新能源拐點：氫燃料電池才是真正的 “黑科技”

近日，比亞迪(01211)向投資者透露正在研究氫燃料電池。實際上，今年5月份比亞迪就已經(jīng)與美國混合動力公司達(dá)成協(xié)議將合作研發(fā)氫燃料電池客車。

不止比亞迪，據(jù)智通財經(jīng)APP了解，國內(nèi)企業(yè)濰柴動力(02338)、長城汽車(02333)等，都先后布局氫燃料電池，日本豐田更是早在1992年就開始了氫燃料電池汽車的研究。今年5月份，李克強總理參觀豐田汽車北海道廠區(qū)時，就表達(dá)出對研發(fā)氫燃料電池汽車的強烈意愿。

那么這個氫燃料電池究竟是怎樣的“黑科技”，讓各大汽車廠商接踵而至?而又是什么原因，讓氫燃料電池汽車上路的腳步備受考驗?

氫燃料電池：新能源終極解決方案?

當(dāng)前市場上的動力電池，鉛酸電池是大頭，再者是鋰電池，燃料電池只有極小一部分。

燃料電池是不是新能源的終極解決方案，下面用一些簡單的數(shù)據(jù)回答一下。

鉛酸電池和鋰電池都屬儲能電池(二次電池)，即需要先充電再放電，其本質(zhì)為可逆的金屬元素的氧化還原反應(yīng)。拿鉛酸電池來說(下圖)，左到右為放電過程，右到左為充電過程，由電子守恒可知該反應(yīng)為2電子反應(yīng)。鋰電池原理類似，只不過是單電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)。

從元素周期表可知，鉛相對分子質(zhì)量為207.2，鋰為6.9，也就是說每轉(zhuǎn)移一個電子，需要的鉛和鋰分別為103.6和6.9。

我們再看看一下氫燃料電池，其基本反應(yīng)過程如下圖，在陽極和陰極分別加入氫氣和氧氣(空氣)，在催化劑的作用下發(fā)生反應(yīng)并放電。有反應(yīng)式可知每個氫原子可轉(zhuǎn)移一個電子，反過來說轉(zhuǎn)移一個電子需要的氫為1。

經(jīng)智通財經(jīng)APP對比，發(fā)現(xiàn)氫燃料電池轉(zhuǎn)移一個電子比鉛酸電池和鋰電池需要的質(zhì)量更小，簡單地說，就是能量密度更大。從下表也可以看出，氫能的能量密度占據(jù)絕對優(yōu)勢。

事實上還遠(yuǎn)不止如此。由于在實際反應(yīng)中，電池的能量轉(zhuǎn)換會有損耗，二次電池的充放電過程相對燃料電池的直接放電損耗更嚴(yán)重。由于不受卡諾循環(huán)限制，燃料電池理論能量轉(zhuǎn)化效率可達(dá)90%以上，實際效率可達(dá)到60%。

在實際應(yīng)用過程中，氫燃料電池也有儲能電池不可比擬的優(yōu)勢，即“充氣五分鐘，續(xù)航一千里”，充氫5分鐘可行駛500公里，而儲能電池此時還趴在充電樁吸取能量。

理論上，氫燃料電池集合了汽油車的高能量比、即充即走，以及超越儲能電池的高能量轉(zhuǎn)換效率、無污染的優(yōu)點，可謂新能源車的終極解決方案。

既然優(yōu)點這么多這么明顯，然而為什么氫燃料電池汽車還未大規(guī)模上路?這就不得不說說氫燃料電池車上路的幾個“絆腳石”了。

氫燃料電池車的挑戰(zhàn)是什么?

首先，一輛車想上路，絕對不僅僅只是一輛車自己的事情，它涉及到氫氣的制取——儲運——加氫站——汽車充氫，同樣燃料電池系統(tǒng)的組裝需要電極板、電解質(zhì)、交換膜、催化劑、擴散層等部件。

那么問題就來了，氫氣要怎么制取?目前主流的制氫方式有煤制氫、氯堿副產(chǎn)物制氫、電解水制氫等，這個弊端還是很明顯的。

智通財經(jīng)APP分析認(rèn)為，先不說煤制氫將煤中的化學(xué)能多了幾道程序，如果氫氣不純含有二氧化碳或者一氧化碳，很容易將電池的催化劑毒化。氯堿副產(chǎn)物制氫依賴于工業(yè)品生產(chǎn)布局，不適于大規(guī)模推廣。電解水制氫也是走了其它能源——電能——化學(xué)能——電能的長路子，不過如果初始能源是清潔能源如風(fēng)能、太陽能還好，如果是其它形式能量則就得不償失了。

另外，氫氣為氣體，其體積密度極小，這為儲存運輸帶來了很大的困難。一是儲存能量比低，一是安全性差。再加上目前加氫站布局又少，這就很難受了。

從電池本身來說，高成本、“敏感體質(zhì)”都讓這位顯得有些高冷。目前氫燃料電池的催化劑主要使用鉑，雖然也有關(guān)于其它催化劑的研究，但奈何鉑還是性能最好的，不得不用。而且催化劑、交換膜都顯得有些“嬌氣”，一鬧脾氣就容易生病甚至罷工。

既然問題重重，為什么還要研發(fā)氫燃料電池呢?

堅持研發(fā)，只因機遇在這里

最大的困難不是它本身，而是不知道困難在何處。如果能看到難點在哪里，辦法總比困難多。

針對制氫問題，由于太陽能、風(fēng)能發(fā)電等具有不穩(wěn)定性，所以目前的措施是將電能儲存起來，而實際上將這些電能直接進(jìn)行電解水制氫也是一種良策，這樣便形成了太陽能/風(fēng)能——電能——氫能——電能的轉(zhuǎn)化路徑，全程無污染，還能充分利用太陽能和風(fēng)能。

至于氫氣的儲存運輸，目前的碳纖維+凱夫拉復(fù)合材質(zhì)的儲氣罐儲氣壓力可達(dá)70MPa，針對整車儲氫，豐田Mirai之父田中義和設(shè)計的特殊泄壓閥以及考慮碰撞保護(hù)的車身設(shè)計，大大提升了車身儲氫的安全性。

而“加氫難”的問題也將隨著加氫站的布局得到解決。智通財經(jīng)APP了解到，由于日本在氫燃料電池汽車方面走在前列，加氫站的布局也較密集。而國內(nèi)的加氫站也在漸漸增加，東莞2016年就啟動了百億氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展基金，今年8月份佛山市8座加氫站項目聯(lián)合動工。

由于技術(shù)的進(jìn)步，目前燃料電池的鉑負(fù)載量已經(jīng)大大降低。據(jù)了解，目前國內(nèi)每千瓦的鉑用量大概0.3g，而國際先進(jìn)水平可達(dá)0.06g以下。豐田Mirai使用經(jīng)過多次優(yōu)化的鉑-鈷-碳復(fù)合材料，單車鉑用量降低到了20g，且具備相當(dāng)程度的可回收性。而質(zhì)子交換膜的性能也隨著優(yōu)化逐漸提升，氣體擴散層可對電池進(jìn)行有效水管理解決水淹問題。

所以，存在的各種問題已經(jīng)在解決或改進(jìn)中，眼前可能呈現(xiàn)的機遇越來越多。

在新能源電動汽車補貼退坡背景下，國家對燃料電池的補貼不降反升。長城汽車在去年底就宣布進(jìn)軍氫燃料電池車，計劃2022年推首款車型。濰柴動力董事長譚旭光7月底公開表示，將以濟南為主，推動2000輛城市公交車的氫燃料發(fā)動機的落地。

比亞迪表示，不僅已經(jīng)開始了氫燃料電池的研發(fā)，對于其它前沿電池技術(shù)也有研究，并會根據(jù)未來技術(shù)和市場因素做及時的調(diào)整和布局。

智通財經(jīng)APP認(rèn)為，要正視眼前的局勢，雖然這是“鉛酸當(dāng)頭，鋰電正興”的時代，但兩者存在的問題卻不容忽視。氫燃料電池作為新能源的一員，在理論技術(shù)上是一大突破。即便還不成熟，但堅定信心提前布局，也許你就是第一個吃到螃蟹的人。