氢动力汽车前景分析（一）：目前市面上的氢动力车

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如今电动汽车随着各种电动汽车的品牌逐渐让人印象深刻，但是另一方面，氢动力汽车对于普通大众来说，依旧是一个陌生的概念。
氢动力汽车是使用氢气作为燃料的汽车。氢动力汽车分为两种，一种是直接在内燃机中燃烧氢气和空气中的氧气产生动力，推动汽车。这种氢动力车并不靠谱，基本上不可能被商业化。另外一种被好多业内人看好的氢动力汽车被称为“氢燃料电池车”（Fuel cell electric vehicle）简称FCEV，是通过车内收集的氢气和空气中的氧为原料的燃料电池产生电力，并以电力推动汽车。氢燃料电池车本质上也是一种电动车，但是车的电力来源于氢氧反应，而不是来自于车内自备的蓄电池，这是氢燃料电池车和电动汽车的最大不同。后面我们说到氢动力汽车，说的都是氢燃料电池车。
燃料电池的原理并不复杂，早在1830年代就被当时的物理学家研发出来了。这里附上目前使用的质子传导燃料电池的原理：



质子传导燃料电池的原理

我并不想花过多的篇幅从学术的角度来讲述燃料电池的原理和氢动力汽车的结构。我们来简单看一下氢动力汽车的历史和它存在的意义，然后直接来看看目前市面上的氢动力汽车。
早在1950年代，美国通用电气（GE）就开启了研发氢动力汽车的滥觞。通用汽车公司（GM）在1966年推出了氢动力的概念车（Chevrolet Electrovan）。到了70年代，世界石油危机造成了美国对石油资源前景的担忧，再加上航天氢动力技术对民间的开放促成了美国氢动力车的研究。90年代初，日本的几大汽车公司开始研究氢动力车，马自达曾在1994年的芝加哥车展上秀出自家的氢动力概念车。1996年，美国国会通过了关于未来使用氢能源的法案，一时间使用氢能源和氢动力车成为热门话题。到了21世纪初，布什政府大力提倡开发氢能源以取代石油能源，研发氢动力汽车来取代燃油车。几大美国汽车公司也和政府签订了研发氢动力汽车的计划，一时间氢动力汽车成为热门话题。
不过，氢动力车的研究在美国并没有取得进展。2009年，新上任的美国能源部长、著名华裔物理学家朱棣文宣布削减对于氢动力的研究经费，通用、福特等汽车公司也取消了将氢动力概念车商业化的尝试。氢动力车在美国的研发变得困难重重。欧洲的氢动力车除了概念车外也无甚进展。相比之下，日本和韩国的氢动力车则异军突起，率先实现了商业化。截止到2021年年初，目前市场上的氢动力小汽车有三款，皆为日韩产品：丰田的Mirai（未来）、本田的Clarity和韩国现代的Nexo。其中本田Clarity只能租用，丰田Mirai和现代Nexo可以购买，目前丰田Mirai是三者里生产和销售量最大的。

丰田未来Mirai

下面我们来看看丰田Mirai（日语“未来”的意思）车的研发和销售情况。
和美国政府不同，日本对于氢动力的研发一直是支持的。丰田汽车早在1992年就开启了研发氢动力车之路，1996年研发出第一辆配置金属氢化物氢气箱，2005年在日本取得氢动力车的车型认证。2010年，氢动力的巴士开启了东京从国际机场到市区的往返服务。通过多年的路试后，2014年丰田宣布了将量产的氢动力车取名为Mirai，就是日语“未来”的意思。2015年底Mirai正式进入日本、美国（加州）、加拿大（魁北克）、欧洲和阿联酋市场。
目前来看，丰田Mirai最大的销售市场是在美国加州。我们来看看Mirai氢动力汽车的销售情况。



丰田Mirai在美国的月销售



丰田Mirai在美年销售（蓝色）。红色是韩国现代Nexo的销售情况。

我们看到，2017年Mirai在美国加州达到销售的最高峰，随后逐年递减，到了2020年，由于某些原因真可谓是惨淡经营（后面会讨论到）。另外韩国现代的Nexo的销售状况完全比不上Mirai。
如果我们把氢动力车和纯电动汽车相比较，发现两者完全不在一个量级上。几乎和Mirai同时进入市场的特斯拉Model X的销量直线上冲，在2016年两者销量还是不相上下，但是到了2017年以后则和氢动力车完全不在一个量级上。
另外，我还没有把特斯拉Model S的数据列出来。Model S进入市场比Mirai要早，在2015年已经达到销售量25000多台，2016年29000多台，虽然以后销售量有所减少，但销售量完全是Mirai望尘莫及的。



Model X年销售，黑色实线是总销售，虚线是40%估算加州的销售量。

价格方面的原因？

这里特别拿和Mirai差不多时间的Model X类比，是因为很多人说氢动力汽车销售惨淡，是因为氢动力车价格太贵，而每年加氢气的费用也不菲（氢动力车以氢气为燃料，每公斤氢气大约在17-18美元）。正是因为价格上的考量，使得消费者更热衷于选择电动汽车。
上面这种说法并不合理。从特斯拉Model X来看，情况完全不是这样。一台Model X的价格从近9万美元到12万4千美元，而Mirai的价格58500美元，不到六万。就算考虑每年加氢的费用，估算一辆在市区行驶的氢动力车一年加氢的费用大约在1250美元，使用10年的总价格依旧远远少于一台Model X的价格。
另外从下图可以看到，Mirai的价格外加氢气燃料的价格，也比一台Model S的价格便宜。对于加州的消费者来说，氢动力汽车的价格并不是个严重的问题。



特斯拉价格

加氢站太少？

另外一种说法是因为氢动力汽车需要配套的加氢站补给燃料，就像燃油车要加油一样。但是加氢站非常稀少，等于氢动力车没有配套的基建设备，这是氢动力车销售量少的原因。
事实上，这种说法也是错误的。我们来看看美国加氢站的数量：



https://afdc.energy.gov/data/10332

可以看到，美国加氢站的数量随着布什政府鼓励氢动力能源而逐年增加，然后因为奥巴马政府不看好氢动力而在2009年后逐年递减，不过到了2015年之后，也就是Mirai进入市场以来，加氢站的数量再次逐年上升。



北美加氢站，包括了公用的和私人的

从上图来看，美国大部分的加氢站集中在加州旧金山湾区和洛杉矶地区。早在2004年，当时的加州州长施瓦辛格就颁布了建设“氢能源高速公路”的州长令。2013年，继任的加州州长Brown准备以每年两千万美元的投资让加州加氢站在2020年到达100座。这个计划远远没有实现：到2016年底，加州的商用加氢站有20个，到2018年4 月，加氢站数量到达33个，截止到2021年初达43个。
我们可以来估算一下加州加氢站的容纳量。我用最保守估计，按照目前运输压缩氢的方式，一个小型的加氢站一天可以供给的氢气为100公斤，一辆Mirai的氢气容量为5公斤，那么每个加氢站一天可以为20辆车加燃料。2021年之前的Mirai一次可以开312英里，以美国私家车的每日平均航程30英里计算，一辆正常使用的车大约10天加一次氢，那么每个加氢站可以满足200辆车的氢气需求。那么截止到2016年，加州的加氢站可以容纳4000辆车，而如今的加氢站可以容纳8800辆车。如今加州有多少氢动力车呢？Mirai到目前为止在加州售出6600多辆，加上现代的470多辆Nexo，还有本田和其他的可以租赁的氢动力车，我们发现就算按照最保守估计，氢动力车的数量尚未到达加氢站可以供给的上限。
如果用加州的官网（http://cdn.businessportal.ca.gov）给出的数据，一个加氢站一天可以供给50辆车，而加州车的平均每日航程是23英里，那么一个加氢站可以提供大约670辆车的氢燃料，旧金山湾区和洛杉矶的约40个加氢站，已经可以提供超过2万7千辆氢动力车的供给量。

由此我们得到两点认识。第一，氢动力汽车的数量被加氢站供给量限制，必然远远少于电动车的数量。第二，在加州，氢动力汽车的数量并没有到达加目前氢站容量的上限。
另外，虽然加州没有完成2020年100个加氢站的基建，但是加州政府依旧在大力发展加氢站。比如加州能源部在2020年9月表示：

加州将再追加一亿多美元，计划在2025建成200个加氢站：


就算到2025年加州只能建成90个加氢站（按照计划的4.5折计算），假设每个加氢站一天可以提供30辆车的氢燃料（按照2021的Mirai的最新数据），那么加州在五年后可以提供超过六万台氢动力汽车的日常氢燃料，这还没有考虑加氢站容量和运输方式可能的升级。
虽然六万这个数字依旧远远小于电动汽车的数量，但是为未来氢动力车已经创造了极大的销售空间。
由此可见，虽然氢动力汽车由于氢气供给的原因，对于电动汽车来说必然属于小众，但是目前氢动力汽车销售惨淡最大的问题，并不在车的售价和加氢站的收容量上。
下面我们们再看看看日本的情况。



日韩加氢站，截止2020年初，日本114，韩国30。https://fuelcellsworks.com/news/in-2019-83-new-hydrogen-refuelling-stations-worldwide/

根据上面网站的数据，截止去年年初，日本一共有114个加氢站。到去年4月，为127个。日本的加氢站数量要大大多于加州，但是氢动力车的数量却少于加州。2019年给出的数据，日本氢动力车的数量不到4000辆，远远少于日本加氢站可以提供的供给量。日本政府期待在2020年日本氢动力车的数量达到4万辆，然而最后的实际数量却不到十分之一。对于日本来说，氢动力车的数量要远远远远地小于加氢站可以提供的氢燃料量。
既然售价和氢气供给量并不是氢动力车数量稀少的最直接原因，那么为什么氢动力汽车的销量这么低迷呢？
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