康斌
第21屆聯(lián)合國氣候變化大會（巴黎氣候大會）上通過的《巴黎協(xié)定》，提出了將全球平均氣溫上升幅度（較前工業(yè)化時期）控制在2攝氏度以內的目標。近年來，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。為實現(xiàn)這些目標，鋼鐵行業(yè)和汽車制造行業(yè)都在積極探索有效降低碳排放的方式。鋼鐵行業(yè)將研究重點放在了氫冶金及其實現(xiàn)方式上，汽車制造行業(yè)也先后研發(fā)出了混合動力汽車、純電動汽車、氫燃料電池汽車等。如今，越來越多的汽車制造企業(yè)開始研發(fā)氫燃料電池汽車，鋼鐵企業(yè)也越來越關注氫能利用。為了實現(xiàn)碳中和，兩大行業(yè)都瞄準了低碳排放的氫能利用技術。
氫燃料電池汽車利用催化劑（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質子膜與空氣中的氧氣發(fā)生反應以產(chǎn)生電能。氫燃料電池汽車的能量轉換是在靜態(tài)下完成的，無噪聲、無振動，且運行溫度低，功率響應快。燃料電池直接將燃料的化學能轉化成電能，能量轉換效率為45%~50%，而一般的內燃機車能量轉化效率約為30%。氫燃料電池功率由配置單體電池的片數(shù)決定，而續(xù)航里程則由氫燃料罐的大?。▋淙萘浚﹣頉Q定。氫燃料電池汽車不排放硫氧化合物、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。
氫燃料電池汽車主體結構由高壓儲氫罐、燃料電池（反應堆）、升壓逆變器、動力控制單元、電動機、驅動電池等組成（如圖1）。
質子膜燃料電池（Proton Exchange Membrane）是燃料電池汽車的動力源。質子膜燃料電池的核心部件是膜電極組件（MEA），包括質子交換膜、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。質子交換膜是制作氫燃料電池的關鍵材料，一般占燃料電池系統(tǒng)成本的5%。目前，全球能夠商業(yè)化供應氫燃料電池質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，2015年其使電池膜使用壽命達到了2000小時，2016年東岳膜DF260達到國際燃料電池汽車膜使用要求，在奔馳公司的壽命加速測試中突破了6000小時。全球鉑金年產(chǎn)量大約200噸，普通燃料電池汽車對于鉑金的需求已經(jīng)由1克/千瓦下降至0.3克/千瓦，在實驗室條件下有可能實現(xiàn)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年使單車鉑金用量下降至5克。
世界主要國家氫燃料電池汽車
發(fā)展現(xiàn)狀
日本著力打造氫能社會，制定了國家氫能基本戰(zhàn)略，確定了到2050年氫能社會建成目標以及具體行動計劃。截至2017年底，日本擁有的氫燃料電池汽車超過2000輛。在2021年東京奧運會上，日本成功使用氫氣作為奧運主火炬的燃料。這是奧運會歷史上首次主火炬使用不排放二氧化碳的燃料。東京奧運會除了把氫氣作為火炬燃料之外，還在奧運村周圍建立加氫站，奧運會期間24小時為氫燃料電池汽車提供加氫服務。日本計劃到2025年擁有可上路的氫燃料電池汽車20萬輛，到2030年達到80萬輛，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。中國的長城汽車于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個股東。2020年6月10日，德國聯(lián)邦內閣通過了《國家氫能戰(zhàn)略》，對德國未來氫能的生產(chǎn)、運輸、使用和再利用以及相應的技術創(chuàng)新和投資建立一個統(tǒng)一、連貫的政策框架。該戰(zhàn)略有助于德國實現(xiàn)其氣候目標，是該國創(chuàng)建新的經(jīng)濟價值鏈及進一步和其他國家發(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(tǒng)的安全。此外，德國漢堡市也于近幾年啟動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。德國致力于開發(fā)集風力發(fā)電、電解水制氫、高壓儲氫及燃料電池發(fā)電技術于一體的氫能應用技術，并建立多個氫能示范應用中心。
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；到2025年建立年產(chǎn)量達10萬輛氫燃料電池汽車的生產(chǎn)體系；到2040年分階段生產(chǎn)620萬輛氫燃料電池汽車。韓國政府還計劃在公共交通領域普及氫燃料電池汽車，力爭到2022年有2000輛、到2040年有4萬輛氫燃料電池公交車投入使用。此外，韓國警方于今年用氫燃料電池汽車替換了820輛警務大巴。韓國計劃到2040年將現(xiàn)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%）。該路線圖若順利落實，到2040年韓國政府便可創(chuàng)造出43萬億韓元的年產(chǎn)值和42萬個工作崗位。
據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會研究數(shù)據(jù)顯示，2019年全國氫燃料電池汽車產(chǎn)銷量分別為2831輛、2737輛，運營加氫基礎設施有28座。中國現(xiàn)有的氫燃料電池汽車主要是商用車，氫燃料電池乘用車還處于示范運行階段。在燃料電池叉車方面，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發(fā)展的瓶頸包括燃料電池耐久性、關鍵材料及核心零部件、氫供給等。
現(xiàn)代汽車的
“氫燃料電池重型卡車生態(tài)圈”
現(xiàn)代汽車為了順利推動XCIENT Fuel Cell氫燃料電池重型卡車的普及，構筑了獨樹一幟的氫燃料生態(tài)系統(tǒng)，并借由該生態(tài)系統(tǒng)將氫燃料電池重型卡車推向市場。為此，現(xiàn)代汽車牽頭構建“氫燃料電池重型卡車生態(tài)圈”，將氫燃料生產(chǎn)企業(yè)、加氫站基礎設施構建聯(lián)合組織及重型卡車客戶公司綁定在了一起。
Hyundai Hydrogen Mobility公司（由現(xiàn)代汽車和瑞士專業(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出行協(xié)會（H2 Mobility Switzerland Association），與加氫領域的各大主體建立了戰(zhàn)略合作關系。此外，H2 Energy公司作為現(xiàn)代汽車的合作伙伴，也是瑞士氫能源移動出行協(xié)會的會員，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生態(tài)圈”。
氫氣密度小，難以儲運，但熱值高。氫氣的儲運成本高，與氫氣的特性有關。氫氣在1個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，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。相關數(shù)據(jù)計算得出，7千克氫氣足夠為40噸級卡車提供大約96公里的動力。
Hydrospider公司致力用水力發(fā)電的剩余電力通過電分解（電解水）的方式來生產(chǎn)氫能源，基本不會排放出污染物質。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出行協(xié)會的會員企業(yè)構建的加氫站。這意味著現(xiàn)代汽車致力構建的“氫燃料電池重型卡車生態(tài)圈”具備創(chuàng)新結構，同時涵蓋了加氫站構建主體和卡車需求渠道。隨著現(xiàn)代汽車開始全面供應氫燃料電池重型卡車，加氫站基礎設施的建設速度也將同步加快。
現(xiàn)代汽車以建設全球首家量產(chǎn)及銷售氫燃料電池重型卡車企業(yè)為開端，向全世界彰顯了該公司在氫燃料電池商用車領域的領導力?，F(xiàn)代汽車已經(jīng)超越其單純的汽車供應商身份，通過與歐洲氫燃料價值鏈合作伙伴間的密切協(xié)作，構筑了實現(xiàn)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)務生態(tài)圈。未來，該公司將陸續(xù)進軍歐洲、北美和中國，引領全球環(huán)保商用車市場實現(xiàn)結構性轉型升級。
2019年11月份，中國第一批氫燃料重型卡車已經(jīng)在寶武集團投入商業(yè)化運營。2021年7月7日，中國首臺49噸級氫能重型運輸車在河鋼唐鋼新區(qū)投用。該氫燃料電池貨車是由南京開沃新能源汽車公司生產(chǎn)的。目前，氫燃料電池重型卡車市場正逐步發(fā)育成熟，日、韓、美、歐的氫燃料電池車企紛紛與傳統(tǒng)卡車制造商強強聯(lián)合，國內各大車企、鋼企也預見了氫燃料電池重型卡車未來的發(fā)展前景。氫能重型卡車的賽道已經(jīng)“百花齊放”，我國各大車企也要憑借實力與國際品牌一戰(zhàn)。在鋼鐵企業(yè)致力于研究氫冶金及其實現(xiàn)方式的同時，氫燃料電池汽車制造行業(yè)也將持續(xù)為其助力。
《中國冶金報》（2021年10月29日 02版二版）
