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www.ahgbjy.gov.cn:燃料电池汽车突围

时间:2018-11-29来源:大力神电池点击:
丰田即将销售燃料电池量产车型的消息,或许传递出了这样一个信号,即燃料电池汽车可能会在众多新能源汽车解决方案中突出重围。 在经历了多年沉寂之后,燃料电池汽车重又被各国
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丰田即将销售燃料电池量产车型的消息,或许传递出了这样一个信号,即燃料电池汽车可能会在众多新能源汽车解决方案中突出重围。

在经历了多年沉寂之后,燃料电池汽车重又被各国政府、汽车联盟和众多企业提上议事的日程,在行业内掀起了新一轮的热潮。无风不起浪,在纯电动汽车(锂电池为动力源)和混合动力汽车还在推广应用的时候,燃料电池汽车似乎要更胜一筹。

一个显而易见的风向标来自于丰田。这家在新能源汽车领域颇为活跃的的日本车企,在去年年末的东京车展以及今年年初的北美车展上,均展出了一辆其即将量产的FCV(燃料电池汽车)车型;与此同时,不顾特斯拉掌门人穆斯克的极力嘲讽,丰田宣称将于2015年左右在美国加州销售首批量产的燃料电池汽车。

成本高昂和基础设施缺失这两大因素一直制约着燃料电池汽车的发展和推广。尽管丰田FCV 5~10万美元的售价依然为人所诟病,但这相较于2009年之前100万美元的成本,已经实现了大幅度的降低。另一方面,之所以选择加州作为销售目标,很大一部分原因在于加州已经具备一定的加氢站规模,这主要得益于加州严厉的排放法规。由此可见,随着全球各地排放法规的日益严格,基础设施的逐步完善也并非不可能。

当然,成本下降肯定是最主要的市场推手,甚至影响着整个业界在对于燃料电池汽车的重视程度。一个例证是,在去年6月份联合国工作组会议上,来自日本、美国和欧盟等33个国家和地区的业界代表正式达成协议,制定出燃料电池车安全标准最终统一方案。燃料电池汽车标准缺失一直是其发展的掣肘,同时也反映出行业内对燃料电池汽车不愠不火的态度。不过此次统一方案的出台,或许是燃料电池汽车发展过程中柳暗花明的有力写照。

以上种种迹象,都是燃料电池汽车逐渐恢复元气的印证。事实上,燃料电池汽车并非近几年才兴起,燃料电池的历史可以追溯到十九世纪初期,而用于汽车的燃料电池在上世纪九十年代被开发。随后,各国政府和汽车制造商开始重视并投入燃料电池汽车的研发,经过二十年左右的起起伏伏,一路蹒跚前行,终于聚沙成塔。一个业内共识是,2015年可能成为燃料电池汽车的发展元年。

优势和挑战

燃料电池的原理很简单,相比于电动车锂电池,它更像是一个发电装置。具体来讲就是装载在燃料电池中的氢气与空气中的氧气发生化学反应产生电能,驱动电动机运转。这是一个与水电解相反的化学反应,反应后的产物只有水,因此燃料电池真可谓是零排放的动力解决方案。

在新能源汽车的争夺战中,装载传统电池的纯电动汽车一直都是重要的发展方向之一。相比于目前不上不下的锂电池电动车,燃料电池汽车的优势非常明显。总的来看有以下几点:

1、排放物清洁环保。有数据显示,燃料电池汽车排放的二氧化碳,不足常规燃油汽车的一半。甚至,如果电动汽车在美国部分重度依赖煤电的地区充电,其二氧化碳排放量也会高于燃料电池汽车。当然,在很少用煤的地区,或假设未来完全用风能和太阳能充电,电动汽车则更加环保。不过相较于传统内燃机汽车,燃料电池汽车仍是环保。

2、能量密度高、电池效率高。燃料电池的能量密度在所有电池中是最高的,这得益于氢气超轻的质量。能量密度高意味着,在行驶相同里程的情况下,氢燃料电池的质量要低于锂电池。另外,燃料电池的能量效率也非常可观,由于是静态化学反应,能量损耗几乎可以忽略不计,这对于节能具有非凡的意义。

3、无需充电时间。阻碍锂电池汽车发展的另外一大因素在于电池充电时间过长,不利于汽车整体行驶的效率。燃料电池汽车则免去这一麻烦,只需要去加氢站充气就行了,这个时间不到五分钟。

燃料电池汽车相比于锂电池汽车拥有不少的优势,而且有些优势是很明显的,但为什么燃料电池汽车没有发展起来并大规模投入使用呢?原因很简单,某些重要的因素制约着燃料电池汽车的前进,具体体现在以下三个方面:

1、成本高。成本几乎是一切产品通往量产的一道坎,燃料电池汽车成本一直居高不下的首要“功臣”是金属催化剂——铂。众所周知,铂是一种非常昂贵的金属,1g的价格超过250元,而在一辆150kW的车中,大约需要60g的铂作为催化剂,这意味着光是铂的原料费就高达15000元左右。

2、燃料电池寿命短。燃料电池在长时间使用过后,作为催化剂的铂会有所损耗,这会大大降低燃料电池的使用寿命,同时还进一步提高了其成本。

3、基础设施不完善。这里主要指的是加氢站的建立,国外在基础设施这方面做得还不错,比如上文提到的加州,日本政府也在着手建设工作。但中国在加氢站建设上的成绩就有点惨不忍睹。到目前为止,中国只有北京和上海建有三座加氢站,其他地方均是空白区。据资料显示,建设加氢站的难度更大、成本也更高。如果只是对现有的加油站进行改造,如添加个加氢泵,成本在100万美元以下,但如果是新建一个加氢站,那么花费可达200万美元以上。另外,制氢成本过高也是加氢站缺失的重要原因。

如何降低成本

虽然燃料电池存在着以上三个挑战,但只要燃料电池汽车成本实现可观下降,基础设施建立完善也只是时间问题。所以,归根结底,降低成本才是燃料电池汽车发展过程中的重中之重。

燃料电池汽车成本居高不下的罪魁祸首是催化剂铂金属,那么降低成本就必须从催化剂入手。至于具体的解决方案,本质上只要从两方面着手就行:一是降低铂用量,二是采用其他成本低的催化剂解决方案。

第一个方案很容易想到,目前氢燃料电池汽车领头羊丰田也在这上面花了大力气。他们从改善催化剂的耐久性以及改进催化剂的结构这两个方向进行研究。

在耐久性方面,耐久性提高可防止燃料电池催化剂劣化,从而减少铂的用量。但目前研究人员还没有完全掌握催化剂的劣化机理。因此,明确劣化机理、优化燃料电池汽车的驾驶条件等抑制催化剂劣化,提高耐久性的研究正在推进之中。

在改进催化剂结构方面,有一种研发方向是,在催化剂的采用铂微粒,而中心部分使用其它材料的微粒,通过将部分材料换成其他材料来减少铂用量。另外一种解决方案是,催化剂外部使用铂金属,内部采用铂合金,也能在一定程度上降低成本。

替代催化剂方案也是众多研究机构进行研发的项目。例如韩国一个研究机构近年来发现了一组新的基于“有序排列、孔状、卟啉碳原子(M-OMPC)”的不含贵金属的燃料电池催化剂,它表面积大,其孔状结构还可以人为调节。这种催化剂在氧还原反应方面的性能超过金属铂,对于燃料电池非常重要,但是生产成本仅为铂的10%。但能否量产使用还是未知数。

除此之外,日本和美国的研究机构也在积极进行替代催化剂的研发。一旦找到全新的成本低廉的材料,燃料电池汽车的发展势必将驶上快车道。

车企的行动

尽管目前还面临这样那样的问题,但燃料电池汽车仍被众多车企看作是未来新能源汽车行走的路线之一,写在他们的开发日程之中。

上文屡次提到丰田,而他们确实就是最为活跃的那个。今年,丰田宣布将在2015年销售量产的燃料电池汽车的消息让人始料不及,给人一种“又被他们领先”的错愕。丰田在燃料电池上的研发史将近二十年,现在已自行研发出了以通过氢和氧的化学反应发电的燃料电池堆和储存氢燃料的高压储罐为中心的燃料电池系统。

2002年之后,丰田在日美市场导入了燃料电池SUV车型。而在2011年东京车展上,丰田率先展出了他们的燃料电池概念轿车,并在三年后就宣布量产发售,着实有点迅雷不及掩耳之势。这辆车售价约7万美元,续航里程达700km,充氢时间仅为3分钟,可以说完爆锂电池电动车。

另外,韩国现代也走在了行业前列。就在今年六月,现代在加州的塔斯廷市,为全新途胜燃料电池汽车举行了首发仪式。而他们从租赁模式开始,逐步将燃料电池汽车引入消费者的视线之中。每月租金为499美元,如租期满3年或行驶里程达到5.8万公里,现代将无条件免费为车主加氢,提供免费保养服务。这款车最大行程可达430公里,加氢时间仅需大约10分钟。虽然较丰田的FCV有一定差距,但仍优于目前的纯电动汽车。

在日本和韩国车企一马平川的情况下,相对保守的德国企业也按捺不住。宝马近几年虽然发力i系列产品,但在2012年,他们就曾选择与丰田联合研发燃料电池技术,并在2013年深入了双方合作。宝马可以获取由丰田提供的燃料电池车驱动总成和氢燃料贮存技术,从而开发自己的燃料电池车型,宝马CEO诺伯特·雷瑟夫也表示过要推出燃料电池汽车的计划。

抱团取暖不是宝马和丰田的专利,2013年关于燃料电池的汽车联盟如雨后春笋一样遍地盛行。先是在二月份,戴姆勒伙同福特、雷诺合作开发燃料电池技术;五个月后,通用和本田也结成了类似的联盟。

另外,上文提到的燃料电池车安全标准最终统一方案的制定,也得益于来自日本、美国、欧盟等业界代表的共同努力。近几年燃料电池汽车领域连续大的动作,不论是技术上的还是产业上的,都昭示着燃料电池汽车迎来了又一个春天。这仅仅是昙花一现,还是新时代的崛起,现在都不得而知。但从目前的情况来看,燃料电池汽车很有机会从众多新能源汽车解决方案中突出重围。

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