氢能：汽车的未来？

尼古拉·斯高班斯奇

在氢能源的设施配置上，德国远比法国先进：德国拥有90个加氢站，而法国只有50多个。每个服务站价值约100万欧元。这些加氢站的氢气是由槽罐车供应的。

“我相信水总有一天会成为燃料，而构成水的氧和氢会成为热和光的无尽源泉。”这句动人的承诺并非出自电动汽车制造商特斯拉的老板埃隆·马斯克之口，而是儒勒·凡尔纳笔下《神秘岛》中的人物——赛勒斯·史密斯在1875年说出的！

就在机动车努力跳脱石油限制、寻找转型的当下，不但电动汽车吸引了一批又一批的制造商，氢能汽车的研发也不甘落后：2020年，欧洲共登记氢能汽车864辆，其中法国登记了211辆，比2019年增加了40%。然而，至于氢能是否确如人们所说的那样优秀，以及这类车是否真的有市场，还有待观察。

在重型車辆上发挥效力的氢能源，最终有望用于公共汽车。虽然价格仍然令人望而却步，但满电后可行驶300公里的优势让它比纯电动巴士更胜一筹。

目前，氢能汽车还属于电动汽车的一种，它通过一块氢氧燃料电池为车身供电。在这种电池里，氢和氧结合产生水，以水蒸气的形态从排气管排出，它的碳排放量几乎为零。如果说一辆燃油车跑100公里平均排放17公斤二氧化碳，那么根据法国蒙田研究所于2017年作出的预测，一辆氢能汽车可将碳排放量缩减至1.4公斤。但是，氢气在用于发动机前，必须经过压缩才行，否则它将占据巨大的空间。若要续航100公里，一辆氢能汽车需要1.12万升的氢气，相当于一辆槽罐车容积的1/3。但是在7万千帕的压强下，便可压缩氢气，以便在加氢站供应。目前，法国已经有50多个加氢站为氢能汽车提供氢气。

如今，这种汽车的燃料易燃性问题已无需担忧，因为开发商已在燃料箱中嵌入了多重安全系统。洛林大学的教授杰拉尔德·博诺姆表示：“日本丰田、本田以及韩国现代的氢能汽车运行得都非常好。这是一项经过验证的技术。”

对氢能源的追捧始于2002年。美国经济趋势基金会主席杰里米·里夫金在《氢经济》一书中畅想了一种脱离了石油和污染的“儒勒·凡尔纳式”文明。但实际上，目前来看，氢气还远远没达到清洁能源的标准。95%的氢气源自化石能源，尤其是甲烷，它在被加热到880℃后与水蒸气混合，以分离出氢原子，而剩下的碳原子又与氧原子结合，产生了二氧化碳。像这样，若要获得一公斤氢气，就会产生至少十公斤二氧化碳！因此，二氧化碳虽然没有从氢能源汽车的排气管出来，却出现在了最初的制氢过程中。

生产“绿氢”的方式还包括生物质气化，这种制氢方式无须通过电解作用。图为研究人员正在克莱蒙–奥弗涅大学的帕斯卡学院做制氢相关实验。

为了区分氢气的生产方式，人们采用了颜色分类法。黑色代表来源是煤炭，灰色代表来源是甲烷，蓝色则代表在制氢过程中产生的二氧化碳被捕获和填埋了……“我不喜欢这些颜色。对我来说，只存在有碳氢和无碳氢两种。”博诺姆直言不讳地说。然而就目前而言，制氢是会造成碳排放的。国际能源署的报告显示，全球每年有7000万吨氢被用于工业生产（合成氨工业、钢铁工业等）。法国每年消费约100万吨氢气，这意味着制氢过程中产生的二氧化碳占到了其碳排放总量的3%左右。

事实上，还有一种更环保的制氢方式——电解水，电只需“打碎”水分子，就能释放出氢原子。然而，看似足以让化石燃料出局的这种制氢方式，其产量并不乐观。“1公斤氢气能够产生33千瓦时能源，然而制造它却需要消耗50千瓦时的电！”博诺姆说。“能源从来不是非黑即白的。”法国国家科学研究中心研究员、法国氢燃料电池协会成员奥利弗·茹贝尔表示认同。

法国技术学院在2020年6月30日的报告中也表示：“为了促进氢能在运输上的使用，我们需要增加核电站的产电量。”但这是部分国家无法做到的：在福岛核泄漏发生后，德国立即决定弃核，重新使用煤炭发电。因此，通过电解水制造的1公斤氢气在德国会产生25公斤的碳排放量。也就是说，德国的氢能汽车比传统汽车更不环保！

究竟选择非核电生产的有碳氢还是核电生产的无碳氢，这让法国陷入了纠结。除非还存在一种完全环保的选择——“绿氢”，这一选择支撑着所有围绕氢车的乐观愿景。“‘绿氢’是希望，我们只有靠它才能在2050年真正实现碳中和。”四位法国研究者于2020年在杂志《发展中的世界》中如是说。为此，我们必须使用电解水的“秘方”，但是这里的电必须完全产自可再生能源，如风能、太阳能，也许未来还有生物质能。位于法国莫塞勒省萨尔格米讷市的一个加氢站负责人称，自2017年起，他们便开始为顾客提供完全产自可再生能源的氢燃料了。

但就目前来看，“绿氢”的制造仍然被边缘化：仅占到了全球氢气产量的5%。原因是“绿氢”的制造条件难以掌控：易受天气影响，具有极大的季节性。“太阳能和风能就够了吗？答案是否定的。”博诺姆说。法国技术学院对此持同样的观点：“若氢能汽车占到法国目前汽车保有量的1/3，那么以它们对‘绿氢’的需求，我们就需要近300太瓦时的电，这远远超过了100%可再生能源的产电量。”2020年，整个法国通过太阳能和风能所产的电量为52.3太瓦时，才占到“绿氢”所需电量的1/6。

与纯电动汽车一样，氢能汽车也配有一块电池，其中储蓄着由燃料反应堆产生的电。然而，氢能汽车的电池也遭到了同样的抨击：它的生产过程耗能巨大，且需要用到稀有金属，尤其是世界上最贵的金属之一——铂金（每公斤价值超过2.5万欧元）。

里夫金口中的“氢经济”一旦成势，就会使铂金的需求和价格飙升，引起地缘战略大洗牌。某些地方的铂金产量极高：全世界约70%的铂金出自南非，俄罗斯排名第二（12%），接下来是津巴布韦（7%）、加拿大和美国。作为铂金市场的巨头，南非的比勒陀利亚或将手握氢时代的能源之钥。

然而，在这一设想令人担忧的同时，氢燃料电池的推崇者们已经在设法排除这种可能性了。法国氢燃料电池协会称，已在铂金回收领域取得了进步，“最近的科技创新已经将电池内的铂金含量减少到了之前的1/2000！”日本交通省甚至宣布研制出了一种效果“喜人”的非铂催化剂。“氢能科技仍有待改善，”茹贝尔表示，“我们需要减少铂金在电池中的占比。我们会成功的。”

“氢能汽车的问题在于它不具有任何经济和能源优势。”博诺姆惋惜道，并称该类汽车的耗电量是传统电动汽车的四倍。法国国家科学研究中心主任弗雷德里克·利韦则更加悲观：“燃料电池的能量转化效率很难超过50%，加上其他损失，从氢能到电能的真实转化效率仅为40%。”换句话说，费尽千辛万苦得来的氢气，有60%都被浪费掉了。氢能汽车的使用者恐怕只能眼看着自己的钱包缩水：加氢站每公斤氢气预计售价在10欧元左右。“这种能源不会便宜，纵使从长远来看。”法国国家氢能委员会成员菲利克斯·马特斯称。

贵的不只有燃料，还有汽车。按照发动机每千瓦500至1000欧元计算，一辆丰田Mirai——简单的四门轿车——售价就达7万多欧元，而现代Nexo则达到了8万欧元。

正如法国技术学院所说，政府还要从零打造基础设施，“在需求尚未出现的时候进行投资，目前看来，只有政府才会冒此风险”。据德国于利希科研中心估计，2000万辆氢能汽车的制造费用就高达500亿欧元。法国政府于2020年9月宣布，将在2030年前斥资70亿欧元用于氢能源行业发展，但私家车并不包含在内。

2018年，法国原子能和替代能源委员会发布了《氢能推动能源转型方案》。在此方案中，方向十分明确：能源转型的重点应放在电能和生物质燃料上，而氢能是最后一招。这一方向主要针对卡车和公交车：在环境政策的施压下，这两类车辆的热力发动机需要逐渐被新型发动机取代。然而，对于重型车辆而言，动力电池一旦超过一定体积，其产生的能量就不足以供给车辆长距离运行。“当下的方针应当是：尽可能多地使用电力，按需生产氢能。”马特斯总结道。

如此看来，一个由氢能汽车统治的未来世界希望渺茫，这恰恰也是丰田在2020年发展计划中发布的结论。丰田只计划将氢能源用于重型卡车、物流车辆和公交车。那么如何解释丰田推出的线条优美的Mirai轿车呢？“丰田是氢能源的先驱，”茹贝尔说，“但Mirai的电池其实可以用在卡车上。”因此，Mirai就像一个比重卡更美丽、更具说服力的橱窗，向大众展示着氢能技术的可行性。但更重要的是，它印证了一点，即《神秘岛》中赛勒斯·史密斯那预言般的话语最终只能存在于小说之中。

[编译自法国《Ça M' intéresse》]

编辑：侯寅

2020年，全球共登记10480 辆氢能汽车。韩国现代称Nexo能够续航666 公里 。全球每年因制氢而排放8.3 亿吨二氧化碳。

来源：国际能源署

氢能汽车的工作原理和电动汽车相同，但由于它能够自发电，其续航能力是电动汽车的两倍。

氢能汽车的最初试验让工程师陷入了一个两难境地：應该选择经典的往复式内燃机，还是应将氢气纳入一个电力系统。第一种解决方案吸引了部分汽车制造商的注意，其中就有宝马——他们认为可以发挥自己发动机生产商的优势。只可惜，电动汽车的普及和氢内燃机的低效最终让德国制造商放弃了开发计划。如今，氢燃料电池的技术已经十分成熟，氢能汽车续航能力已经能达到700公里。

氢能汽车与普通电动汽车的发动机没有本质区别。在性能方面，氢能汽车毫不逊色。丰田Mirai2的最大功率能达到182马力，最大扭矩（加速力）可达300牛米。从这些数字来看，它的性能仅次于梅赛德斯–奔驰A级轿车——不到10秒就可提速到100公里/小时。

这一模块就好比“汽车的大脑”，它能够根据驾驶员的操作，控制引擎的运作和电流的产生。为了控制汽车电力系统的成本，工程师设计时将它放在了发动机旁。然而这一选择也有其缺陷，因为该模块对温度有要求，必须在-40℃到160℃之间才能正常运行。

它是燃料电池的左膀右臂。燃料电池产生的电流因使用情况而异，如果电流过小，无法满足驾驶员的提速要求，那么蓄电池就会参与进来。在较为平稳的驾驶阶段或者刹车时，蓄电池能够储存或者回收燃料电池产生的电能。

这是氢能汽车的主打优势：水蒸气是它唯一的排放物。

氢瓶是氢能汽车的主要安全部件。为了将氢气置于7万千帕的压强下，氢瓶被设计得特别沉：95公斤重的储罐只为储存5公斤的氢气。由于氢气十分易燃，为防止撞击和火源引爆氢气，氢瓶使用了金属或聚合物外壳。其阀门装置能够确保在遭遇事故时，氢气能快速排出。

作为氢能汽车的核心部件，氢燃料电池能够将氢能转化为电能。由于常用铂金作为导体，因此该电池的价格昂贵。

1、将氢气送到燃料电池的阳极板（负极），与此同时，让氧气进入电池的阴极板（正极）。

2、一个氢原子分解成两个带正电的氢离子和两个带负电的电子。

3、氢离子通过一个具有渗透性的交换膜到达电池的阴极板（正极），但电子无法通过交换膜。

4、电子通过电池阳极板和阴极板之间的导线（铂金）流动，因流动而产生的电流被用来供给发动机。

5、氢离子和电子在阴极板（正极）和氧气重新结合，产生水分子，进而被汽车以水蒸气的形态排出去。