电动汽车一家独大,氢能车为何“掉队”？|氢燃料|储氢
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导语：
现在大家所指的新能源汽车，被很多人都笼统地认为是蓄电池供电的电动汽车。其实并不是如此，因为新能源汽车涵盖的领域是非常广泛的，本文要介绍的氢能源汽车，它也是属于新能源汽车范畴的。
虽说是新能源，但其实人们很早就开始利用这些能源了。早在1834年美国人就研发出了第一台电动车。而燃料电池也是19世纪末英国人提出的。目前，人们希望这些新能源能够在能源产业中起到更重要的作用。汽车行业也是如此，从各大车企未来车型的规划中我们也可以看到，新能源汽车占据了很重要的位置。不过究竟是什么类型的新能源汽车“称霸”未来世界，这还无法下结论。那么，氢能究竟有哪些优点？氢能源汽车为何会在新能源汽车中“掉队”？氢燃料电池未来又会如何发展？
一、氢能是什么？
氢是宇宙中所有元素中含量最丰富的元素，在自然界中主要以化合态存在，是周期表中第一号元素。
氢能源之所以被人们所期待，是因为氢能源符合人们对于新能源的需求。首先，氢具有除去核燃料外最高的燃烧热值，为142351KJ/kg，为汽油的三倍；其次，氢的燃烧性能好，与空气混合时有宽泛的可燃范围，而且氢的燃烧速度也很快；第三，氢燃烧后的产物是水，对环境十分友好，不会造成温室效应；最后，氢气的相对分子质量很小，所以氢能源可以有效的减小燃料自重，可以减小运输氢气时的成本。
目前，人们通常不把氢气当燃料使用，而是通过氢氧燃料电池利用氢能。氢氧燃烧电池也被称为“氢能利用的核心”。氢氧燃料电池以氢气作为还原剂，氧气作为氧化剂，通过化学反应，将化学能直接转变为电能的电池。与常规发电技术相比，燃料电池的发电效率更高。它不受卡诺极限的限制 ，理论能量转换效率90%以上。在实际应用中，发电效率可达60%以上，考虑综合能量利用，燃料电池的总效率可达80%以上。除此之外，燃料电池还具有供电稳定、模块性好（电池并联便能得到大电流；电池串联便能得到高电压）、结构简单、方便耐用等优点。
氢氧燃料电池结构
二、氢能技术“难”在哪儿？
既然氢能源有这么多优势，但为何市面上却少见氢能源的实际应用呢？因为，氢能源作为一种新兴能源，有着一套复杂的产业链。其中的制备、储存、运输、加注、电堆，这五项氢能源中的关键技术均存在一定的难点。
首先是制备环节，目前的制氢方式有利用水的分解这一原理的水制氢，通过焦化、气化煤等化石能源的化石能源制氢以及将薪柴等生物质气化的生物制氢。然而水制氢的规模较少，化石能源制氢会造成一定污染。只有找到合适的制氢方法，氢才能逐步发展。
其次是储存环节，传统储氢方法有两种，一种方法是利用高压钢瓶来储存氢气，但钢瓶储存氢气的容积小，而且还有爆炸的危险；另一种方法是储存液态氢，但液体储存箱非常庞大，需要极好的绝热装置来隔热。在近些年，一种新型简便的储氢方法应运而生，即利用储氢合金来储存氢气。 这些会“吸收”氢气的金属，称为储氢合金。其储氢能力很强。然而目前这一技术不够完善，人们依旧没有找到最合适的储氢金属，而且储存在金属中的氢只有加热才能释放出来，而加热需要一定时间，这或许会影响之后环节的正常运转。
氢的运输、加注环节与其他能源相似，可以用车船运输储存好的氢气，也可以利用管道直接运输氢气或液化氢，加注氢气和加油、加气的步骤基本相同。但是氢的运输和加注需要注意安全性问题。氢气作为一种易燃易爆气体，很容易引发爆炸。2019年6月，挪威的加氢站就发生过爆炸，将四周夷为平地。因此，保证加氢站的安全是产业链中重要的一件事。
电堆即电池组。因为燃料电池已经成为氢能利用的核心，所以，不断提升电池的性能对于氢能利用是很重要的。目前，PtCo化合物催化剂以及质子交换膜是电池技术中的核心。
氢能产业链
氢能产业链关键技术
三、 氢能源汽车的“落伍”原因？
氢能在目前的主要应用就是氢能汽车，根据使用氢气的方式不同，我们可以把氢能源汽车分为氢内燃车和氢燃料电池车两类。
氢内燃车与传统汽油内燃机车相似。它将传统燃油车的内燃机进行小型改造，通过燃烧氢气提供动力。氢作为燃料有着热值高、燃烧性能好等特点，这也使氢内燃机有着更优秀的性能。然而，氢内燃汽车的发动机容易发生早燃（混合气在火花塞点火之前，混合气已被燃烧室内的炽热点点燃而提前燃烧）现象，而内燃机内部的高温也会使氧气与空气中的氮气反应，生成氮氧化合物，污染环境。因此，氢内燃车被淘汰，没有完成量产。
另一种是氢燃料电池车，这种氢动力车里程长，因为使用电池，也不会有氢内燃机那样的环境问题。然而，发展氢燃料电池车却遇到了不少困难。
首先是电池成本很高。前文提到的PtCo化合物催化剂以及质子交换膜，制造它们需要复杂的工艺以及高昂的费用。只有少数公司完全掌握制造它们的工艺，这提高了制造氢燃料电池车的成本。以丰田Mirai为例，尽管丰田已经降低了铂的使用，但目前其售价依然高达55万人民币。
其次，是能源效率问题。相比电动汽车，氢能汽车的效率要更低。曾有业内专家计算，电动汽车一旦开始启动，车辆充电位置的电能供应将损失约5％，电池的充电和放电会损失另外10％，最后，电动机损失了5％。计算下来的总损失为20％。而氢能汽车是将充电装置集成在车内，最终的驱动方式与纯电动车一致，都是通过电机驱动。根据相关测试显示，如果用100度电制氢，然后存储、运输，加入汽车，再转为电能，驱动电机，其电能的利用率只有38%。如果从氢注入汽车开始计算，利用率也只有57%。不论怎么计算，其效率都远低于电动汽车。
最后是加氢的配套设施还不完善。以中国为例，截至2021年1月，全国充电基础设施累计数量为171.6万台，公共充电桩数量达到810903台。反观加氢站，截至2020年底，中国只建有加氢站104座。这无疑大大限制了氢能汽车的普及。
图源： https://new.qq.com/rain/a/20210111A067OB00
尽管氢燃料电池车与传统汽车相比均具有一定优势，但它目前存在较明显的问题。这些问题阻碍着氢燃料电池车的发展。于是，氢能车在众多新能源车中“掉队”了。
三、氢能源的未来
虽然氢能整条产业链上仍存在不少问题和难点，氢能源汽车的发展也遇到了重重困难。但因为氢能源具有成为未来能源的潜力，所以各个国家越来越重视氢能源的发展。
各国发展氢能源的战略
氢能产业已成为美国、德国、日本等发达国家的战略选择，日本提出“将成为全球第一个实现氢能社会的国家”。在我国，氢能和燃料电池产业 被《能源技术革命创新行动计划（2016-2030）》列为15项能源技术革命重点任务之一，2019年首次被写入《政府工作报告》，有着国家在战略上的支持，氢能源未来的发展是光明的。
氢能源在未来所占比重 来源：世界氢能委员会《麦肯锡发布研究报告，2017年》
在国家的支持下，氢能产业化正在快速增长，预计2050年全球氢能在终端能源的消费比例将达到18%，成为将热、电、气等能源网络有机联系起来的重要能源。氢能源将成为未来全球能源的重要支柱。随着氢能源技术的发展、成熟，氢能源汽车也会发展，突破技术上的瓶颈，跟上新能源汽车的发展，并逐渐成为未来汽车行业的支柱。