氢动力的未来

编译 ｜ 杨玉科

编辑 ｜ 葛帮宁出品 ｜ 帮宁工作室（gbngzs）

去年，当丰田章男（Akio Toyoda）将一辆氢动力试验车卡罗拉开上赛道的时候，他兜售的氢发动机概念就像荒野中一声孤独的呐喊，淹没在这个正为纯电动汽车发狂的行业。

一年后的今天，丰田汽车在供应商世界里找到了意想不到的盟友。

美国涡轮增压巨头博格华纳和日本活塞环专业公司理研（Riken Corp．）都在追求清洁内燃机。近期，这两家公司都加快技术开发步伐，以在未来发动机中燃烧零排放的氢气，而不是污浊的汽油，不是氢燃料电池，而是用氢代替汽油的内燃机。

越来越多的公司对这个想法表示欢迎。博格华纳正在为氢发动机推出全系列零部件，包括喷油器、轨道系统和电子控制单元。今年，它甚至还赢得氢动力领域第一份合同——向一家欧洲建筑设备制造商提供新设备。

理研公司去年成立一个新部门，以打入氢发动机零部件市场。今年5月，它在日本的一家工厂开设了氢发动机评估中心。

自从丰田章男坐到卡罗拉氢动力赛车方向盘后，尽管孤军奋战，但丰田汽车一直积极倡导氢燃烧技术。过去一年来，丰田章男驾驶燃烧氢气的卡罗拉参加过许多比赛，最近还驾驶一辆氢动力雅力士参加了比赛。

丰田章男认为，人类的敌人是碳，而不是内燃机。但在此前，他的理念在全球投入数千亿美元的可插电式电动汽车行业中，几乎没有得到什么支持。

▍问题不在于内燃机，而在于碳

氢内燃机其实无碳。它还有一个额外优势，可以利用现有发动机技术，以及开发和交付这些技术的供应商和工人组成庞大全球网络。对博格华纳或理研这样专注于内燃机产品的公司来说，氢有望更无缝地过渡到碳中和的未来。

博格华纳日本公司区域经理兼燃料系统总工程师汉斯·哈达姆（Hans Hardam）认为，问题不在于内燃机，而在于碳。

他的观点与丰田章男几乎完全一致。作为全球最大汽车制造商掌门人，丰田章男没有放过任何机会来支持公司理念——清洁内燃机与电动汽车和燃料电池汽车一样，在碳中和策略中同样可行。

事实是，其他几个汽车厂商也在钻研氢燃烧技术，如戴姆勒集团和曼公司，发动机制造商康明斯和动力系统专家李斯特（AVL）。

雅马哈正在研究氢动力在摩托车和全地形汽车上的潜在用途。今年早些时候，雅马哈研制了一款5．0升V8氢动力发动机——基于雷克萨斯RC F运动轿跑中使用的丰田动力系统。

劳斯莱斯的目标更高。它正与英国易捷航空（easyJet）合作，在飞机上安装氢发动机。

在地面上，氢内燃机支持者看到建筑、农业或海洋应用的卡车，和其他重型车辆上早期商业化的潜力。氢密度使其成为比电池更好的柴油替代品，长时间重载的卡车不需要不切实际的、沉重而昂贵的电池组。

除重型车辆上的初步部署外——这些车辆自重很重，而且通常用于运送重型货物，博格华纳也希望在SUV和皮卡上有所应用。他们相信，氢动力在跑车和越野车等利基市场上也有机会。

博格华纳从事氢燃烧研究已有十年，在欧洲建有两个开发中心，其中一个在法国的布洛瓦，另一个在英国的吉利厄姆。哈达姆透露，与客户的讨论近几年才开始。

对博格华纳和理研公司这样的老派内燃机企业而言，氢内燃机前景缓解了向纯电动未来可能出现的不和谐转变。

在理研公司看来，汽车零部件行业正面临百年一遇的大变革，需要进行重大改革。“我们将最大限度地利用90多年积累的发动机专业知识，将氢发动机作为实现脱碳的新一代发动机进行开发。”

在脱碳方面，供应商也面临压力。博格华纳承诺在2035年前实现碳中和，并将氢内燃机视为通过调整现有技术来缓解未来的一种方式。 “日本汽车行业有550万人，我们希望避免行业结构变化过快，这就是为什么日本制造商正在考虑替代燃料的原因。日本整车厂非常重视碳中和。”博格华纳莫尔斯系统日本公司总经理三岛邦彦（Kunihiko Mishima）说。

博格华纳原始设备零部件2021年销售额接近140亿美元，企业希望借助在涡轮增压器、喷射器、燃料导轨、温度传感器和EGR系统方面的现有专长实现碳中和。此外，他们还看好氢发动机控制单元和软件模块的潜力，这些模块可以调节燃料箱中的氢气压力。

为实现动力和排放的最佳平衡，氢发动机尤其需要涡轮增压器。在燃烧方程中，氢比燃油需要更多空气，而且需要在较稀薄的一面运行以抑制温度。博格华纳预测，相对于燃油，氢拥有更高热效率潜力。

虽然这些系统事实上是零碳的，但它们会从燃烧掉的润滑剂中释放出微量的碳，因此，它们其实并非零碳。与柴油一样，氮氧化物是主要挑战。

博格华纳认为，氢内燃机是2035年实现碳中和目标的重要工具。与丰田汽车一样，博格华纳将氢燃料系统视为实现更绿色未来的混合方案的一部分。小型乘用车可能会更屈从电动汽车，而氢燃料电池最终将成为更主流的选择，但氢内燃机会填补某些空白。

▍鸡尾酒式解决方案

虽然氢内燃机技术使现有发动机成本增加30％，但因为建立在成熟技术基础之上，它仍然比电池和燃料电池便宜。而且供应链已经存在，氢内燃机可以比下一代电池和燃料电池堆更快推向市场。

支持者认为，与燃料电池相比，氢内燃机成本更低、更可靠、更耐久，但在效率上略落后于前者。与纯电池动力系统相比，氢内燃机在冷热环境和重载条件下表现更好。

由于氢内燃机是一种新兴利基技术，很难预测其长期市场渗透率。博格华纳预计，氢内燃机最终将占重型汽车和设备行业20％～30％。哈达姆表示，还有很多未知因素，但这个市场潜力很大。

利用现有内燃机技术是博格华纳等老牌供应商的关键，但即便是在寻求产品组合多样化的同时，它也没有忽视向电动汽车转型。去年，博格华纳全球营收不到3％来自电动汽车相关产品，它希望将这一比例在2025年增加到25％或更多，在2030年增加到45％。

博格华纳有一长串新产品目标清单，包括电驱动电机、逆变器、车载充电器、DC－DC转换器和电池组控制器等。

“动力系统会更多样化，这是一种鸡尾酒式的解决方案，取决于市场、区域、企业政策和政府政策。”哈达姆说。

博格华纳日本业务规模很大，拥有两家工厂、一个技术中心和工程办公室网络，为几乎所有日本大型汽车制造商服务。它还与日本转向和轴承制造商恩斯克（NSK）成立了一家合资企业。

博格华纳在日本从制造发动机和传动链开始，现在制造各种与发动机相关的零部件，包括正时链、链轮和可变凸轮正时系统等。

但博格华纳研究氢内燃机的动因，并不仅仅是与丰田汽车做生意。它旨在寻求技术本身的优点，其主要研究中心在欧洲，客户不仅来自日本，还来自韩国、欧洲、中国和美国。

哈达姆解释道，这不仅仅是一项日本人或者丰田汽车的行动。

▍氢燃料电池的潜力

虽然乘用车行业正卖力让消费者相信，氢燃料电池汽车在日常交通中将占有一席之地，但是，首先看到这项技术巨大潜力的是卡车制造商。

戴姆勒卡车技术主管安德烈斯·戈尔巴赫（Andreas Gorbach）在2022年国际汽车工业协会运输大会（IAA Transportation 2022）上说，这是一个化学问题，没有任何一种电池化学物质能超越氢气储存的能量。

“假设取电化学差异最大的元素，得到最高的能量、最高的电压和最高的能量密度电池，都无法与氢媲美。”戈尔巴赫补充道，即使有重大突破，电池的化学反应也只能达到氢能的1／30，没有任何元素可以与氢竞争。

可以肯定的是，在氢燃料电池卡车开始取代柴油牵引车之前，仍有重大障碍要克服，因为几乎没有燃料基础设施。现有氢供应链无法支撑成千上万辆卡车。

此外，加氢精制过程也不清洁，违背了零尾气排放汽车的初衷。该行业必须加大利用太阳能、风能和其他可再生能源生产氢气的力度，以实现绿色承诺。

戈尔巴赫担心，基础设施的瓶颈会阻碍行业发展。在一些区域和国家禁止使用柴油发动机的情况下，卡车运输公司没有最佳选择。

戴姆勒在开发燃料电池卡车的同时，也在继续进军纯电动卡车市场，它在IAA运输大会上发布一款采用新型电池化学结构的欧洲车型。戴姆勒卡车首席执行官Martin Daum告诉Automotive News，这款卡车的动力系统和电池化学成分，将在几年内应用于美国公路上的货运车。

IAA运输大会焦点集中在先进的运输技术上——电动电池和氢燃料电池车型。戴姆勒卡车、沃尔沃、比亚迪、依维柯，以及几乎所有其他8级卡车制造商，都将电动牵引车放在展台最前面和最中间。在法兰克福会议中心，他们把柴油车型停在次要位置，或外面大厅之间的人行道上。

戴姆勒卡车是一家独立卡车制造商，2021年12月从戴姆勒集团中分拆出来，它在多个IAA会议上宣传氢燃料电池。参观戴姆勒卡车主展台的游客，可以登上这辆安静又平稳的GenH2燃料电池概念车。戴姆勒卡车还展示了Cellcentric（与沃尔沃集团各持一半股权的合资企业）开发的最新一代燃料电池组。

因受企业逐步淘汰柴油运输时间表的影响，在新闻发布会和采访中，Daum带着紧迫感的语气讨论了氢技术。“我们生活在碳经济中，碳使世界升温……这不是我们想要生活的世界。”Daum说，在美国长途运输中，燃料电池动力系统是柴油发动机的合理替代品，燃料电池动力系统利用氢气发电来驱动马达。

燃料和动力系统的重量比电动卡车行驶同样距离所需重型电池要轻，更轻的重量使运输卡车可以装载更多货物。此外，燃料电池卡车的加油速度与内燃机卡车差不多，从而免除了司机充电延迟的问题。

沃尔沃希望燃料电池技术能更好地用于长距离和极端负载。其全球产品管理主管杰西卡·桑德士托姆（Jessica Sandstr?m）说：“我们知道，这将在很大程度上取决于基础设施，以及绿色氢气和绿色电力的可行性。”

沃尔沃正在测试燃料电池电动卡车，每加一次燃料可以跑大约600英里。其计划在2025年，让欧洲客户测试这种卡车，并在未来几年扩展到美国和其他市场。

尼古拉公司已经在美国测试一款燃料电池半挂车。在IAA运输大会上，它推出了面向欧洲市场的一款车型，并计划在亚利桑那州的柯立芝工厂进行商业生产。尼古拉总裁Michael Lohscheller告诉Automotive News，这款车明年下半年将在美国上市，后年将在欧洲上市。

目前，针对客户的测试项目正在帮助尼古拉改进最终产品。尼古拉还在建设一个燃料基础设施，首先在长滩港建设一个燃料站，接着在靠近南加州主要配送中心的科尔顿和安大略省，建设另外两个燃料站。

“我可以卖给你一辆卡车，但不能让你靠运气找到氢气，我必须确保能给你提供氢气，我们需要把这些东西结合起来。”Lohscheller说。

其他公司也在现实条件下测试燃料电池卡车。

丰田汽车与肯沃斯公司（Kenworth）合作，将10辆柴油驱动的8级卡车改装为燃料电池卡车，用于南加州一个试点项目。该项目证明，燃料电池卡车性能可以与用于拖运的柴油半拖车媲美。拖运专门指货物从港口运往地区目的地的运输。

丰田汽车北美公司发言人乔希·伯恩斯（Josh Burns）说，货运卡车主要运行本地路线，行驶距离不是很远，所以，其重点是满足或超过货运路线的基线需求。

该项目的成功使丰田汽车相信，向卡车制造商出售零排放技术大有市场。明年，他们将在肯塔基丰田汽车制造公司建造一条专门生产线，为重型商用汽车组装双燃料电池模块。

他们还计划为洛杉矶地区的零部件供应场保留几辆燃料电池卡车的原型车。

有企业正在探索燃料电池在城市包裹递送和交易中的应用。现代汽车集团和依维柯集团在IAA运输大会上，发布eDAILY燃料电池电动汽车——搭载依维柯大型货车的燃料电池系统。

尽管这款货车的目标是欧洲市场，但它展示了汽车制造商如何将为乘用车开发的零排放技术用于大型商用车。丰田／肯沃斯8级卡车搭载的是，为丰田Miri轿车设计的燃料电池堆。

戈尔巴赫认为，氢技术的进步表明，交通运输正在摆脱一个内燃机为乘用车、卡车、建筑设备和几乎所有其他移动用途提供解决方案的世界。

桑德士托姆对此表示赞同。他说，我们需要为一切做好准备，因为没有适合所有人的灵丹妙药。

（本文部分内容综合Automotive News报道，部分图片来自网络

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