一文讲透宝马为进博会带来的BMW iX5氢燃料电池车究竟如何？

   前 言   

      11月5日—10日，第六届中国国际进口博览会在上海举行。作为连续6年参展的跨国车企，宝马集团携五款新能源产品亮相，这其中，就有首次亮相进博会的BMW iX5氢燃料电池车。

      BMW iX5氢燃料电池车集可持续理念、技术创新与世界级的工程设计合而为一，展现了宝马在电力驱动技术领域的领先研发实力。该车总输出功率可达295千瓦（401马力），其中，高性能燃料电池可连续输出125千瓦（170马力）的电能，6秒内可完成百公里加速。在WLTP工况下，最大续航里程可达504公里，储氢罐充满仅需3-4分钟。今年宝马在多个国家的测试证明氢燃料电池车在不同天气和地理情况下均有着不俗表现，验证了氢能源作为未来电动出行领域重要选择之一的技术可行性。

   氢能，行吗？ 

      在详细介绍BMW iX5氢燃料电池车之前，还是不得不从氢能相关的一些基础认知谈起。对于广大消费者来说，一谈及氢能，总跟一些车企抢专利，以及宏大的“碳排放”等新闻结合一处，很难落到眼见为实的平常生活中，有距离感。并且，公众对于氢能科普常识、氢燃料电池研发从工程化到产业化都缺乏了解。

      让我们先来做一番梳理。

  1.为什么总提氢能  

      首先，尽管近些年来绿色能源如太阳能、风能有了长足发展，然而尚无法扭转全球能耗80%仍靠化石能源的局面。其次，《巴黎协定》提出温控目标“将全球平均气温较前工业化时期上升幅度控制在2℃ 以内，并努力将温度上升幅度限制在1.5℃ 以内”。严峻形势下，条条大道通罗马，任何有利于节能减碳与降低温室气体排放的技术与商业化探索，都应给与支持。例如传统化石能源的碳捕获与封存技术的发展，以及像氢能的开发利用。

      正如宝马集团董事长齐普策在“2023世界新能源汽车大会”上的致辞：“应对气候变化需多路径并进”。

      氢氧燃烧没有碳排放，生成水，没其他污染物，尤其是温室气体。同时燃烧1kg的氢释放出的热量是汽油的3倍，能量转化效率高达83%。因此，氢能作为理论上一种比较理想的清洁能源，多年来科学界与产业界一直攻坚，这是必然。宝马集团在氢能源动力系统研发领域已深耕40余年，并累积了超过20年的氢燃料电池技术研发经验；而BMW iX5氢燃料电池车正是其系统性推动氢动力技术发展的集大成者。

  2.氢能怎么获取  

      对于氢能利用的探索，并非平地起高楼。一直以来，利用现有的汽柴油能源工业基础，通过一系列对采集、制备、运输、存储全链路改造，产业界跃跃欲试。例如在使用终端，宝马集团2007年以（E65）760Li豪华轿车为蓝本打造的“Hydrogen 7”氢内燃机车型，对发动机的供油系统、火花塞、内部密封部件加以改装即获实现。

      既然有了不错的工程示范落地，却为何始终没能实现大规模商业化呢？这就需要从氢的特性谈起。

      氢在空气中并不会一点就燃，而是需要混合浓度处于4%-75%之间，太低或太高都不会燃烧。但由于其质量低，氢气比其他较重的气体更易逃逸地球重力，所以在地球大气中的含量极低，只占大气总体积的百万分之一，故地球和地球大气层中的游离氢很少。但氢很容易和大部份非金属元素形成共价键，所以地球上大部份的氢都以分子的形态存在，比如水是氢的“仓库”。水中氢的质量分数为11%，也因此，电解水制氢技术路线一直充满诱惑力。

      然而，电解水的“电”的确是可以通过绿色的太阳能、风能、核能来实现，但如上所述，大都还是来自化石能源。虽然业界有尝试用光来解水制氢，但目前无论光催化剂的研发还是工程化，都还停留在实验室阶段。当下氢能获取三条途径中，“绿氢”小荷才露尖尖角。另外两条，灰氢（是指通过石油、煤炭燃烧产生氢气）与蓝氢（指的是通过天然气特殊制成氢）是培育氢能产业发育的拐杖。

      这样看来，先不谈存储，运输，光在氢能的第一道“绿氢”制备环节，目前就是很难逾越的卡点。而氢能的产业链又很长，每个环节又有很多种技术方案在探索论证。这就导致氢能被视为科学问题，还称不上工程问题，没法像锂电池产业那样早六七年前就可以预估未来成本下降的规模节点。

      既然氢能现况如此，为什么加氢站和氢燃料电池车的进展去没停下脚步呢？

      一句话，在国家层面，顶层设计认为氢能有长期价值。

  3.氢能怎么利用  

      虽然氢的制备环节暂无太大突破，但风光等能源转化成氢能，因其化学性质稳定，又没有储存容量限制，打造氢能产业化，相当于增加了一批容量巨大且稳定的储能终端。无论液态氢、固态氢，在能源体系里被视为“充电宝”用。

      日前发布的《中国氢能源及燃料电池产业发展报告2022》披露，当前世界各国持续发布氢能规划政策，支持推进力度不断加大。截至2022年底，包括美国、德国、日本在内的共41个国家和地区制定发布了国家级氢能发展战略。2022年，中国氢气产能约4882万吨/年，同比增长约1.2%；产量约3533万吨/年，同比增长约1.9%。可再生能源制氢项目加速推进，且可再生氢产能倍增，现有加氢站建设已超过350座。

      再从宏大的背景叙事回到商业现实，同为新能源产业，氢能行业暂时还没拿到当初发展风电、光伏发电时那样的巨额政策刺激，氢能源车产业也同样没有获得锂电动车起步时的超高补贴待遇。这其实反映了顶层设计的几点思考：第一，新能源起步阶段，市场补贴乱象值得警惕，尚需更完善的制度设计。第二，氢能源的制备、存储、运输、使用全链路都还没有明确的商业化模型，现况不适宜用刺激政策促成发育，有拔苗助长之嫌。第三，氢能的使用与推广被市场证明是受欢迎，安全可控地。需要像推出BMW iX5氢燃料电池车的宝马集团那样，头部企业躬身入局。否则，仅凭一些初创公司、小公司掀不起大浪；想去撬动全产业链，几无可能。

      也许会有人质疑，锂电池车不就是新势力带头冲起来的吗？但别忘了，正是汽车行业多家头部企业多年来不断尝试电动车型工程化，就像宝马教宁德时代如何做电池模组（不展开引证赘述了），才打下了今天电动车产业化的前提基础。

      那么，这一次亮相进博会的BMW iX5氢燃料电池车算氢能产业应用的一款前瞻概念之作，还是已落地成型呢？

  BMW iX5，行吗？

      结合上述氢能产业发展的现状，以及一家企业能坚持在氢能赛道持续40年的研发关注，充分说明宝马集团在氢能上，不是一个机会主义者。

      其次，宝马集团的投入也源于其自身较强的工程能力。利用好现有资源，无需抛开体系另起炉灶。就像宝马集团氢燃料电池技术及汽车项目负责人Dr.Juergen Guldner表示的那样：“宝马的战略是尽可能在动力总成系统上具有高度的灵活性。现有的架构是通用的，可以实现燃油车、柴油车、插电混合动力车和纯电汽车的共线生产，适应不断变化的客户需求”。

      因此，在他看来氢燃料电池技术作为一项新技术起初成本预估虽然比较高，但未来会显著下降。“第一，这项技术本身原材料使用量少，未来的成本主要来自于制造环节。第二，很多燃料电池系统里使用的零部件，是现在内燃机系统已经在使用的，规模化生产会降低价格。比如在车辆上安装的传感器、空气压缩机、进气口、冷却系统等。第三，燃料电池技术可以用于多个应用场景，不仅是乘用车，还包括卡车、货车、飞机，技术相似零部件也非常相似。同样容易实现量产，实现规模经济效应，促使成本下降”。

      按照这个说法，BMW iX5氢燃料电池车到底算一辆氢能直驱车型，还是一辆纯电衍生车型呢？借这个问题，接下来详细谈谈BMW iX5氢燃料电池这款车型。

  1.氢内燃机与氢燃料电池两者关系？ 

      正因为BMW“Hydrogen 7”氢内燃机车型声名在外，时至今日，仍有很多人将BMW iX5氢燃料电池车误解为带氢罐的燃气车。其实早在15年前宝马就已停止了氢动力内燃机项目，转为氢燃料电池的技术开发上来。这里面有两个原因。第一，氢气动力内燃机效率比燃料电池要低，同样容量的储氢罐，氢燃料电池车能够支持500公里续航里程，而氢内燃机车只能支持300公里。第二，氢燃料电池车能够采用通用的架构与纯电车型那般共线生产，易于今后规模量产。

      举个例子，据外界报道宝马正在研发一种扁平而非圆柱形的新型储氢罐。目的很明确，希望能像电池模组那般布置在车身下方前后轴之间。不仅为座舱舒适性设计提供便利，也着实可以实现与纯电车型共线生产。当前的BMW iX5车型试点，其实也不难，是从燃油车的架构延续下来的，可以看到储氢罐处在车辆的中部，原来的变速箱差不多的位置。

  2.氢罐安全吗？ 

      氢气很轻易逃逸，且难转换液化。因此，氢气罐的压力一般要做到大气压的700倍。难以想象，这是常见普通液化气罐的18倍，医院的钢瓶高压氧气也只有150个大气压左右。可想而知，对于存储氢的罐体强度要求很高。另外，氢的渗透能力很强，可以通过罐体内壁，往外渗漏扩散，这就要求罐体材质要选用特别耐受的金属。但，氢还容易与一些金属发生反应，比如钛合金。虽然它在各种影视剧里当盾牌神乎其神，但它就是怕氢气，一旦和氢气结合之后，就会变脆，不堪一击；这也便是我们常说的“氢脆”现象。

      为了越过这个技术卡点，Dr.Juergen Guldner就表示所有跟氢气发生接触的材料，宝马都会在材料实验室做测试，确保不会发生氢脆的现象。

      而测试经理Dr. Timo Christ介绍地更为详细：BMW iX5氢燃料电池车储氢罐其实是碳纤维增强复合型材料，内层含有一层塑料，即便是要用到钢的材料也是用了实验室经过验证的不锈钢与其他的特种钢。目前，在已知范围内的氢燃料电池车的储氢罐大多数都用这种材料，也就是四类罐。最内层为高分子聚合物，中间层为碳纤维，外层为玻璃纤维，并且在中国市场就可以买得到。

      这当然也预示了在氢能赛道，中国制造业的体系优势。另一方面也说明，我们从成本优势往“标准”优势上转型。

      中国法规要求更加严苛一些，要求储氢罐最高承压中国的法规是正常压力的2.25倍（对比欧洲是2倍），也就是700巴的2.25倍。宝马未来当然要以满足更高的中国市场标准作为目标。

  3.氢燃料怎么“燃”？ 

      切勿望文生义，是氢气、氧气在电池包里燃烧。一句话，氢燃料电池工作过程根本不靠点燃，而是一个电化学过程。

      其工作原理是给燃料电池的负极提供氢气，正极提供氧气，然后在正负极之间加一层膜。在催化剂(铂)的作用下，氢原子外层的电子会游离出来，变成电子+氢离子。而那层膜是很特殊的，只有氢离子可以通过，电子会被挡在膜外。由于氢离子实际上就是质子，所以那层膜也叫“质子交换膜”。相应来说，BMW iX5应称之为氢质子交换膜燃料电池车。

      质子交换膜，一般由双极板与交换膜构成。不过，由于单一层膜左右两侧的压差比较小，通常只有0.5V-1.0V，因此需要将正负极夹着一层膜的结构叠加几百层，从而获得更高电压。这一堆叠上百个膜电极的结构，也就是“电堆”。

      为了保证催化剂(铂)的活性，电堆工作温度一般在90摄氏度左右，这要比燃油发动机工作温度低很多。综合来看，结构简单，工作温度低，对比锂电池包的保养维修要容易得多。在这一过程中，化学能转化为电能的效率可以达到80%，比内燃机40%的效率高出一倍，确实潜力巨大。

  4.驱动系统  

      在了解储气罐，燃料电池堆之后，再来看BMW iX5氢燃料电池车的工作原理，就容易多了。其实，这套BMW iX5氢燃料电池车独特的驱动系统有那么一点儿“增程”混动的意思。氢燃料电堆类似于内燃机，储氢罐相当于油箱，氢氧电化学反应发电相当于内燃机的“燃烧”发电。

      但不同之处在于，通过氢燃料电堆产生的电能，直输电机驱动行驶。在此过程中，燃料电池也会为动力电池充电，但是动力电池容量比较小，紧急情况下例如储氢罐压力不足无法供气时，可以支持10-15km的纯电续航。那么，动力电池为什么不能做的更大一点呢？想来，宝马还是希望这款氢燃料电池车体现氢能方面更纯粹一些。由于燃料电池只能放电无法充电，制动过程回收的电和车辆怠速时“电堆”发出的电,都会储存在动力电池中。

      燃料电堆可连续输出125千瓦（170马力）动力，但总输出功率为295千瓦（401马力）。这个疑惑不难解，BMW iX5氢燃料电池车独特的驱动系统集成了氢燃料电池技术与第五代BMW eDrive电力驱动技术，将电动机、减速器和控制器等集成一体。所以，燃料电堆与动力电池的输出电压虽不相同，但需要调节电压和功率分配的DC-DC转换器也都整合在一起。

      当面对需要大扭矩澎湃动力的驾驶需求时，燃油电池系统与动力电池就会共同给电机输出电力进行驱动。因此，实际驾驶BMW iX5氢燃料电池车，扭矩需求与纯电车型其实无异，同样召之即来，来之到顶。

  5.补能方便吗？

      中国现有超过350座的加氢站，但还没有乘用车专属的补能氢站，事实上是一个主要用于商用车、卡车、货车，未来也可以用于乘用车的综合补能站。这也是和氢能当前整体发展客观匹配。毕竟即使采用太阳能制氢，再处理、压缩、运输，最后大约会有一半能量被浪费掉。氢能发展还没到摁下补贴加速器的时刻。

      因此，只有等到压缩氢气、制造氢气的成本降低有了进一步工程突破，氢燃料规模化后选择管道运输，就有可能和充电站一样立刻铺开来。在这个问题上，作为工程化思维的宝马集团经过测算认为，同时新建补氢与补电站两种基础设施一体更经济，这也是他们对于氢能应用长期跟踪下来的判断。同样地，输送天然气的管道与船舶都可以稍加改装符合氢能源产业要求。尤其，宝马集团扎根中国，对中国工程基建狂魔有足够的信心。

      另外，一个来自中国国情的问题，储氢罐能否发展快换模式？Dr.Juergen Guldner这样回答到：考虑到很多安全因素，暂时不会考虑提供快拆快换这项服务。因为储氢罐与管道，以及接口的连接要确保足够的安全性。即便是要拆换部件，也是需要氢气加注站的基础设施才能做到这一点。

   最 后   

      对比来看，纯电动汽车已经是一个会走路的孩子了，而氢燃料电池汽车还是一个襁褓中的婴儿。宝马认为未来出行将并存不同驱动系统，而氢燃料电池汽车是电力驱动系统的一个重要补充。宝马优先将BMW iX5氢燃料电池优先带来中国市场，有着更为长远的布局考虑。

原文始发于微信公众号（汽车华尔街）：一文讲透宝马为进博会带来的BMW iX5氢燃料电池车究竟如何？