氢燃料动力锂电池：是最终方法还是愚蠢的投资？路盛电池

宇宙第一元素，最终的清洁能源——身负盛名，氢是救世主？是炸碎动力锂离子电池统治的重磅炸弹？

 

又或者，难成大器，如钢铁侠ElonMusk所言：“氢燃料动力锂电池的投资非常愚蠢”。

 

纯电动一路狂飙，氢能源暗自磨刀

 

2017年，全球纯电动汽车销量122万辆，相比2016年上升近五成。得益于政府的鼓励政策，我国的纯电动汽车销量65.2万辆，撑起了半个地球。反观氢燃料动力锂电池车，2013年到2018年，累计销量6475辆，其中75%的销量由丰田贡献。

 

“产业化落后了不止十年！”看衰氢能源车的人声称。

然而，主流动力锂离子电池的局限，业内人都一清二楚。即使是Model3所采用的，目前能量密度最高的三元锂离子电池21700，能量密度也不过是300Wh/kg，快充30分钟，续航210公里。充满的话可是充满氢燃料动力锂电池车的两个储氢罐只需3分钟，续航里程达600公里。单纯从用户体验和摆脱里程焦虑的角度，氢燃料动力锂电池有碾压优势。

 

虽然纯电车的急先锋马斯克号称，下一代的Tesla将会拥有长达800公里续航能力的电池，但是业内人一清二楚，目前高镍三元锂离子电池如811尚且面对多种技术挑战，镍的用量新增之后，会导致相应的电极材料的结构稳定性降低，从而导致电池循环寿命和安全性大幅降低。

 

打嘴炮没用，还是要看数据。

 

氢气1个标准大气压密度为0.0899克／升，热值为1.4亿焦/kg，也就是大约1公斤氢气完全释放能量有39度电，转换效率最高60%，按500公里80度电算要3.45公斤氢气（以Mirai为例），大约38375升体积，用60升高压罐装要加压到639个大气压。目前丰田和本田已经将70MPa的高压储氢罐应用于量产，氢燃料动力锂电池车一口气跑500公里不是个问题，背一个储氢罐就能搞定。

 

事实上，身为化学元素周期表上的第一元素，氢生来是种“宇宙黑科技”。虽然在地球上易于逃逸，常以化合物的身份存在，但在广袤宇宙之中，氢是含量最丰富的元素——太阳就日以继夜地进行氢聚合反应，释放出巨大的能量，为太阳系带来光明与生命。

 

而地球之上，所有人类活动都建立在能源之上，人类生活水平的提高，必须以人均消耗能源的提升为基础。人类历史上每一次成功的能源变革，都有一个清晰的主线逻辑，就是能量密度（或者说热值）出现数量级上的跃升。

如煤炭能量密度是木柴的160倍，石油约为煤炭的2倍。这类似英尔特创始人格鲁夫在IT领域提出的10倍速原理，即能够成功颠覆（10倍提升）的新技术一旦出现，便会星火燎原，摧枯拉朽。这反映在煤炭替代柴薪，石油替代煤炭之上。

 

各类能源能量密度约为下表，氢气表现出了“一骑绝尘”的高能量密度：

 

（三元锂电替代汽油机的过程如此费劲，也怪能量密度的先天不足啊！）

 

而除去能量密度，更清洁亦是能源发展的线索：从伐薪烧炭到发现煤炭，再到利用石油，利用天然气，能源的进化史事实上是一场“脱碳的革命”——假如薪柴的碳元素含量是一百个碳单位，煤炭的碳含量是十个碳单位，石油的碳含量减少到了一个碳单位。煤炭相比薪柴更清洁，石油相比煤炭更清洁；到了氢，由于不含碳，燃烧后的产物是水，因此可看作是“零碳排放”的高清洁能源。

 

纵观能源史，从能量密度和含碳量的历史规律上，氢燃料动力锂电池给了人们许多的想象空间——动力锂离子电池难堪能源变革的重任，氢能源才是最终能源？

 

难怪动力锂离子电池一路狂飙背后，以丰田为首的公司暗暗磨刀，准备为开拓氢燃料动力锂电池而披荆斩棘。

 

而马斯克等人为何会鄙视氢燃料动力锂电池车是种“傻瓜能源”呢？加州的ZEV法案（类似于我国的双积分），让做出零排放的ModelS的Tesla从通用等传统车企手里赚了不少积分钱，而丰田、本田FCV的推出显然是来“砸场子”的。早在2013年，特斯拉通过卖ModelS的积分就大赚1.4亿美金，一度实现盈利。而氢燃料动力锂电池由于超高的续航里程和0排放量，积分超过BEV。

 

马斯克看到有人抢他生意，怎能不急？

宇宙黑科技受到质疑

 

氢燃料动力锂电池的工作原理远没有“宇宙黑科技”的名头那么复杂。说白了，就是氢气和氧气化合反应生成水、电，放出热量。所以原料一边是空气，一边是用各种方式提取出来的高纯度氢气。

 

氢分子又小又活泼。它透过质子膜时，电子被从分子上剥离，只留下带正电的氢质子通过，氢质子被吸引到薄膜另一侧的电极与氧分子结合。电解质薄膜两侧的电极板将氢气拆分成氢离子（正电）和电子、将氧气拆分成氧离子（负电）和电子，电子在电极板之间形成电流，两个氢离子和一个氧离子结合成为水，是反应的唯一废物。

 

整个过程可以理解成蚊子无法穿过纱窗，但是更小的灰尘却可以。那么“纱窗”——质子交换膜就是这一过程中最核心的技术。质子交换膜中又以铂金（Pt）为催化剂，Mirai用了约100克铂，按照现在181元/克计算，催化剂就用了近2万块。质子交换膜以杜邦的Nafion为例，约为一平方厘米10元人民币，按照用量一平方米计算，光是质子交换膜的成本就在10万元左右。另外还需高压储氢罐成本6万。

 

横向比较，传统汽油车2L发动机的成本约为3万元，锂离子电池成本约1.2元/Wh,Tesla主流配置的75KWh三元锂离子电池成本约为9万。两相比较，氢燃料动力锂电池的成本还是高出不少，现阶段不靠政府补贴很难走下去。

 

另一方面，氢的制备技术虽然较为成熟，但全世界96%的氢都来源于化石能源的产业链条。可是显然，依赖石油化工是没有未来的，氢的制备若要真的绿色环保，还是要大力发展那4%的电解水方式——特别是生物制氢和太阳能电解水。

 

安全，则是另一个重大问题。

有关氢，人类曾经有过非常痛苦的记忆。1937年，曾经成功12次往返大西洋两岸的德国豪华氢气飞艇“兴登堡”号，即将降落在美国新泽西州莱克赫斯特镇。由于这是一艘世界最豪华的飞艇，豪华程度碾压泰坦尼克号。它满载着名流，现场有22架摄像机和众多记者迎接“兴登堡”号的降落。谁知在降落过程中飞艇突然着火，尾部爆炸，顿时在空中燃成了一团火球，造成37人死亡。镜头被直播给了全世界，造成巨大的震动。

 

尽管至今有关事故成因依然争论不休，但氢气易燃易爆确是不争的事实。此世故结束了飞艇的历史使命，更为氢的安全性蒙上阴影。

 

然而氢气超高的能量效率依然吸引着人们探索。航天探索中，长征三号系列的三级发动机、长征五号一级二级主推进发动机，都采用了氢氧火箭发动机。航天技术中广为应用的液氢存储技术也逐渐向民用领域推进。

 

能量效率高，成本也高；清洁，却存在安全隐忧。身为“宇宙黑科技”，想要落地并不容易。降低成本、存储、和加氢站建设是最核心的三个突破点。

 

日本——氢能源的天时地利

 

氢能的利用，目前走在世界前列的是日本。日本提出了“氢能社会”的构想，丰田量产了第一辆性能优越的氢电池车Mirai，本田也推出了Clarity，加氢三分钟，续航750公里。日本至今建设了92座加氢站。其他国家或坚守燃油，或大力发展纯电的时候，日本“朝氢走”走得特别坚定。

说是天时地利，其实背后是一把辛酸泪。

 

日本这个岛国资源特别匮乏，也就剩下能捕点金枪鱼了。明治维新之后，为了保证国内的经高速上升必须抢资源，就到处侵略别人。战败以后，就靠着美国老大哥开路，从中东运石油。也许是因为资源底子薄，日本人的危机意识也就特别强，努力寻找不必依赖别人的能量来源。前些年日本的核电很厉害，占到所有发电量的30%，可是2011年福岛事件后，日本政府不得不将一系列关停。到了今天，日本的核能发电只占全国发电量的2.7%，出现了巨大的空白等待填补。

 

同样资源匮乏，惧怕核能也排斥火电的，去年频频爆出电荒，更是造成了815停电事件等影响恶劣的事件。日本可不想学“用爱发电”，有没有替代的办法？

 

氢能于是走进规划。

 

日本看重的不仅是氢能源的高效与清洁，在煤炭和石油时代，人们早已发现了氢可作为炼制化石能源的副产品，因此氢的制备多种多样，还可以很好地利用起石油时代的基础设施和产业链。

 

以我国比较成熟的氯碱法制氢为例，2015年，我国氯碱厂产量为3028.1万吨。根据氯碱平衡表，烧碱与氢气的产量配比为40:1，理论上将出现氢气75.7万吨，即85亿立方米氢气，理论上可以供243万辆乘用车使用。但考虑氯碱厂区域分布、运输距离、期间损耗及不同车型的耗氢量，供应几十万辆燃料动力锂电池车的规模问题不大。

 

还有一个因素就是寒冷。锂离子电池的低温性能到今天都得不到很好的解决，而日本纬度较高，最温暖的地区也不过和山东的温度近似，跟温暖的加州和纯电跑得最多的华东华南实在没法类比。氢燃料动力锂电池不受温度的制约，这在日本看来有不小的吸引力。

 

而且日本是个非常狭长的岛国，主岛本州岛的宽度在50—230公里之间。一个加氢站覆盖100平方公里左右的面积，就算仅仅将加氢站在日本沿海布局，好像戴一串珍珠项链相同，也基本可以满足日本加氢的需求了。

想及我国广袤无垠的内蒙古、青海、西藏和新疆，每个加氢站的成本1500万人民币，额，不敢再想下去了……

 

是因为天时地利，也是因为无可奈何，日本成为了全球氢能利用的急先锋。借2020年东京奥运会，日本计划全面展示氢能社会的建设成果，包括4万辆氢燃料汽车的全国保有量。而这一数字在2025年和2030年将分别达到25万台和80万台。日本为氢能源的利用画下了充满希望的蓝图，这或许为与日本非常类似的国家的地区指了一条能源明路。

 

再看看韩国。

 

今年的美国CES，韩国现代展出了第五代氢燃料动力锂电池车Nexo——续航里程高达805km，百公里加速仅9.9秒。目前，韩国共有加氢站11座，计划到2020年达到100座。到2020年计划将有1万辆氢燃料动力锂电池轿车上路。

 

此外，美国的加州也在积极探索氢能源，目前美国有1800辆氢能源车在路上跑，基本上是大巴和叉车，约30座加氢站沿着美国西海岸分布在加州。目前美国的加氢站约55座，在建的65座，绝大部分在为氢燃料大巴或叉车服务。丰田卖到美国去的千余辆Mirai显然会进一步推动加氢基础设施区域化的建设。

 

从日本、韩国、加州的例子可以看出，氢燃料动力锂电池车或许是一种非常具有地域特色的解决方法，尤其适合狭窄，人口稠密，能源匮乏以及高度要求环保的地点。如同各国目前的能源获取有各种各样的方式，煤炭多的例如我国，火电占比在40%；核能发达的例如法国，核能发电占总发电量的70%；风能呢？在大部分国家占比1%，可是在适宜的风能的荷兰就占到发电量的6%以上。

 

与能源的多样共存相同，氢能也将成为一个重要的汽车动力来源，在未来的一段时间，在适宜的地区发展。与纯电动汽车一起，彻底颠覆燃油车的时代。

相信科技，为人类留了不止一个好选项。

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