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电动汽车频频起火，氢能汽车发展如何了？
2019-05-08 23:55:27· 来源：电子发烧友观察
这几年新能源汽车备受关注，中国在新能源汽车方面的推广也不遗余力，其实新能源汽车的细分类型繁多。目前主要仍以纯电动汽车、插电混合动力汽车。不过氢能汽车正
这几年新能源汽车备受关注，中国在新能源汽车方面的推广也不遗余力，其实新能源汽车的细分类型繁多。目前主要仍以纯电动汽车、插电混合动力汽车。不过氢能汽车正在迎头赶上。此前中国汽车工程学会曾预测，到2030年，我国氢能汽车产业产值有望突破万亿元大关。
今年4月份对电动汽车很不友好，从4月21日一辆特斯拉Model S在某地库爆燃后；一辆蔚来ES8在西安的一家维修点里发生自燃；一辆插电式混动版荣威e i6在杭州一路上起火，整个座舱被烧了个精光；一辆比亚迪E5在武汉一所中学附近自燃；最近在5月4号下午3点多，杭州九堡大桥南端靠近钱塘江的一停车场内多辆电动汽车起火烧毁。据悉，现场大概有1000辆汽车，有8辆车纯电动汽车辆都已烧报废，目前起火原因还未知。
各国家纷纷出台氢能发展规划
氢能具有热值高、无污染和来源丰富的优点，被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源。
仅2017年10月至2018年8月，就有日本、韩国、英国、法国和澳大利亚五个国家集中出台了一系列有关氢能发展的国家战略规划或大型项目。这些规划文件和项目涉及制氢、储氢、氢能应用与基础设施等整个氢能产业链。
在主要发达国家政府积极部署的同时，世界知名的大型企业也形成合力，共同成立“氢能理事会”倡导氢能经济，引领全球能源转型。在公私部门齐力共同促进氢能发展的背景下，全球能产业发展进入快车道。
2015年，巴黎气候变化大会通过了《巴黎协议》，指出全球气温较工业化前水平升高要控制在2℃以内。为实现这一目标，到2050年世界各国需要减排60%，氢能理事会估计氢能源的使用能够帮助实现1/5的减排目标。因此，不少国家陆续出台氢能发展战略规划或大型项目，设定氢能发展目标。
日韩提出全力打造氢能社会。日本是当前最重视氢能发展的国家。2017年12月，日本政府出台《氢能基本战略》，旨在在全球率先实现“氢社会”，以实现低碳社会发展目标和寻求日本经济新的增长点。韩国希望利用氢能帮助实现到2030年减排37%的目标，并于2018年6月宣布了为期5年、总额达23.3亿美元的“氢燃料电池基础设施、制造和研发公私合作计划”，旨在建造燃料电池汽车和燃料电池堆工厂、生产燃料电池巴士和开发储氢系统，推动实现氢能经济社会。
欧盟及其成员国希望成为全球氢能技术领军者。欧盟委员会正通过公私合作模式联合产业界和研究界共同投入13.3亿欧元实施“燃料电池和氢能技术”联合技术计划，旨在支持氢能技术研发和项目示范，到2020年能够力证氢能能够作为未来欧洲能源和运输系统的支柱之一，并能为欧洲2050年向低碳经济转型做出突出贡献。
德国是最早启动氢能技术和产业化研究的国家，于2006年就已出台“国家氢能与燃料电池技术创新计划”，旨在吸引产业部门参与氢能全产业链发展，进而使德国成为全球氢能产业领军者。
英国于2017年10月出台《清洁增长战略》，提出到2050年比1990年水平减排80%的长期目标，并将燃气分配网络100%转化为氢气定为最可靠的大规模脱碳方案之一。
法国于2018年7月发布《氢能利用计划》，旨在利用氢能实现环保转型，并使法国在氢能利用方面成为领先国家。
澳大利亚欲成为全球氢气供应商。近年来，澳大利亚产业界已经明确了其投资氢能的意愿，希望加速发展氢能产业抢占国际氢能市场。澳大利亚发展氢能产业的愿景目标是：通过发展氢能，增加出口收入，带动新的产业引擎和就业，为澳大利亚带来经济效益；支持供电、供暖、运输和工业领域向低排放能源过渡；提高能源系统的弹性，增加消费者的选择。
中国也在2016年发布了《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书2016》，明确提出了我国氢能产业基础设施发展的路线图。规划指出，2016-2020年，进行燃料电池运输车辆试点推进，氢能现代有轨电车达到50列，燃料电车达到1万辆，加氢站达到100座。2021-2030年实现中期目标，实现燃料电池车辆及发电应用、氢能轨道交通及船舶等推广，到2030年燃料电池车达到200万辆，加强站达到1000座。2031-2050年远期目标将实现加氢站覆盖全国，燃料电池运输车保有量达到1000万辆，实现燃料电池发电的推广应用。
此外，印度、冰岛、加拿大和巴西等国家也有相应部署。
氢供应链建设备受重视
氢能是二次能源，自然界中并未直接存在，因此以氢气制备和储运为核心的氢供应链建设尤为重要。不少国家都提出要以降低成本为中心，开发安全、稳定、高效、清洁的氢能制备和储运技术。
日本指出，要构建氢能从制备、储运到利用的供应链，到2030年左右达到氢能年供应量30万吨，并将价格降到30日元/标方（约合20500元/吨）。目前，日本正在开发液化氢供应链和有机氢化物供应链。2018年8月，日本宣布在福岛部署全球最大10兆瓦级大型氢能源系统 (FH2R)，每年使用可再生能源可生产900吨以上的氢气，预计2020年开始供应氢气。
法国高度重视制氢过程的去碳化，以保证氢供应链建设的绿色环保。目前，法国95%的氢气是使用化石能源生产的，构成了温室气体排放总量的3%。为此，法国计划到2023年，工业用氢能中“绿色”氢能比例应达到10%，到2028年应达到20-40%。
澳大利亚正努力证明其成为氢气供应国的可靠性。首先，澳海事安全局与日本国土交通省共同开发了液化氢运输船，用于海上运输氢气。其次，正在试点维多利亚地区氢能供应项目，包括将氢气生产、压缩和液化、海上运输和卸载。最后，计划构建市场基础设施，即建立氢气交易中心，帮助氢气生产者和购买者提高投资效率、管控风险。
氢燃料电池汽车应用前景广阔
当前，交通领域贡献了全球20%以上的二氧化碳排放，面临巨大的脱碳压力，麦肯锡指出氢能是新能源汽车的理想能源，预计到2050年氢燃料电池汽车将占全部汽车的20-25%。为此，各国将“发展氢燃料电池汽车”置于最为显著的位置。
日本提出到2020年使氢燃料电池汽车数量达到4万辆，到2025年达到20万辆，到2030年达到80万辆。韩国提出到2020年拥有9000辆氢燃料电池汽车，到2030年达到63万辆。德国计划到2020年拥有50万辆氢燃料电池汽车。法国计划到2023年投入运营5000辆轻型氢能商业交通工具以及200辆重型氢能交通工具（如公交车、卡车、特快列车、船只），到2028年分别应达到2-5万辆和800-2000辆。
另外，加氢站的网络化分布是氢燃料电池汽车大规模商业化应用的基本保障。因此，各国设立了加氢站的建设目标。日本计划到2020年建成160个，2025年建成320个，2030年建成900个，到2050年逐步替代加油站。韩国计划到2022年建设310个。德国计划到2020年建设1000个。法国计划到2023年建设100个，到2028年达到400-1000个。
氢能汽车技术研发困境
虽然氢能汽车的前景很广阔，但目前还面临着一些技术研发困境，主要是两大核心零部件研发难度较大：一是高压储氢罐；二是氢燃料电池。
一、高压储氢罐
由于“氢气很轻”，其质量能量密度很大。但反过来说，如果从单位体积燃气释放的能量来看，氢气的热值是常见燃料里最低的，仅为12.74MJ/Nm3，是甲烷的1/3，汽油的1/10。
这就意味着，如果要释放同样的能量，汽车需要消耗巨量体积的氢气，因而氢燃料电池车上都有高压储氢罐来压缩储存氢气。
图：车载储氢罐
车载高压储氢罐一般可以储存6kg左右高压氢气，总体积在150L-200L上下，有些大的储氢罐甚至会挤压车内空间，比如丰田Mirai的后排就只能乘坐两人。
在储氢罐体积只能减小不能增大的情况下，储氢压力成为了重要的评价指标。同等体积下，储氢压力升高一倍，储氢量会增加50-70%，续航里程提升50%，但是成本会增加近7倍。
目前中外储氢罐技术差距主要集中在储氢罐材质上，包括内衬、纤维缠绕层和过渡层材料。
我国车载储氢罐主流是金属内胆纤维全缠绕气瓶(Ⅲ型瓶)，内衬材料为金属铝，储氢压力为35MPa，质量储氢密度（氢气占储氢罐总质量的比重）在3%左右。
而日、美、韩的头部企业已经量产了全复合纤维缠绕瓶（IV型瓶），内衬材料为塑料，有更好的气密性、耐腐蚀性、耐高温性，因此这种储氢罐储氢压力能达到70MPa，质量储氢密度在5.7%左右。
但需要指出的是，两种储氢罐都面临很大的安全问题。
内部来说，储氢压力本身很高，无论是35MPa还是70MPa，都是一个很危险的压力数值。要知道，20MPa的水压就可以用来切割石材了。其次，氢气在高压高温（30MPa，300℃以上）环境下，还会发生“氢脆现象”，腐蚀金属，引起裂纹导致储氢罐破裂。
外部来说，汽车行驶途中还可能发生碰撞事故，火灾事故、浸水事故等极端情况，让原本就比较危险的储氢罐增加了破裂、泄露，甚至爆炸的可能性。
由于以上三个问题存在，两种储氢罐都采用了大量的碳纤维材料，同时，为避免“氢脆现象”发生，金属内胆储氢罐还需额外配备液冷系统，以控制罐内温度。综合下来，一个储氢罐的成本达到了6万元以上。
另外，目前国内外采用的大都是气态储氢，如果要实现更大的储氢量，需要发展到低温液态储氢、高压液态储氢、有机液体储氢等。
但液态氢的密度更高，面临的爆炸、泄露风险也更大，同时还要耗费系统30%以上的能量来维持液氢状态，目前让汽车装载液氢可能得不偿失。
二、燃料电池的多项关键技术
燃料电池是燃料电池车最核心、成本最高的零部件，其也有质子交换膜、铂催化剂、双极板三大部件需要突破。
质子交换膜被称为氢燃料电池的心脏，它处于燃料电池正负极板的中间，起到了隔离其他离子，仅允许质子通过的功能，同时还要隔离两极反应气体，支撑两侧催化剂层，性能要求非常高。
如此重要的电池“心脏”，却一直被握在国外公司手心里，我国研发氢燃料电池的核心材料几乎全靠进口。
质子交换膜技术从上世纪60年代起就被美国杜邦公司垄断，杜邦膜的价格约为120美元/kW，我国常用的燃料电池功率为35-50kW，以50kW燃料电池计算，一套燃料电池里，仅质子交换膜的成本就高达4万元人民币。
图：燃料电池结构示意图
质子交换膜的两侧是铂（Pt）催化剂，氢气通到阳极板后，在铂催化剂的作用下，失去电子变成质子，再通过质子交换膜与另一侧的氧原子结合生产水。
难点在于催化剂只能用铂，而铂的价格非常昂贵，均价约200元/克，使用100克铂的情况下，一套氢燃料电池所用铂催化剂的成本近2万元。因此，降低催化剂中铂的使用量，是降低电池成本的一大关键手段。
而目前，我国的低铂催化剂技术尚处于实验研发阶段，离规模量产还有很长的距离。
除此之外，作为燃料电池的“骨架”，双极板的工艺水平仍待突破。双极板（Bipolar Plate，BP）又叫流场板，与膜电极层叠装配成电堆，在燃料电池中起到支撑、收集电流、为冷却液提供通道等作用，其质量好坏直接决定了电池输出功率和使用寿命。
双极板的三种材质中，石墨板和复合板的技术已相对成熟，而金属板因为能大幅提高电池输出功率，近年来成为了燃料电池的一大突破方向，仍待解决掉问题是金属板在电池环境下易受腐蚀，导致电池寿命较短。
在燃料电池的零部件上，还有膜电极、膜加湿器、氢气循环泵等关键技术有待突破。
未来
虽然氢能源看起来很美好，但事实上氢燃料行业的成熟度还大幅落后于动力电池行业，其产业链的大部分环节都还没有普及，因此造成了氢燃料电池的制造成本昂贵。
未来氢能源的发展，仍然需要一个漫长的阶段，不仅是科研人员与车企要努力研究核心技术，市场接受新能源的融入也是重要的一环。想要推进氢能的发展，仍然不能操之过急。
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