氢能源车，一次日本式的失败冒险

来源：远川研究所



2018年5月的中国总理访日之行，除了中日韩领导人会议、会面天皇这些常规活动，总理还在5月11号专程前往位于北海道的札幌，和安倍晋三一块参观了丰田在当地的一个零部件工厂。
札幌的工厂主要生产无级变速器（CVT），但当天的主角其实是丰田的氢燃料电池车“Mirai”，在日语中的意思是“未来”。



丰田Mirai
Mirai是丰田在2014年底推出的量产型氢能源车，被当作接棒混动车普锐斯的主力产品。由于氢燃料电池车在行驶中只排出水，因此被视为新能源车的“终极方案”。
不过，马斯克显然不认同这一点，Mirai公布后，他将“燃料电池（Fuel Cell）”讽刺为“傻子电池（Fool Cell）”。并称，“氢燃料适合火箭，但不适合汽车”。
放在2014年，Mirai其实是个技术杰作，不仅在续航里程（500公里）上超过当时的Model S（470公里），售价（58000美元）也远低于后者（91000美元），并且加氢速度远远超过充电。考虑到当时特斯拉饱受质疑，氢能源车是个极具竞争力的方案。
2015年10月21日，Mirai在美国加州开售，丰田专门把时间选在了电影《回到未来2》中30年后“未来”的时间点，但Mirai和整个氢能源车的走向却远远没能达到丰田的预期。
在中国总理参观丰田工厂的一天前，特斯拉（上海）有限公司在上海成立，中国产Model 3在次年1月拿到了“中国绿卡”。整个2019年，特斯拉在中国交付了3.4万辆Model 3，纯电车在中国市场卖出了73万辆。
而直到今天，全球所有氢能源乘用车销量还不到5万辆[1]。
两种技术路线胶着时期，很多公司都布局了氢能源车，丰田和日本人是走的最快的，最激进的，也是后来摔得最惨的。
01 技术的陷阱
氢能源车不仅是丰田的豪赌，也是日本的豪赌。
日本对氢燃料电池车的系统性探索始于2008年前后，并在2013年通过《日本再复兴战略》确立了氢能源车的地位。后续的一系列政策表明，日本把氢能源车视作燃油车唯一的替代方案，并力图在2050年实现氢能源车的全面普及。
在当时看，氢是最适合日本的一条技术路线。
日本国内资源极度匮乏，其中就包括锂电池的关键材料锂、镍和钴。氢能源车虽然也需要稀有金属，但主要消耗的是电，日本彼时大力发展的核能可以解决这个问题。在日本政府的构想中，氢会帮助日本实现能源自主。
氢能源车是撬动它的杠杆，丰田则是开路先锋。Mirai是个昂贵的赌注，它要么成为汽车业的未来，要么成为反噬日本汽车工业的技术陷阱。
2014年底，Mirai正式开售，仅1个月订单就达到1500辆左右。日本政府的补贴政策非常激进，单车补贴高达10万元人民币。但Mirai的最大市场其实在美国，2015年进入美国市场后，Mirai一度“形势一片大好”，2017年，Mirai在美国卖出了接近2000辆，但此后逐年下滑。2019年，韩国现代的氢能源车Nexo在美国上市，年销数百辆。
考虑到售价贵得多的特斯拉Model S在2015年就卖出了25000多辆，Mirai的成绩实在有些微不足道。



Mirai的氢气罐
和纯电车相比，Mirai使用的氢能量密度更高，加氢也非常快，但氢能源车依然有很多技术问题：
首当其冲的是氢的转化效率：从电解水制氢，到氢的压缩储运，再到转化为电能驱动车辆，这个过程中的损耗高达72%，而锂电池的损耗只有20%[2]。
按照宝马的说法，氢能源车的能量利用效率只有纯电车的一半[3]。而如果用蒸汽重整（steam reforming）方式制氢，由于原料来自石油，反而会排放大量二氧化碳。



图片来源：the conversation
而在实际运行中，加氢站满街都是，3-5分钟加满氢只存在于想象中，原因是太贵了。
日本计划到2020/2030年建设160/1000个加氢站，截至2021年底，已建成的有160个，集中在东京、大阪、名古屋等大城市。日本加氢站的建设成本约为5亿日元（2600万人民币），2020年之前，日本政府会报销一半的建设费用[4]，但成本还是太高。
氢气此前多用作工业气体，其监管标准几乎是为大型化工厂量身打造的，放在加氢站上就是高成本问题[4]。
比如，加氢站周边必须有足够的空旷地带，带来了额外的土地成本。由于氢的物理属性，加氢站必须用一种特定钢材。站点主管必须有处理氢气或其他高压气体的工作经验，还要负责保存购买燃料的记录，离自助式的加油站差的很远。
按照测算，在日本，每个加氢站每年需要给900辆车服务才能盈利。按照日本政府原本的规划，2020年日本的氢能源车数量会达到4万辆，但实际上只有4000多辆[5]，加氢站盈利希望渺茫。
在美国，氢能源车遇到了同样的问题。
美国对氢能源的探索其实非常早，2004年，主政加州的施瓦辛格在任内推动加氢站建设，但在奥巴马政府时期又开始下滑。2015年Mirai进入美国市场，加氢站建设再次起步。但直到现在，美国的加氢站也没有超过100个，而且几乎全都在加州。
2013年接任加州州长的杰里·布朗曾制定了一个2020年-100座的目标，至今也未实现。



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宝马公司官方的一篇文章中说：我们在氢燃料电池方面存在先有鸡还是先有蛋的问题。加氢站网络密度不够，就无法带动氢能源车的大规模生产和销售。但没有产量和销量，加氢站运营商也没有扩张的动力[3]。
纯电车似乎也会遇到充电桩密度的问题，但即使是在电动车渗透率非常低的美国，充电桩的建设速度也远远超过了加氢站。



图片来源：美国能源部
02 孤独的冒险
无论氢能源车本身有多么环保，以储存和运输构成的氢能供应链都非常脆弱。
2005年，和石油业联系紧密的布什政府曾推出了一个雄心勃勃的氢能供应基建计划——由制氢工厂、运输枢纽和加氢站组成的网络遍及全美。但时至今日，这个计划的完成度甚至不到10%，属于典型的逻辑性感，结果骨感。



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由于氢的物理特性，氢必须高压储存，但即便如此，每次运载量也非常有限。考虑到氢气的沸点是-252.87 ℃，让液化氢大规模运输显然不太可能。相比充电桩的就地取电，直到现在，储存和运输依然是氢能源车产业化的最大问题。


种种因素导致，即便氢能源车和加氢站可以依靠财政补贴强行拉低成本，但脆弱的供应链让综合成本依然居高不下。
2021年，磷酸铁锂电池成本大概为0.65元/Wh,，三元锂电池则为0.9元/Wh，而氢燃料的平均成本依然在2元/Wh以上。至于使用成本，即便是补贴后的价格，也远远高于电费。
氢能源车使用的PEMFC电池非常依赖稀有金属铂，再度拉高了成本。直到今天，很多公司还在探索材料和工艺上的替代方案，但进展寥寥。
2009年，诺奖得主朱棣文执掌美国能源部，他本人当时极度不看好氢能源车，大幅度削减了对氢能产业化的扶持力度，把工作重点放在了和中国拼光伏上，导致美国氢能建设出现了近十年的空白。
2015年，Mirai进入美国市场后，一度让氢能源车重燃希望，但依然无法解决成本问题。
美国已经是Mirai的最大市场，到现在销量还不到一万辆。2019年，美国加州一家名叫Air Product的化工厂发生氢燃料爆炸，一时间造成了加州氢供给短缺。同一年挪威和韩国也发生了类似事故，Mirai本来就不多的销量急转直下。
同一时间，纯电车却在飞速渗透。
2014年6月，特斯拉官方宣布将开放大量专利，这常被认为是纯电路线普及速度快的重要原因。但事实上，“专利开放”只是让其它企业不会被诉讼，而不是公开某项技术的know-how。2015年，丰田也公开了5680项燃料电池车的相关专利，没掀起太大波澜。
一项新技术的普及必然需要足够低的成本，财政补贴只是一种方法，最终还得依靠大规模的量产降低供应链成本。
纯电路线能够胜出，一方面是对终端产品的补贴，一方面在于大量资本投向了产业上游，诞生了一大批百亿千亿市值的零部件和供应链企业，比如LG化学和宁德时代。
伴随电动车的渗透，上游供应链也会在产能扩张的同时大幅降低成本，2014-2018年间，国内锂电池价格从3元/Wh降低到了1元/Wh，已经远远低于氢。
而Mirai的问题是，它的供应链实在太封闭了。
Mirai的燃料电池系统零部件供应商几乎完全来自日本，甚至不少公司就是丰田的子公司。汽车业往往有复杂的客户认证过程，成为认证供应商基本需要2到3年时间。正是由于过程繁琐，车企选定了供应商就不会轻易更换，新企业入行成本很高。


相比特斯拉对供应链的开放程度，丰田只是号召大家一起修一条高速公路，但他自己先建好了10个收费站。
在这种情况下，除了本田、日产、现代几家车企，几乎没有人愿意和丰田一起赌博。美国车企在朱棣文掌舵能源部期间就暂停了大规模的研发，欧洲公司尝试过小规模的合作研究，但没多少上市产品。缺乏终端产品作为开路先锋，氢能源供应链的投资就止步于政府在碳中和目标下的形象工程。
正如特斯拉在公开专利的通稿中描述：我们真正的对手不是特斯拉以外的电动车，而是从世界各地工厂驶出的燃油车。特斯拉不可能依靠自己的生产速度，单枪匹马解决碳排放问题。
2021年6月，丰田的亲密战友本田宣布停产氢能源车CLARITY。这款车在2016年上市，全球累计销量不到2000辆。本田从2013年开始与通用合作，成立了生产燃料电池系统的合资公司。随着CLARITY停产，本田将全面倒戈纯电车。
在声明中，本田说：我们对现有的每一种可能性进行了研究，我们认为氢能源存在一些困难的技术挑战，大约10年内，氢能源车不会成为主流[6]。
03 渺小的成功
氢能源车的另一个旗手是韩国现代，现代的氢能源车型Nexo已经连续三年问鼎氢能源车“销冠”——加起来不到15000辆。
韩国氢能源车遇到的问题是一样的，加氢站的建设成本虽然比日本便宜，但也高达人民币1500万元，这让韩国政府的补贴显得杯水车薪。韩国曾定下2020年114座加氢站的目标，但至今只有不到100座。
2021年，丰田推出了新款Mirai，并再次强调了自己在氢能源车领域的野心，但丰田已经在事实上倒向了纯电路线。




2019年4月，丰田宣布将公开两万多项专利，包括包括混动车、燃料电池车，唯独没有纯电车。丰田普锐斯是迄今最畅销的混动车车型，但由于混动车有两套动力系统，结构复杂，成本高昂，加上丰田严格控制专利，大多数车企只将其视为过渡技术。
对此有媒体评论说：丰田想让大家继续研究混动车，延缓纯电动车的发展速度。



宝马的iX5 Hydrogen
2019年4月，丰田章男来中国走了一圈，去清华大学做了个演讲，成为数不多在清华讲过话的汽车业人士，上一个来清华演讲的还是以越狱著称的日产前CEO戈恩。
在演讲中，丰田章男说了很多自己的中国情结，并称2025年前，丰田将在中国推出10款纯电动车型。
《金融时报》在报道中说：丰田在80年代拒绝了中国的“技术换市场”，把中国白白让给了大众。而在新能源车时代，中国变成了培育新技术的沃土——比如驾驶行为和路况数据，这对于未来开发自动驾驶汽车至关重要[9]。
相比马斯克在紫光阁的神来之笔，丰田章男中国行的成色明显不足。经过了产业政策引导下的大规模投资，中国公司在新能源车上下游的多个核心环节都卡住了身位，丰田并没有太多优势。
氢能源车并没有死亡，在长途运输和重型运输上维持着前进脚步，但这个牌桌跟丰田没什么关系。
在载重货车这个子类里，氢能源较电动反而有比较大的优势，比如更长的续航，更高的载重量，对成本的敏感度也更低，而且卡车可以长期租用不用购买。戴姆勒在终止和本田研发氢能源乘用车的同时，就把重心转移到了重型车辆的开发。
而在这个语境下，会发现日本人并没有领先太多。
在纯电车逐渐退补后，中国的补贴方向也转向了氢能源，《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》中对氢燃料电池补贴做了全面调整，轻型和中型货车大幅下降，重型货车大幅上升，氢能源重卡也在多地试点投放。
美国的战略导向则集中在上游环节，并提出了明确的目标：到2030年使可再生能源、核能和热能转化制造清洁氢能的价格降低 80% 至 1 美元/千克（目前为 5 美元/千克），增加 5 倍清洁氢能生产的产量。
中国和美国都有足够大的单一市场规模，也有足够的财政能力和民间资本去扶持上下游的创新主体，在面对新技术时可以针对多条技术路线全面卡位，哪个路线容易成熟就集中扶持哪个。
但对财政力量不足的经济体来说，产业政策往往面临二选一的困难，每一次押注尚且风险巨大，就更不用说多赛道多次下注。
这是日本的困境：试水纯电，浅尝辄止；发展混动，欧美不理；押注氢能源，未来遥遥无期。
而汽车工业是日本绝对的支柱产业，占制造业销售额的20%上下，在上下游带动了8.2%的就业。放在30年前，日本还有DRAM、面板、消费电子这些足够多的产业可以失去，但今天，不惜一切代价的成本越来越高了。
氢能源是个充满理想主义的技术路线，它的问题不是失败了，而是只成功了一点点。



参考资料
[1] Global Market for Passenger Hydrogen Fuel Cell Vehicles 2021
[2] Hydrogen cars won’t overtake electric vehicles because they’re hampered by the laws of science，the conversation
[3] hydrogen fuel cell cars：everything you need to know，宝马
[4] Japan gambles on Toyota’s hydrogen powered car，金融时报
[5] Japan is betting future cars will use hydrogen fuel cells，金融时报
[6] Honda CEO says Toyota’s strategy to pursue hydrogen combustion ‘doesn’t seem feasible’，Electerk
[7] Hydrogen fuel cells are not as ‘dumb’ as Elon Musk says. Here’s how they could improve the EV market，Fortune
[8] Toyota's New 2021 Mirai Still Won't Make Hydrogen Fuel Cell Cars Relevant，Forbes
[9] Toyota’s rethink on China reflects new realities，金融时报
[10] 美国氢能战略对我们有何启示，中国科学院
作者：李墨天
视觉设计：疏睿
责任编辑：罗松松