的主要原因。
氫能取代電嗎
從目前階段來看，氫能源距離成熟的商業應用還有很多路要走。
現如今氫能源也面臨著和純電驅動相似的問題：配套設施跟不上，車輛技術不成熟，冬季續航短等。
從現在的應用效果來看，短途、小型車氫能源汽車比之電動車並沒有優勢。
長途重載的重型汽車，才是氫能源比電動車優勢明顯的領域。
其實，純電仍舊是目前看起來最適合我們的新能源應用形式。
電動機的高效率是毋庸置疑，制約電驅動的是電池和充電效率。
氫和電誰是未來，取決於的是電池技術和氫氣應用哪一個先迎來突破。
未來一定是新能源的，這是毫無疑問的。
但是，新能源不等於純電動。
實際上，生物燃料、氫燃料，甚至於太陽能、核能都可能是未來交通工具的驅動形式。
未來的新能源應用也必然是多層次的。
就如同我們現在應用的化石燃料也有著汽油、柴油、重油、煤油之分。
氫能源或許是會和純電動一起，應用在不同的領域。
