康斌
第21屆聯(lián)合國(guó)氣候變化大會(huì)（巴黎氣候大會(huì)）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(shí)期）控制在2攝氏度以內(nèi)的目標(biāo)。近年來，歐盟、日本、韓國(guó)、中國(guó)等先后提出了各自的碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，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(diǎn)放在了氫冶金及其實(shí)現(xiàn)方式上，汽車制造行業(yè)也先后研發(fā)出了混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)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(guān)注氫能利用。為了實(shí)現(xiàn)碳中和，兩大行業(yè)都瞄準(zhǔn)了低碳排放的氫能利用技術(shù)。
氫燃料電池汽車?yán)么呋瘎ㄍǔＪ倾K）將儲(chǔ)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(zhì)子膜與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)以產(chǎn)生電能。氫燃料電池汽車的能量轉(zhuǎn)換是在靜態(tài)下完成的，無噪聲、無振動(dòng)，且運(yùn)行溫度低，功率響應(yīng)快。燃料電池直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能，能量轉(zhuǎn)換效率為45%~50%，而一般的內(nèi)燃機(jī)車能量轉(zhuǎn)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小（儲(chǔ)氫容量）來決定。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(jié)構(gòu)由高壓儲(chǔ)氫罐、燃料電池（反應(yīng)堆）、升壓逆變器、動(dòng)力控制單元、電動(dòng)機(jī)、驅(qū)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(kuò)散層等片層結(jié)構(gòu)。這幾層材料經(jīng)過熱壓成型后便形成膜電極組件，其兩側(cè)需裝上密封圈，然后再放置于雙極板之間，由此構(gòu)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(tǒng)成本的5%。目前，全球能夠商業(yè)化供應(yīng)氫燃料電池質(zhì)子交換膜材料的只有美國(guó)杜邦公司和一家日本公司。2014年，我國(guó)山東東岳集團(tuán)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(dá)到了2000小時(shí)，2016年東岳膜DF260達(dá)到國(guó)際燃料電池汽車膜使用要求，在奔馳公司的壽命加速測(cè)試中突破了6000小時(shí)。全球鉑金年產(chǎn)量大約200噸，普通燃料電池汽車對(duì)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(yàn)室條件下有可能實(shí)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(diào)到了10克/輛，其目標(biāo)是到2025年使單車鉑金用量下降至5克。
世界主要國(guó)家氫燃料電池汽車
發(fā)展現(xiàn)狀
日本著力打造氫能社會(huì)，制定了國(guó)家氫能基本戰(zhàn)略，確定了到2050年氫能社會(huì)建成目標(biāo)以及具體行動(dòng)計(jì)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(yùn)會(huì)上，日本成功使用氫氣作為奧運(yùn)主火炬的燃料。這是奧運(yùn)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(yùn)會(huì)除了把氫氣作為火炬燃料之外，還在奧運(yùn)村周圍建立加氫站，奧運(yùn)會(huì)期間24小時(shí)為氫燃料電池汽車提供加氫服務(wù)。日本計(jì)劃到2025年擁有可上路的氫燃料電池汽車20萬輛，到2030年達(dá)到80萬輛，并在國(guó)內(nèi)建成投用900座加氫站。
2015年，由液化空氣集團(tuán)、戴姆勒、林德、OMV、殼牌和道達(dá)爾6家氫能產(chǎn)業(yè)的龍頭企業(yè)結(jié)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(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，為氫燃料電池汽車建設(shè)氫基礎(chǔ)設(shè)施。“H2 Mobility”企業(yè)聯(lián)盟計(jì)劃到2023年建成并投用400座加氫站。中國(guó)的長(zhǎng)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(gòu)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(guó)聯(lián)邦內(nèi)閣通過了《國(guó)家氫能戰(zhàn)略》，對(duì)德國(guó)未來氫能的生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用和再利用以及相應(yīng)的技術(shù)創(chuàng)新和投資建立一個(gè)統(tǒng)一、連貫的政策框架。該戰(zhàn)略有助于德國(guó)實(shí)現(xiàn)其氣候目標(biāo)，是該國(guó)創(chuàng)建新的經(jīng)濟(jì)價(jià)值鏈及進(jìn)一步和其他國(guó)家發(fā)展國(guó)際能源政策合作所必須的措施，保障了德國(guó)能源供應(yīng)系統(tǒng)的安全。此外，德國(guó)漢堡市也于近幾年啟動(dòng)了氫能示范應(yīng)用項(xiàng)目——“HyCity”計(jì)劃（氫能城市計(jì)劃），涵蓋了氫氣制取、運(yùn)輸、儲(chǔ)存及燃料電池應(yīng)用的氫能全產(chǎn)業(yè)鏈。德國(guó)致力于開發(fā)集風(fēng)力發(fā)電、電解水制氫、高壓儲(chǔ)氫及燃料電池發(fā)電技術(shù)于一體的氫能應(yīng)用技術(shù)，并建立多個(gè)氫能示范應(yīng)用中心。
2019年，韓國(guó)發(fā)布“氫能經(jīng)濟(jì)發(fā)展路線圖”，計(jì)劃到2019年底在該國(guó)境內(nèi)普及4000輛以上氫燃料電池汽車；到2025年建立年產(chǎn)量達(dá)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(guó)政府還計(jì)劃在公共交通領(lǐng)域普及氫燃料電池汽車，力爭(zhēng)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(guó)警方于今年用氫燃料電池汽車替換了820輛警務(wù)大巴。韓國(guó)計(jì)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(dá)到2018年韓國(guó)發(fā)電總量的7%～8%）。該路線圖若順利落實(shí)，到2040年韓國(guó)政府便可創(chuàng)造出43萬億韓元的年產(chǎn)值和42萬個(gè)工作崗位。
據(jù)中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)研究數(shù)據(jù)顯示，2019年全國(guó)氫燃料電池汽車產(chǎn)銷量分別為2831輛、2737輛，運(yùn)營(yíng)加氫基礎(chǔ)設(shè)施有28座。中國(guó)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(yùn)行階段。在燃料電池叉車方面，中國(guó)已有東莞氫宇等企業(yè)布局。然而，目前制約我國(guó)氫燃料電池汽車發(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(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(dòng)XCIENT Fuel Cell氫燃料電池重型卡車的普及，構(gòu)筑了獨(dú)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(chǎng)。為此，現(xiàn)代汽車牽頭構(gòu)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(chǔ)設(shè)施構(gòu)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(yīng)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(zhàn)略合作關(guān)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(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生態(tài)圈”。
氫氣密度小，難以儲(chǔ)運(yùn)，但熱值高。氫氣的儲(chǔ)運(yùn)成本高，與氫氣的特性有關(guān)。氫氣在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)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(shù)據(jù)計(jì)算得出，7千克氫氣足夠?yàn)?0噸級(jí)卡車提供大約96公里的動(dòng)力。
Hydrospider公司致力用水力發(fā)電的剩余電力通過電分解（電解水）的方式來生產(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(yīng)至瑞士氫能源移動(dòng)出行協(xié)會(huì)的會(huì)員企業(yè)構(gòu)建的加氫站。這意味著現(xiàn)代汽車致力構(gòu)建的“氫燃料電池重型卡車生態(tài)圈”具備創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，同時(shí)涵蓋了加氫站構(gòu)建主體和卡車需求渠道。隨著現(xiàn)代汽車開始全面供應(yīng)氫燃料電池重型卡車，加氫站基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)速度也將同步加快。
現(xiàn)代汽車以建設(shè)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(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)力。現(xiàn)代汽車已經(jīng)超越其單純的汽車供應(yīng)商身份，通過與歐洲氫燃料價(jià)值鏈合作伙伴間的密切協(xié)作，構(gòu)筑了實(shí)現(xiàn)氫燃料生產(chǎn)、流通及消費(fèi)產(chǎn)業(yè)鏈循環(huán)的氫燃料業(yè)務(wù)生態(tài)圈。未來，該公司將陸續(xù)進(jìn)軍歐洲、北美和中國(guó)，引領(lǐng)全球環(huán)保商用車市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性轉(zhuǎn)型升級(jí)。
2019年11月份，中國(guó)第一批氫燃料重型卡車已經(jīng)在寶武集團(tuán)投入商業(yè)化運(yùn)營(yíng)。2021年7月7日，中國(guó)首臺(tái)49噸級(jí)氫能重型運(yùn)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(chǎng)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(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，國(guó)內(nèi)各大車企、鋼企也預(yù)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(guó)各大車企也要憑借實(shí)力與國(guó)際品牌一戰(zhàn)。在鋼鐵企業(yè)致力于研究氫冶金及其實(shí)現(xiàn)方式的同時(shí)，氫燃料電池汽車制造行業(yè)也將持續(xù)為其助力。
《中國(guó)冶金報(bào)》（2021年10月29日 02版二版）
