一文講透寶馬為進博會帶來的BMW iX5氫燃料電池車究竟如何？

   前 言   

      11月5日—10日，第六屆中國國際進口博覽會在上海舉行。作為連續6年參展的跨國車企，寶馬集團攜五款新能源產品亮相，這其中，就有首次亮相進博會的BMW iX5氫燃料電池車。

      BMW iX5氫燃料電池車集可持續理念、技術創新與世界級的工程設計合而為一，展現了寶馬在電力驅動技術領域的領先研發實力。該車總輸出功率可達295千瓦（401馬力），其中，高性能燃料電池可連續輸出125千瓦（170馬力）的電能，6秒內可完成百公里加速。在WLTP工況下，最大續航里程可達504公里，儲氫罐充滿僅需3-4分鐘。今年寶馬在多個國家的測試證明氫燃料電池車在不同天氣和地理情況下均有著不俗表現，驗證了氫能源作為未來電動出行領域重要選擇之一的技術可行性。

   氫能，行嗎？ 

      在詳細介紹BMW iX5氫燃料電池車之前，還是不得不從氫能相關的一些基礎認知談起。對于廣大消費者來說，一談及氫能，總跟一些車企搶專利，以及宏大的“碳排放”等新聞結合一處，很難落到眼見為實的平常生活中，有距離感。并且，公眾對于氫能科普常識、氫燃料電池研發從工程化到產業化都缺乏了解。

      讓我們先來做一番梳理。

  1.為什么總提氫能  

      首先，盡管近些年來綠色能源如太陽能、風能有了長足發展，然而尚無法扭轉全球能耗80%仍靠化石能源的局面。其次，《巴黎協定》提出溫控目標“將全球平均氣溫較前工業化時期上升幅度控制在2℃ 以內，并努力將溫度上升幅度限制在1.5℃ 以內”。嚴峻形勢下，條條大道通羅馬，任何有利于節能減碳與降低溫室氣體排放的技術與商業化探索，都應給與支持。例如傳統化石能源的碳捕獲與封存技術的發展，以及像氫能的開發利用。

      正如寶馬集團董事長齊普策在“2023世界新能源汽車大會”上的致辭：“應對氣候變化需多路徑并進”。

      氫氧燃燒沒有碳排放，生成水，沒其他污染物，尤其是溫室氣體。同時燃燒1kg的氫釋放出的熱量是汽油的3倍，能量轉化效率高達83%。因此，氫能作為理論上一種比較理想的清潔能源，多年來科學界與產業界一直攻堅，這是必然。寶馬集團在氫能源動力系統研發領域已深耕40余年，并累積了超過20年的氫燃料電池技術研發經驗；而BMW iX5氫燃料電池車正是其系統性推動氫動力技術發展的集大成者。

  2.氫能怎么獲取  

      對于氫能利用的探索，并非平地起高樓。一直以來，利用現有的汽柴油能源工業基礎，通過一系列對采集、制備、運輸、存儲全鏈路改造，產業界躍躍欲試。例如在使用終端，寶馬集團2007年以（E65）760Li豪華轎車為藍本打造的“Hydrogen 7”氫內燃機車型，對發動機的供油系統、火花塞、內部密封部件加以改裝即獲實現。

      既然有了不錯的工程示范落地，卻為何始終沒能實現大規模商業化呢？這就需要從氫的特性談起。

      氫在空氣中并不會一點就燃，而是需要混合濃度處于4%-75%之間，太低或太高都不會燃燒。但由于其質量低，氫氣比其他較重的氣體更易逃逸地球重力，所以在地球大氣中的含量極低，只占大氣總體積的百萬分之一，故地球和地球大氣層中的游離氫很少。但氫很容易和大部份非金屬元素形成共價鍵，所以地球上大部份的氫都以分子的形態存在，比如水是氫的“倉庫”。水中氫的質量分數為11%，也因此，電解水制氫技術路線一直充滿誘惑力。

      然而，電解水的“電”的確是可以通過綠色的太陽能、風能、核能來實現，但如上所述，大都還是來自化石能源。雖然業界有嘗試用光來解水制氫，但目前無論光催化劑的研發還是工程化，都還停留在實驗室階段。當下氫能獲取三條途徑中，“綠氫”小荷才露尖尖角。另外兩條，灰氫（是指通過石油、煤炭燃燒產生氫氣）與藍氫（指的是通過天然氣特殊制成氫）是培育氫能產業發育的拐杖。

      這樣看來，先不談存儲，運輸，光在氫能的第一道“綠氫”制備環節，目前就是很難逾越的卡點。而氫能的產業鏈又很長，每個環節又有很多種技術方案在探索論證。這就導致氫能被視為科學問題，還稱不上工程問題，沒法像鋰電池產業那樣早六七年前就可以預估未來成本下降的規模節點。

      既然氫能現況如此，為什么加氫站和氫燃料電池車的進展去沒停下腳步呢？

      一句話，在國家層面，頂層設計認為氫能有長期價值。

  3.氫能怎么利用  

      雖然氫的制備環節暫無太大突破，但風光等能源轉化成氫能，因其化學性質穩定，又沒有儲存容量限制，打造氫能產業化，相當于增加了一批容量巨大且穩定的儲能終端。無論液態氫、固態氫，在能源體系里被視為“充電寶”用。

      日前發布的《中國氫能源及燃料電池產業發展報告2022》披露，當前世界各國持續發布氫能規劃政策，支持推進力度不斷加大。截至2022年底，包括美國、德國、日本在內的共41個國家和地區制定發布了國家級氫能發展戰略。2022年，中國氫氣產能約4882萬噸/年，同比增長約1.2%；產量約3533萬噸/年，同比增長約1.9%。可再生能源制氫項目加速推進，且可再生氫產能倍增，現有加氫站建設已超過350座。

      再從宏大的背景敘事回到商業現實，同為新能源產業，氫能行業暫時還沒拿到當初發展風電、光伏發電時那樣的巨額政策刺激，氫能源車產業也同樣沒有獲得鋰電動車起步時的超高補貼待遇。這其實反映了頂層設計的幾點思考：第一，新能源起步階段，市場補貼亂象值得警惕，尚需更完善的制度設計。第二，氫能源的制備、存儲、運輸、使用全鏈路都還沒有明確的商業化模型，現況不適宜用刺激政策促成發育，有拔苗助長之嫌。第三，氫能的使用與推廣被市場證明是受歡迎，安全可控地。需要像推出BMW iX5氫燃料電池車的寶馬集團那樣，頭部企業躬身入局。否則，僅憑一些初創公司、小公司掀不起大浪；想去撬動全產業鏈，幾無可能。

      也許會有人質疑，鋰電池車不就是新勢力帶頭沖起來的嗎？但別忘了，正是汽車行業多家頭部企業多年來不斷嘗試電動車型工程化，就像寶馬教寧德時代如何做電池模組（不展開引證贅述了），才打下了今天電動車產業化的前提基礎。

      那么，這一次亮相進博會的BMW iX5氫燃料電池車算氫能產業應用的一款前瞻概念之作，還是已落地成型呢？

  BMW iX5，行嗎？

      結合上述氫能產業發展的現狀，以及一家企業能堅持在氫能賽道持續40年的研發關注，充分說明寶馬集團在氫能上，不是一個機會主義者。

      其次，寶馬集團的投入也源于其自身較強的工程能力。利用好現有資源，無需拋開體系另起爐灶。就像寶馬集團氫燃料電池技術及汽車項目負責人Dr.Juergen Guldner表示的那樣：“寶馬的戰略是盡可能在動力總成系統上具有高度的靈活性。現有的架構是通用的，可以實現燃油車、柴油車、插電混合動力車和純電汽車的共線生產，適應不斷變化的客戶需求”。

      因此，在他看來氫燃料電池技術作為一項新技術起初成本預估雖然比較高，但未來會顯著下降。“第一，這項技術本身原材料使用量少，未來的成本主要來自于制造環節。第二，很多燃料電池系統里使用的零部件，是現在內燃機系統已經在使用的，規模化生產會降低價格。比如在車輛上安裝的傳感器、空氣壓縮機、進氣口、冷卻系統等。第三，燃料電池技術可以用于多個應用場景，不僅是乘用車，還包括卡車、貨車、飛機，技術相似零部件也非常相似。同樣容易實現量產，實現規模經濟效應，促使成本下降”。

      按照這個說法，BMW iX5氫燃料電池車到底算一輛氫能直驅車型，還是一輛純電衍生車型呢？借這個問題，接下來詳細談談BMW iX5氫燃料電池這款車型。

  1.氫內燃機與氫燃料電池兩者關系？ 

      正因為BMW“Hydrogen 7”氫內燃機車型聲名在外，時至今日，仍有很多人將BMW iX5氫燃料電池車誤解為帶氫罐的燃氣車。其實早在15年前寶馬就已停止了氫動力內燃機項目，轉為氫燃料電池的技術開發上來。這里面有兩個原因。第一，氫氣動力內燃機效率比燃料電池要低，同樣容量的儲氫罐，氫燃料電池車能夠支持500公里續航里程，而氫內燃機車只能支持300公里。第二，氫燃料電池車能夠采用通用的架構與純電車型那般共線生產，易于今后規模量產。

      舉個例子，據外界報道寶馬正在研發一種扁平而非圓柱形的新型儲氫罐。目的很明確，希望能像電池模組那般布置在車身下方前后軸之間。不僅為座艙舒適性設計提供便利，也著實可以實現與純電車型共線生產。當前的BMW iX5車型試點，其實也不難，是從燃油車的架構延續下來的，可以看到儲氫罐處在車輛的中部，原來的變速箱差不多的位置。

  2.氫罐安全嗎？ 

      氫氣很輕易逃逸，且難轉換液化。因此，氫氣罐的壓力一般要做到大氣壓的700倍。難以想象，這是常見普通液化氣罐的18倍，醫院的鋼瓶高壓氧氣也只有150個大氣壓左右。可想而知，對于存儲氫的罐體強度要求很高。另外，氫的滲透能力很強，可以通過罐體內壁，往外滲漏擴散，這就要求罐體材質要選用特別耐受的金屬。但，氫還容易與一些金屬發生反應，比如鈦合金。雖然它在各種影視劇里當盾牌神乎其神，但它就是怕氫氣，一旦和氫氣結合之后，就會變脆，不堪一擊；這也便是我們常說的“氫脆”現象。

      為了越過這個技術卡點，Dr.Juergen Guldner就表示所有跟氫氣發生接觸的材料，寶馬都會在材料實驗室做測試，確保不會發生氫脆的現象。

      而測試經理Dr. Timo Christ介紹地更為詳細：BMW iX5氫燃料電池車儲氫罐其實是碳纖維增強復合型材料，內層含有一層塑料，即便是要用到鋼的材料也是用了實驗室經過驗證的不銹鋼與其他的特種鋼。目前，在已知范圍內的氫燃料電池車的儲氫罐大多數都用這種材料，也就是四類罐。最內層為高分子聚合物，中間層為碳纖維，外層為玻璃纖維，并且在中國市場就可以買得到。

      這當然也預示了在氫能賽道，中國制造業的體系優勢。另一方面也說明，我們從成本優勢往“標準”優勢上轉型。

      中國法規要求更加嚴苛一些，要求儲氫罐最高承壓中國的法規是正常壓力的2.25倍（對比歐洲是2倍），也就是700巴的2.25倍。寶馬未來當然要以滿足更高的中國市場標準作為目標。

  3.氫燃料怎么“燃”？ 

      切勿望文生義，是氫氣、氧氣在電池包里燃燒。一句話，氫燃料電池工作過程根本不靠點燃，而是一個電化學過程。

      其工作原理是給燃料電池的負極提供氫氣，正極提供氧氣，然后在正負極之間加一層膜。在催化劑(鉑)的作用下，氫原子外層的電子會游離出來，變成電子+氫離子。而那層膜是很特殊的，只有氫離子可以通過，電子會被擋在膜外。由于氫離子實際上就是質子，所以那層膜也叫“質子交換膜”。相應來說，BMW iX5應稱之為氫質子交換膜燃料電池車。

      質子交換膜，一般由雙極板與交換膜構成。不過，由于單一層膜左右兩側的壓差比較小，通常只有0.5V-1.0V，因此需要將正負極夾著一層膜的結構疊加幾百層，從而獲得更高電壓。這一堆疊上百個膜電極的結構，也就是“電堆”。

      為了保證催化劑(鉑)的活性，電堆工作溫度一般在90攝氏度左右，這要比燃油發動機工作溫度低很多。綜合來看，結構簡單，工作溫度低，對比鋰電池包的保養維修要容易得多。在這一過程中，化學能轉化為電能的效率可以達到80%，比內燃機40%的效率高出一倍，確實潛力巨大。

  4.驅動系統  

      在了解儲氣罐，燃料電池堆之后，再來看BMW iX5氫燃料電池車的工作原理，就容易多了。其實，這套BMW iX5氫燃料電池車獨特的驅動系統有那么一點兒“增程”混動的意思。氫燃料電堆類似于內燃機，儲氫罐相當于油箱，氫氧電化學反應發電相當于內燃機的“燃燒”發電。

      但不同之處在于，通過氫燃料電堆產生的電能，直輸電機驅動行駛。在此過程中，燃料電池也會為動力電池充電，但是動力電池容量比較小，緊急情況下例如儲氫罐壓力不足無法供氣時，可以支持10-15km的純電續航。那么，動力電池為什么不能做的更大一點呢？想來，寶馬還是希望這款氫燃料電池車體現氫能方面更純粹一些。由于燃料電池只能放電無法充電，制動過程回收的電和車輛怠速時“電堆”發出的電,都會儲存在動力電池中。

      燃料電堆可連續輸出125千瓦（170馬力）動力，但總輸出功率為295千瓦（401馬力）。這個疑惑不難解，BMW iX5氫燃料電池車獨特的驅動系統集成了氫燃料電池技術與第五代BMW eDrive電力驅動技術，將電動機、減速器和控制器等集成一體。所以，燃料電堆與動力電池的輸出電壓雖不相同，但需要調節電壓和功率分配的DC-DC轉換器也都整合在一起。

      當面對需要大扭矩澎湃動力的駕駛需求時，燃油電池系統與動力電池就會共同給電機輸出電力進行驅動。因此，實際駕駛BMW iX5氫燃料電池車，扭矩需求與純電車型其實無異，同樣召之即來，來之到頂。

  5.補能方便嗎？

      中國現有超過350座的加氫站，但還沒有乘用車專屬的補能氫站，事實上是一個主要用于商用車、卡車、貨車，未來也可以用于乘用車的綜合補能站。這也是和氫能當前整體發展客觀匹配。畢竟即使采用太陽能制氫，再處理、壓縮、運輸，最后大約會有一半能量被浪費掉。氫能發展還沒到摁下補貼加速器的時刻。

      因此，只有等到壓縮氫氣、制造氫氣的成本降低有了進一步工程突破，氫燃料規模化后選擇管道運輸，就有可能和充電站一樣立刻鋪開來。在這個問題上，作為工程化思維的寶馬集團經過測算認為，同時新建補氫與補電站兩種基礎設施一體更經濟，這也是他們對于氫能應用長期跟蹤下來的判斷。同樣地，輸送天然氣的管道與船舶都可以稍加改裝符合氫能源產業要求。尤其，寶馬集團扎根中國，對中國工程基建狂魔有足夠的信心。

      另外，一個來自中國國情的問題，儲氫罐能否發展快換模式？Dr.Juergen Guldner這樣回答到：考慮到很多安全因素，暫時不會考慮提供快拆快換這項服務。因為儲氫罐與管道，以及接口的連接要確保足夠的安全性。即便是要拆換部件，也是需要氫氣加注站的基礎設施才能做到這一點。

   最 后   

      對比來看，純電動汽車已經是一個會走路的孩子了，而氫燃料電池汽車還是一個襁褓中的嬰兒。寶馬認為未來出行將并存不同驅動系統，而氫燃料電池汽車是電力驅動系統的一個重要補充。寶馬優先將BMW iX5氫燃料電池優先帶來中國市場，有著更為長遠的布局考慮。

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