前序提要
本期懂车老王，我们一起分析一下，氢能源到底是不是未来？  之前的节目中，评论总有一种声音，似乎在论述，内燃机走下坡路的同时，锂电又没形成主流的今天，氢能源一定是未来的路，老王非常理解这种小伙伴的心态，毕竟氢气，作为很多人脑海中，对“绝对环保”的能源幻想，有期许很正常，但一条能源产业链的落地，可能并没有想象中那么简单。 氢能源主要形式，什么是氢内燃机？首先我们需要知道，氢动力有两种主要形式，一种叫做氢内燃机，第二种叫做氢燃料电池，我们先说第一种，汽车发动机可以改为天然气动力，当然也就可以改氢气作为动力，而且已经有公司这么做了。  早在1979年，石油危机爆发之后的几年，氢能源在当时被看作，是一种新的能源方向，而人们最先尝试的形式，就是建立在这种，对内燃机的简单改装之上，比如这辆BMW E12的520h，这是一款使用汽油，和液态氢驱动的双燃料四门轿车，宝马工程师们在里面塞了一个，3.5直喷发动机的同时，还在它的后备箱后布置了一个，超绝缘低温储氢罐，间歇性会通过高压的泵体，向燃烧室内喷入氢气，同样在2006年，以宝马E66为基础的，氢内燃机Hydrogen 7出炉，使用火花塞辅助压燃技术，搭配改装的V12。  在氢气模式下，用喷射器将氢气，以高达300 bar左右的压力，喷到燃烧室中，上述两台车，都有两套燃烧系统，后者可能更高级一些，可以在氢气和汽油之间无缝切换，并且当其中一种燃料耗尽的时候，会自动进行切换，日本也是氢能源领先的国家，仅仅武藏工业大学一个学校，就有3-5种不同型号的，氢能源车型研制成功，而且马自达也是在1991年，推出了氢燃料转子发动机，并在2004年的底特律车展上展出。  这台RX8和宝马一样，也装备了双燃料系统，上述所有的车型有个共同的名字，叫氢内燃机动力，和前面大家想得差不多，朴素地理解嘛，其实就是把液化石油气罐，改为氢气罐而已，但其实这种动力，还是有它的特点的。  第一 氢气和汽油相比，是汽油热值的2.7倍，由于氢气自身特性，混合气浓度范围，可以调节得非常宽泛，汽油空燃比一般也就是在14.7:1，而氢气和空气混合燃烧的比例，可以轻易达到130比1，第二燃烧速度快，火焰传播速度是汽油的7.7倍，燃烧室中抗爆性比汽油要好，压缩比同样也可以非常高，第三 在空气中氢气的扩散系数，氢气也是汽油的12倍左右，基本不需要像，汽油那样的雾化过程，而且相比汽油，有害排放物会变得少一些，当然 爆震解决了，氢内燃机却解决不了早燃的问题。  这里有个小知识点，大家可以记一下，爆震一般是指火花塞点火之后，瞬间压力较大引起的自着火现象，而早燃是在火花塞点火之前，两者区别就是在断掉点火系之后，发动机还会不会，继续不正常地运转，早燃会 爆震不会，此外 还可以从发动机行程来区分，一般早燃是在压缩行程，而爆震发生在点火之后，也就是做功行程。  当然 世界都是平衡的，爆震好了，压缩行程的早燃，却成了氢内燃机最大的痛点，和燃油机类似，这种缸内混合气，没被火花（塞）点燃之前，与燃烧室内部局部热点接触，引起的不正常的燃烧现象，叫做氢内燃机的早燃，那个时候主要解决的措施，就是改进燃烧室机构，和对火花塞进行超精确控制，而一旦更改了上述结构，势必要拉低同时存在的，另一套燃油系统的效率。在这一点上无论是，传统曲轴发动机，还是转子发动机，带来的成本激增都很令人头疼，另外，前面说了排放污染虽然是变少了，但并不代表没有，因为空气中78%都是氮气，氢内燃机缸内局部温度，往往能够达到1700摄氏度以上，高温高压之下，空气中的氮和氧元素，会生成氮氧化物，大量运用氢内燃机车，或许同样不利于环保，上述诸多原因导致了氢内燃机，并没有量产，不过宝马在这方面的原型车，倒是会以试驾的形式，供名人和政府机构使用。  比如2007年那会，《十三罗汉》这个电影首映的时候，布拉德·皮特就驾驶的这辆，Hydrogen 7出席了首映礼，着实让这辆车火了一把。  但实话说，这辆V12 6.0L的排量最终表现，只有260马力 380多牛米，参数是很尴尬的，不知道是不是宝马，考虑了安全方面的问题，那么除了氢内燃机，还有一种，目前被认为更加可行的动力形式，叫做氢燃料电池，这是一种将氢气氧气的化学能，直接转换成电能的装置，上过初中的小伙伴，大家都应该记得当时化学课，学过电解水这种反应，消耗电能将水分解为氢气与氧气，氢燃料电池的基本原理，可以理解为刚才电解水的“逆反应”。  b方式与a方式我们需要思考 以氢气作为还原剂，氧气作为氧化剂，氢氧两端在催化剂的作用下，通过电解质生成水，氢电极上有多余的电子所以带负电，氧电极 由于缺少电子而带正电，这个类似于燃烧的化学反应，只要保证两端不断供应氢气和氧气，就能连续反应，但这只是一个基本的原理，量产落地车的氢燃料电池，有什么特点呢？  我们先说优势，拿丰田Mirai这辆车来举例，续航里程它基本可以说是，解决了目前的用户痛点，一次加氢能有650公里的最大续航，加氢时间是5-7分钟，使用过程产出只有纯净水。 氢能源劣势明显劣势或许更为明显，首先就是贵 贵在哪呢，有人说要用到贵金属铂，但实话说这个材料用量并不大，比如Mirai一辆车它就不到30克，铂的价格每克200块钱左右，而且目前燃油车三元催化剂，也要用到铂这种贵金属，国7之后铂的用量搞不好还要增加，貌似从来没人担心过车里，有这种贵金属而开不起车吧。 老王告诉大家 要点不在这，而在这个PtCo化合物催化剂，这种催化剂要求就是，在交换膜中搭建一种，金属与有机物相结合的多孔聚合物，并且要求在整个电极中，拥有大量均匀的活性位点，但是在氢氧燃料，通过膜片过程中是有负载限制的，并且会与PtCo催化剂相结合，形成少量晶体，使得电极表面，没有足够多的位点与氧气相结合，导致燃料电池电流下降，这种情况尤其会出现在，对动力请求较高的时候，而丰田Mirai为什么性能还算尚可，是因为这个PtCo催化剂工艺，非常厉害。公开资料显示，催化层他们采用的是一种叫做，间歇槽膜涂布法的制备工艺。 基本做到了前面所说的，多孔聚合物均匀性的最优化，但成本为每个电堆800美金左右，即便如此，在试验车状态下的Mirai，高速再加速能力仍然不尽如人意，于是 为了增加功率，丰田在最后量产版的电堆上，加大了独立燃料电池串联的数量，达到了370片，最大输出功率达到了114kW，按照单电池厚度1.34mm来看，整个电堆，最后达到了37升56公斤的规模，也就是说氢燃料电池，和锂电池是类似的，也是由单电芯组成的，只不 过燃料电池，我们计算的是总反应面积，经过计算，Mirai的电池面积功率密度，也只达到了1.15W/cm3，而且重量密度实在太差，比蓄电池还差很多，再加上储氢罐 变压器，导致丰田Mirai的重量将近1.9吨，比普锐斯重了30%，最大功率只多25%，马力重量比实际上下降了7%，而且，氢能源要达到这个功率密度，并不容易，除了前面讲到的催化剂制备工艺，和串联的数量以外，质子交换膜这个部件也非常重要，成本也很高，它能将氢气中的电子分离成为质子，进而从正极交换到负极，和氧气产生反应生成水和热量，顺便说一句，我国也有质子交换膜的研究和生产，比如清华，北理工，同济，上海交大，也有实验室级别的产品，但这种产品，各方面参数仍然落后于丰田，老王在调研丰田供应商过程中，一个叫做戈尔（Gore)的公司浮出水面，这家公司，几乎就是可以被称作，质子交换膜行业标准的打造者。 无论是广东佛山的氢能源公交车，还是销量超百万片膜电极的，武汉理工氢电，无一例外都采用这家公司的产品，那么到目前为止，全球涉足质子交换膜，这个技术的研发，以杜邦，日本旭化成，大金，3M，戈尔，和德国巴斯夫等国外公司为主，而且多数都是在化工领域，完成了多次原始资本积累，和技术储备的公司。 而我国能源多样化的，相关产业放开之后，质子交换膜，一定还是争夺的焦点，但貌似目前为止，国内只有一些像，东岳集团等少数公司，进入了批量试产的阶段，相比之下，目前的市场份额，仍然由戈尔公司占据，希望在该领域我国有质的突破，不然直接大规模准入国外技术，完全相当于降维打击，或许会让燃料电池，重走内燃机，或者锂电池在我国的老路，那么氢能源动力形式了解完了，我们接下来再说说氢能源的，安全 携带和制备。 17年2月份丰田发公告说，由于输出电压问题，将召回已售全部2840辆Mirai，由于特别情况下，比如巡航速度爬长坡，加速踏板被踩到，节气门全开的位置的时候，燃料电池升压变频器，产生的输出电压可能超过最大阈值，存在安全隐患，那这里面就有很有意思的知识点了，所有氢能源汽车的辅助配置，都有一个扫气的功能，为的就是将管道中残留氢气排出，由于氢气储存罐，本身就是一颗大炸弹，变频器如果输出电压存在一些波动，真的是有可能点燃在扫气阀门中，没有被排干净的氢气的，而且老王在思考，当氢能源规模化之后，具备扫气功能的车辆，大量拥堵在隧道之内，会不会引发更严重的爆炸，再有就是加氢站安全的问题。 援引路透社的原文 前年5月份，韩国江陵地区的储氢罐发生爆炸，炸毁了一个足球场那么大的，一个建筑群，2人死亡6人受伤，一个月之后，挪威的加氢站也发生爆炸，几乎是被夷为平地，去年9月份，韩国一家生产氢气的化工厂，发生氢气爆燃现象，致使三名员工受伤，这种接二连三的事故，引发了韩国人的抗议，他们反对在自己家附近，修建氢气设施，本来韩国呢，对氢能源是非常重视的，要在2030年卖85万辆，但目前为止只有5000辆左右，民间的阻力非常大，那目前根据国内，对氢能源的期待来说。 不知道屏幕背后的各位，在你家隔壁贴着你脸建一个加氢站你会不会乐意，所谓在氢能源方面的双标，在中国的老百姓当中，是否会有体现，请大家在评论中告诉老王。 氢气的携带与制备同样是难点紧接着我们说一下氢气携带问题，储氢合金，是氢能源的一个高频关键词，那么这东西到底是什么，靠不靠谱？，储氢合金的定义，是指在一定温度压力下，能可逆地大幅吸收，储存和释放氢气的金属化合物，这种材料要满足一定要求，首先化合物的生成热要适当，生成热是指在一定温度和压力下，由最稳定的单质，生成1mol纯物质的热效应，这个指标，对于储氢合金是非常矛盾的，因为生成热过高吧，氢化物就过于稳定，释放氢气时，就需要加热到更高的温度，而如果生成热太低吧，又储存不了（多少）氢气，其次形成氢化物的平衡压，要适当一些，最好在室温25摄氏度左右，和1个大气压附近，便于吸放氢气，而且吸放速度要非常快，这样才能够满足，实际应用的车辆的需求，最后呢，选择的这种合金对水，氧气和二氧化碳这些杂质，敏感性要非常小，反复吸放氢气的时候，材料不至于中毒恶化，那么基于上述三点，老王还专门请教了一下，相关产业的化工专家，他们表示，现在比较符合这种描述的，有镁系，稀土系，钛系的储氢金属，但是他们同时也表示 ，同样的道理，放到氢内燃机车或者燃料电池车上面，关键指标可能又有变化，比如体积密度和系统动态响应，07年那会儿，弗吉尼亚大学就召开了，国际氢经济材料论坛，当时科研人员宣布，开发出了大幅提高，氢储存能力的新材料，虽然相当于当时储氢合金的2倍，已经进步很大了，但储氢量最多只是自身重量的14%，说白了，如果我要用加压罐储存5公斤液氢，系统的质量大概在100公斤左右，但如果换作是储氢金属，整个质量则是原来的2到3倍，达到了200-300公斤左右，那这么大质量放在车上，估计谁也受不了，实话说，即便储氢金属发展到今天，质量密度依然很差，另外最关键的是什么呢，动态响应也是比较差的，因为相比燃油来说，氢燃料电池也好，氢内燃机也罢，他们对氢的消耗比例，仍然是比较大的，所以当你有了动力请求的时候，这套系统很可能，并不能马上给你供应充足的氢气，实际上氢金属与氢结合之后，是一种化合物，要它脱氢 那得重新加热。 老王就特别好奇，有的人，连电动车电池，冬天的外挂柴油加热都受不了，谁能受得了这东西，而且如果想在中间，加一些用于中转的小气罐，整个质量可能又会进一步地增加，汽油我只需要一个树脂油箱，而储存氢气，我可能要什么新材料储存，要加热脱氢，还要什么中转气罐来提高响应，最终的结果是什么呢，就是一个飞度大小的一个车，后面需要挂一个斗，里面装着比例非常不协调的，储氢金属还有中转气罐，一系列的外围配置。 氢能源产业链去向何方？最后，我们放眼一下整个的，氢能源的产业链，规模化之后氢气制备，也是一个非常大的难题，很多人就跟老王在这吐槽，说初中不就学过电解水吗，这里要特别说明一下，工业化制造，往往和实验室级别的制备，完全不一样，因为当产品规模化之后，所带来的整体边际效应的考量，是完全不在一个维度的，目前工业化制氢的效率，大概只有60-70%，再算上发电的效率，再算上发电本身需要开采，加工燃料的费用，再加上中转物流，包装，运输，综合成本很可能还是比汽油要高不少，目前远远没到实用化的阶段，反正老王调研了一圈，发现国内很可能，确实能够通过一些手段，把氢气制备成本降下来，因为我国煤碳是富裕的，比如煤炭“大鳄” 国能集团（原神华集团）就高调入局氢能源，使用一种类似于，“水煤气”的方法来制氢，目前最低成本是每个立方7毛7，折合不到9毛钱/公斤，大大低于国际的平均成本，根据目前老王掌握的资料，神华集团在煤化工领域，年产是超过400万吨氢气，具备供应4000万辆，燃料电池车的制氢能力，在世界上排名可谓是靠前的，在氢气制备能力这一点上，我相信咱们国家的工业实力，和降本增效的能力，但任何事情，规模化之后都会有一个（些）隐患，老王在查找资料过程中发现，氢气可能会破坏臭氧层，消息来源是加州理工学院的，约翰·埃勒，这位地球化学家说，利用氢气作为燃料，存在的问题不是氢气燃料本身，而是来自生产，储存以及氢燃料电池使用过程，不可避免的氢气泄露，之后他的这项研究结果，发表在了美国《科学》杂志上，老王也研究了一下他的观点，经过他的宏观计算，未来氢气规模化之后，大约会有15%的量，在制备和储存过程中泄露到大气层，使氢气从原来的，正常水平百万分之0.5，增加到百万分之2.3，泄露的氢气会逃逸到臭氧层，因为上层大气的水分增加，使得臭氧冰晶层化学反应失衡，从而加速臭氧层的破坏，02年那会儿，科学家在美国爱达荷州南部的，一处地下200米的温泉之内，发现一种会吃氢（气）的微生物，这些微生物，被称作太古代微生物，只要在有氢气和二氧化碳，混合的环境里就能生长，根本不需要阳光和有机元素，美国大气海洋局的科学家，诺·沃利也曾说过，氢气的逃逸，不光会带来臭氧层的破坏，还会让大气浓度比例失衡，采用氢气作为营养物的，太古代微生物也会繁育更多，从而带来未知的生态后果。 虽然上述研究，只是提出了一个生态失衡的模型，但是 燃油车刚出现的时候，谁也没想到能够有，现在的这种规模化污染排放，所以老王有必要进行前瞻性地提醒，科学前进的道路上，总会有像老王一样的人在旁边Say No，看起来很讨厌，也有被打脸的风险，但大家一定要理解老王的心态，一项新技术被质疑绝对是常态，一味歌功颂德才是失败的开始，任何事，如果忽视生态环境，同时又形成了规模，就像一列刹车失效的列车，轻易停不下来的，不然光化学烟雾和如今的雾霾，都是怎么形成的，大家心里还没个数么？ 20世纪初 ，一项统计数据显示，当时美国注册在案的乘用车中，40％以蒸汽作为动力，38％电动，汽油车在当时仅占22％，当时的人们和一百年之后的今天，论调是比较一致的，都认为能源结构应该多样化发展，但电动浪潮在1920年之后，突然消退 被内燃机全面取代，除了战争原因以外，从能源结构的趋同现象，看今日之百家争鸣，很令人深思。 1920年的电动车 一百年前的故事，似乎在告诉我们，任何事物，不进行全世界范围的规模化，都是不可行的，而一旦规模化之后呢，其他的能源形式，必受到排挤而被边缘化，所以未来会有一段时间，老王称之为能源主导权的争夺期，谁会获胜，答案是开放的，但我们应该能够得出一个结论，战略上包容，战术上要谨慎，不然有太多新能源骗补的公司，从中获利，我们的科技，又有可能再次落后于他国，这是我们所有人都不愿看到的，当然目前一些品牌，仍然坚持内燃机领域的，深耕细作，老王相信，不断挖掘热效率，也是当代技术从业者，所需要继续做的，而选修何时上位变成必修课，大家怎么看待，在这里用一句英国作家，查尔斯·狄更斯话来说，这是最好的时代，也是最坏的时代，我是老王 下期见。 |
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