康斌
第21屆聯(lián)合國氣候變化大會(huì )（巴黎氣候大會(huì )）上通過(guò)的《巴黎協(xié)定》，提出了將全球平均氣溫上升幅度（較前工業(yè)化時(shí)期）控制在2攝氏度以?xún)鹊哪繕?。近年?lái)，歐盟、日本、韓國、中國等先后提出了各自的碳達峰、碳中和目標。為實(shí)現這些目標，鋼鐵行業(yè)和汽車(chē)制造行業(yè)都在積極探索有效降低碳排放的方式。鋼鐵行業(yè)將研究重點(diǎn)放在了氫冶金及其實(shí)現方式上，汽車(chē)制造行業(yè)也先后研發(fā)出了混合動(dòng)力汽車(chē)、純電動(dòng)汽車(chē)、氫燃料電池汽車(chē)等。如今，越來(lái)越多的汽車(chē)制造企業(yè)開(kāi)始研發(fā)氫燃料電池汽車(chē)，鋼鐵企業(yè)也越來(lái)越關(guān)注氫能利用。為了實(shí)現碳中和，兩大行業(yè)都瞄準了低碳排放的氫能利用技術(shù)。
氫燃料電池汽車(chē)利用催化劑（通常是鉑）將儲氫罐中的氫氣分解成氫離子和電子，然后再使氫離子通過(guò)質(zhì)子膜與空氣中的氧氣發(fā)生反應以產(chǎn)生電能。氫燃料電池汽車(chē)的能量轉換是在靜態(tài)下完成的，無(wú)噪聲、無(wú)振動(dòng)，且運行溫度低，功率響應快。燃料電池直接將燃料的化學(xué)能轉化成電能，能量轉換效率為45%~50%，而一般的內燃機車(chē)能量轉化效率約為30%。氫燃料電池功率由配置單體電池的片數決定，而續航里程則由氫燃料罐的大?。▋淙萘浚﹣?lái)決定。氫燃料電池汽車(chē)不排放硫氧化合物、氮氧化合物等有害氣體，也不排放二氧化碳，是一種綠色汽車(chē)。
氫燃料電池汽車(chē)主體結構由高壓儲氫罐、燃料電池（反應堆）、升壓逆變器、動(dòng)力控制單元、電動(dòng)機、驅動(dòng)電池等組成（如圖1）。
質(zhì)子膜燃料電池（Proton Exchange Membrane）是燃料電池汽車(chē)的動(dòng)力源。質(zhì)子膜燃料電池的核心部件是膜電極組件（MEA），包括質(zhì)子交換膜、催化層、氣體擴散層等片層結構。這幾層材料經(jīng)過(guò)熱壓成型后便形成膜電極組件，其兩側需裝上密封圈，然后再放置于雙極板之間，由此構成單體電池，若干塊單體電池便組合成燃料電池堆。質(zhì)子交換膜是制作氫燃料電池的關(guān)鍵材料，一般占燃料電池系統成本的5%。目前，全球能夠商業(yè)化供應氫燃料電池質(zhì)子交換膜材料的只有美國杜邦公司和一家日本公司。2014年，我國山東東岳集團生產(chǎn)的普通燃料電池膜使用壽命僅800小時(shí)，2015年其使電池膜使用壽命達到了2000小時(shí)，2016年?yáng)|岳膜DF260達到國際燃料電池汽車(chē)膜使用要求，在奔馳公司的壽命加速測試中突破了6000小時(shí)。全球鉑金年產(chǎn)量大約200噸，普通燃料電池汽車(chē)對于鉑金的需求已經(jīng)由1克/千瓦下降至0.3克/千瓦，在實(shí)驗室條件下有可能實(shí)現0.1克/千瓦。2015年，豐田在其生產(chǎn)的每一輛氫燃料電池汽車(chē)上使用了100克的鉑金，而目前其已將鉑金使用量下調到了10克/輛，其目標是到2025年使單車(chē)鉑金用量下降至5克。
世界主要國家氫燃料電池汽車(chē)
發(fā)展現狀
日本著(zhù)力打造氫能社會(huì )，制定了國家氫能基本戰略，確定了到2050年氫能社會(huì )建成目標以及具體行動(dòng)計劃。截至2017年底，日本擁有的氫燃料電池汽車(chē)超過(guò)2000輛。在2021年?yáng)|京奧運會(huì )上，日本成功使用氫氣作為奧運主火炬的燃料。這是奧運會(huì )歷史上首次主火炬使用不排放二氧化碳的燃料。東京奧運會(huì )除了把氫氣作為火炬燃料之外，還在奧運村周?chē)⒓託湔?，奧運會(huì )期間24小時(shí)為氫燃料電池汽車(chē)提供加氫服務(wù)。日本計劃到2025年擁有可上路的氫燃料電池汽車(chē)20萬(wàn)輛，到2030年達到80萬(wàn)輛，并在國內建成投用900座加氫站。
2015年，由液化空氣集團、戴姆勒、林德、OMV、殼牌和道達爾6家氫能產(chǎn)業(yè)的龍頭企業(yè)結成了“H2 Mobility”企業(yè)聯(lián)盟，以社會(huì )產(chǎn)業(yè)資本的身份一同支持德國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，為氫燃料電池汽車(chē)建設氫基礎設施?！癏2 Mobility”企業(yè)聯(lián)盟計劃到2023年建成并投用400座加氫站。中國的長(cháng)城汽車(chē)于2018年10月份與“H2 Mobility”企業(yè)聯(lián)盟簽署了諒解備忘錄，通過(guò)提供額外投資收購了該聯(lián)盟大約5%的股份，成為其第7個(gè)股東。2020年6月10日，德國聯(lián)邦內閣通過(guò)了《國家氫能戰略》，對德國未來(lái)氫能的生產(chǎn)、運輸、使用和再利用以及相應的技術(shù)創(chuàng )新和投資建立一個(gè)統一、連貫的政策框架。該戰略有助于德國實(shí)現其氣候目標，是該國創(chuàng )建新的經(jīng)濟價(jià)值鏈及進(jìn)一步和其他國家發(fā)展國際能源政策合作所必須的措施，保障了德國能源供應系統的安全。此外，德國漢堡市也于近幾年啟動(dòng)了氫能示范應用項目——“HyCity”計劃（氫能城市計劃），涵蓋了氫氣制取、運輸、儲存及燃料電池應用的氫能全產(chǎn)業(yè)鏈。德國致力于開(kāi)發(fā)集風(fēng)力發(fā)電、電解水制氫、高壓儲氫及燃料電池發(fā)電技術(shù)于一體的氫能應用技術(shù)，并建立多個(gè)氫能示范應用中心。
2019年，韓國發(fā)布“氫能經(jīng)濟發(fā)展路線(xiàn)圖”，計劃到2019年底在該國境內普及4000輛以上氫燃料電池汽車(chē)；到2025年建立年產(chǎn)量達10萬(wàn)輛氫燃料電池汽車(chē)的生產(chǎn)體系；到2040年分階段生產(chǎn)620萬(wàn)輛氫燃料電池汽車(chē)。韓國政府還計劃在公共交通領(lǐng)域普及氫燃料電池汽車(chē)，力爭到2022年有2000輛、到2040年有4萬(wàn)輛氫燃料電池公交車(chē)投入使用。此外，韓國警方于今年用氫燃料電池汽車(chē)替換了820輛警務(wù)大巴。韓國計劃到2040年將現有的14座加氫站增建至1200座，將燃料電池年發(fā)電量增加至15吉瓦（達到2018年韓國發(fā)電總量的7%～8%）。該路線(xiàn)圖若順利落實(shí)，到2040年韓國政府便可創(chuàng )造出43萬(wàn)億韓元的年產(chǎn)值和42萬(wàn)個(gè)工作崗位。
據中國汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì )研究數據顯示，2019年全國氫燃料電池汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量分別為2831輛、2737輛，運營(yíng)加氫基礎設施有28座。中國現有的氫燃料電池汽車(chē)主要是商用車(chē)，氫燃料電池乘用車(chē)還處于示范運行階段。在燃料電池叉車(chē)方面，中國已有東莞氫宇等企業(yè)布局。然而，目前制約我國氫燃料電池汽車(chē)發(fā)展的瓶頸包括燃料電池耐久性、關(guān)鍵材料及核心零部件、氫供給等。
現代汽車(chē)的
“氫燃料電池重型卡車(chē)生態(tài)圈”
現代汽車(chē)為了順利推動(dòng)X(jué)CIENT Fuel Cell氫燃料電池重型卡車(chē)的普及，構筑了獨樹(shù)一幟的氫燃料生態(tài)系統，并借由該生態(tài)系統將氫燃料電池重型卡車(chē)推向市場(chǎng)。為此，現代汽車(chē)牽頭構建“氫燃料電池重型卡車(chē)生態(tài)圈”，將氫燃料生產(chǎn)企業(yè)、加氫站基礎設施構建聯(lián)合組織及重型卡車(chē)客戶(hù)公司綁定在了一起。
Hyundai Hydrogen Mobility公司（由現代汽車(chē)和瑞士專(zhuān)業(yè)氫能源解決方案企業(yè)H2 Energy公司成立的合資企業(yè)）作為氫燃料電池卡車(chē)的供應商，以合作伙伴的身份加入了由全球21家能源公司和物流企業(yè)聯(lián)合成立的瑞士氫能源移動(dòng)出行協(xié)會(huì )（H2 Mobility Switzerland Association），與加氫領(lǐng)域的各大主體建立了戰略合作關(guān)系。此外，H2 Energy公司作為現代汽車(chē)的合作伙伴，也是瑞士氫能源移動(dòng)出行協(xié)會(huì )的會(huì )員，于2020年聯(lián)合全球知名能源企業(yè)Alpiq公司和Linde公司在瑞士成立了首家生產(chǎn)商業(yè)用氫能源的合資企業(yè)（Hydrospider公司），將氫燃料生產(chǎn)主體也納入了“氫燃料電池重型卡車(chē)生態(tài)圈”。
氫氣密度小，難以?xún)\，但熱值高。氫氣的儲運成本高，與氫氣的特性有關(guān)。氫氣在1個(gè)標準大氣壓下的密度為0.0899克/升，熱值為1.4億焦耳/千克，也就是大約1公斤氫氣完全釋放的電能有39千瓦時(shí)，轉換效率最高為60%。1千克氫氣所含能量與3.3升柴油所含的能量大致相同。相關(guān)數據計算得出，7千克氫氣足夠為40噸級卡車(chē)提供大約96公里的動(dòng)力。
Hydrospider公司致力用水力發(fā)電的剩余電力通過(guò)電分解（電解水）的方式來(lái)生產(chǎn)氫能源，基本不會(huì )排放出污染物質(zhì)。Hydrospider公司生產(chǎn)的環(huán)保氫能源，將由H2 Energy公司和Hyundai Hydrogen Mobility公司積極供應至瑞士氫能源移動(dòng)出行協(xié)會(huì )的會(huì )員企業(yè)構建的加氫站。這意味著(zhù)現代汽車(chē)致力構建的“氫燃料電池重型卡車(chē)生態(tài)圈”具備創(chuàng )新結構，同時(shí)涵蓋了加氫站構建主體和卡車(chē)需求渠道。隨著(zhù)現代汽車(chē)開(kāi)始全面供應氫燃料電池重型卡車(chē)，加氫站基礎設施的建設速度也將同步加快。
現代汽車(chē)以建設全球首家量產(chǎn)及銷(xiāo)售氫燃料電池重型卡車(chē)企業(yè)為開(kāi)端，向全世界彰顯了該公司在氫燃料電池商用車(chē)領(lǐng)域的領(lǐng)導力?，F代汽車(chē)已經(jīng)超越其單純的汽車(chē)供應商身份，通過(guò)與歐洲氫燃料價(jià)值鏈合作伙伴間的密切協(xié)作，構筑了實(shí)現氫燃料生產(chǎn)、流通及消費產(chǎn)業(yè)鏈循環(huán)的氫燃料業(yè)務(wù)生態(tài)圈。未來(lái)，該公司將陸續進(jìn)軍歐洲、北美和中國，引領(lǐng)全球環(huán)保商用車(chē)市場(chǎng)實(shí)現結構性轉型升級。
2019年11月份，中國第一批氫燃料重型卡車(chē)已經(jīng)在寶武集團投入商業(yè)化運營(yíng)。2021年7月7日，中國首臺49噸級氫能重型運輸車(chē)在河鋼唐鋼新區投用。該氫燃料電池貨車(chē)是由南京開(kāi)沃新能源汽車(chē)公司生產(chǎn)的。目前，氫燃料電池重型卡車(chē)市場(chǎng)正逐步發(fā)育成熟，日、韓、美、歐的氫燃料電池車(chē)企紛紛與傳統卡車(chē)制造商強強聯(lián)合，國內各大車(chē)企、鋼企也預見(jiàn)了氫燃料電池重型卡車(chē)未來(lái)的發(fā)展前景。氫能重型卡車(chē)的賽道已經(jīng)“百花齊放”，我國各大車(chē)企也要憑借實(shí)力與國際品牌一戰。在鋼鐵企業(yè)致力于研究氫冶金及其實(shí)現方式的同時(shí)，氫燃料電池汽車(chē)制造行業(yè)也將持續為其助力。
《中國冶金報》（2021年10月29日 02版二版）
