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市场观察 | 燃料电池汽车会进入我们的生活吗?

 发布时间:2022-12-07    点击量:237

来自汽车文化市场的铭沨有自己在汽车消费领域中的小圈子,他们对氢能产业最关心的还是燃料电池汽车到底有没有优势?什么时候才能像锂离子电池汽车那样普及?这是一篇面向消费者的文章。

——郑贤玲

由于我曾多年服务于汽车文化产业,在转行到氢能产业之后,还是会和身边一些朋友聊到汽车相关的话题,也因此不时会提到燃料电池汽车在未来汽车市场的发展前景。但是由于如今锂电池汽车在市场已经比较普及,因此当我每每提到燃料电池汽车时,很多朋友依然是对燃料电池汽车的概念容易和锂电池汽车的工作原理混为一谈。针对这个现象,这次我们就来简单聊一下究竟燃料电池汽车的工作原理和相关的核心部件,以及其和内燃机,锂电池之间的区别。


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燃料电池并不是“电池"


没错,严格意义上来说,燃料电池虽然被称之为电池,但是实际上并不是我们理解的像铅酸电池和锂电池那样单纯以储能为目的的“电池",从字面上看,“电池"就是电的一个“蓄水池",就是储存电能的装备。

燃料电池的工作原理是通过氧化还原反应,将燃料中的化学能转化为电能的装置,不同于一般电池通过充放电来实现能量的存储和释放,燃料电池可以通过持续添加燃料来达到持续放电的效果,简单来说其工作的过程就是通过添加燃料持续氧化还原反应来发电,其中常用的燃料为氢,通过电解质让正负极的氢和氧产生氧化还原反应,其过程中电子从阳极传导至阴极,从而形成电流。



因此也可以说,燃料电池汽车是结合了内燃机汽车和锂电池汽车的特点,既可以通过快速补充燃料(氢)来维持续航,又因为其产生的主要为电能,而排放的为氢和氧电解水逆反应形成的水,因此可以达到快速高效的充能,又能达到真正意义上的无排放环保需求,弥补了内燃机和锂电池二者的短板。




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燃料电池的发展过程


1839年,英国物理学家威廉·葛洛夫(William·Robert·Grove)制作了燃料电池,这颗燃料电池的问世基于1838年德国化学家克里斯蒂安·弗里德里希·尚班刊登在杂志上的理论,葛洛夫在看到后于次年验证并完善了该理论,并在1842年将该燃料电池的设计草图刊登在了《科学的哲学杂志与期刊》上。


葛洛夫设计的第一个燃料电池设计图


葛洛夫的设计使用了硫酸溶液作为电解质,其形式更类似于现在的铅酸电池。直到1955年,在通用电气化学工程师汤玛斯·葛卢布(W. Thomas Grubb)的改进之后,使用了磺化聚苯乙烯离子交换膜作为电解质的燃料电池才真正问世,而三年后,在其通用电气同事李奥纳德·尼德拉克(Leonard Niedrach)进一步将铂带入到了交换膜之上,作为还原反应的催化剂,并将其命名为“Grubb-Niedrach燃料电池“,至此也奠定了现代PEM燃料电池的基础雏形。

1963汤玛斯·葛卢布(右)和他的同事李奥纳德·尼德拉克测试他们制作的PEM燃料电池

后期燃料电池在NASA和通用电气的共同发展下,也应用在了多个商业项目以及航天项目之中,在上世纪60年代曾多次被用于登月车的驱动单元,以及在太空作为饮用水的来源,1991年,美国科学家罗杰·比林斯(Roger E·Billings)成功制造了第一台氢燃料电池驱动的汽车——LaserCel 1,至此也正式拉开了氢燃料电池汽车的序幕。


罗杰·比林斯制造的第一台燃料电池汽车——LaserCel 1,可以看出原型是一台初代的福特嘉年华
现阶段,燃料电池技术在全球的应用已经进入产业化发展阶段,不过应用最多的是家用热电联产,日本这一产品已经销售40多万台,并且已经具备经济性。真正将燃料电池汽车带入产业化的还是丰田Mirai和现代的NEXO,2014年丰田宣布燃料电池综合成本下降至2008年的1/20,成为全球燃料电池汽车产业化的一个转折点。中国还处于燃料电池验证阶段,美国则是通过叉车的规模化应用来验证。


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燃料电池的优势与劣势



摆脱资源约束和环境约束是新能源发展的核心目的。首先,氢气来源广泛,不受资源约束。目前燃料电池的催化剂用到铂金资源,但与锂电每辆车大约需要30kg炭酸锂相比,燃料电池的铂金用量是以克来计算的,而且铂金的回收量达到90%以上,回收成本低于资源开采成本,所以燃料电池基本上不会受到资源约束。
其次,从碳达峰的角度来看,采用绿电制绿氢,可以真正做到绿色出行,燃料电池汽车消耗氢气排泄的是水,且铂金回收过程几乎没有污染。
第三,消费者更加关心的是驾驶体验。燃料电池汽车加一次氢大约3-5分钟(商用车在15分钟以内),大约可以续航600-800km,而且在零下30度以下可以正常启动,也不存在电池亏电的问题,在寒冷地区显然减少许多焦虑。北京冬奥会一开始的方案并不是燃料电池汽车,是因为锂电难以胜任延庆和张家口地区的低温天气才改为燃料电池汽车方案,这次1200辆燃料电池汽车很好地验证了这一性能。
第四是安全性,燃料电池本身不储能,所以,在车上的安全性比较高。
劣势是氢能是最轻的气体非常难以管理,储运过程中的安全性要求也很高,相应的储运成本就比较高,这是氢能行业发展最大的劣势。这也推动了多种储氢技术的发展,包括液氢、固态储氢、有机化合物储氢等。



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燃料电池汽车的现状和路径分歧


燃料电池的应用场景相当丰富,如船舶、叉车、火箭、飞行器、分布式电源等,之所以燃料电池汽车受到更多的关注,主要是因为其商业市场相对较为广阔,一旦成熟,推行和普及速度相对较快,并且对整个行业可以产生巨大的带动。

氢能和燃料电池虽然人类已经研发并迈入商用领域多年,但是离日常消费者的距离依然较远,氢燃料电池汽车则能有效拉近这个距离,改善消费者对氢能的一些固有观点。

不过,各国在发展路径上有一些差异,早期各大汽车厂家研发的样车都是乘用车,日本和韩国量产车型也是乘用车,但中国和美国则是以商用车为主。

自从比林斯制造出了第一台燃料电池汽车后,不少厂商也看到了氢能的市场前景以及环保潜力,进入21世纪后,各大厂商也曾推出过一些氢燃料电池汽车的概念车或是测试车,但是在后期由于锂电池市场的蓬勃发展,多家厂商只能暂时搁置或取消了燃料电池汽车的方案。

随着锂资源的成本逐渐升高,近年来一些主流车厂的视线又逐渐回到了燃料电池汽车的领域,如丰田、本田、日产、戴姆勒、宝马、现代、起亚、通用等,都公布了燃料电池汽车的发展计划。

根据杂志《Car and Drive》统计,截止到2022年,美国加州目前在路上行驶的氢燃料电池汽车大概为15,000台,而随着加氢站和氢能储运系统的发展,相信燃料电池汽车的保有量会逐步增加。


除了日本本土,加州是目前Mirai最大的市场,也是目前全球两个销量超过10000台的燃料电池汽车的市场之一


我们对氢能汽车的探索并不局限于燃料电池,宝马和马自达曾经都推出过氢气混合动力的车型,并作为小规模的量产车型推出过,但是由于技术原因以及当时的加氢条件较为苛刻,这些车型也只能淹没在年产千万辆的汽车大市场中。

但近年来随着氢能产业的示范应用,不论是技术进步,还是加氢站的建设都让这些一度被放弃的技术路线热情再度被点燃。2021年6月15日,本田宣布关闭日本狭山工厂并停产氢燃料电池车CLARITYFUELCELL,近期,本田又宣布,将于2024年推出一款基于全新CR-V跨界车打造的氢燃料电池插电式电动车,将在其位于美国俄亥俄州的高性能制造中心生产。

丰田还在近年不断测试着氢内燃机的车型,作为技术储备。当然,我们这次主要是聊燃料电池汽车,对于氢内燃机或氢混动,如果大家感兴趣我们可以再找机会详细聊聊。


宝马和马自达都曾经推出过氢混动车型,其中宝马的Hydrogen 7更是推出了E38/E65两代版本,而马自达的RX8 Hydrogen RE一共量产了30台,笔者自己第一台车就是马自达的RX8,所以当年推出氢动力版时还格外关注过一段时间。



丰田和雅马哈合作开发的V8氢内燃机,可能会让不少喜欢大排量燃油车的朋友看到未来依然能开到大排量的希望


在我转行开始了解氢能产业之后,和朋友闲聊时,曾经有不少人问我为什么我们现在都很难看到燃料电池汽车,对此我一般给他们的解释都是一方面,现阶段我国在燃料电池汽车的发展方向主要为商用车而不是乘用车,其实在某些氢能示范城市如果大家平时留心,虽然目前还看不到燃料电池乘用车,但是可能环卫车、公交车、渣土车、物流车等商用车型的燃料电池汽车已经在路上行驶了。

此外,由于我国目前的加氢站以及氢能管网建设还无法满足乘用车市场的需求,乘用车还只是在广东和上海地区局部试点,以目前的基础建设,乘用车大面积推广还不具备条件,据统计我国在今年1-10月份燃料电池汽车销量约3000辆,其中乘用车销量大约不到5%,因此先通过商用车累积行业的技术经验,加大基础建设的投资,将会更有利于未来燃料电池乘用车市场的发展。



氢燃料电池不仅具备长续航的特点,而且其续航不受气温和环境影响,可以作为理想的生产工具的驱动方式,但是由于目前氢气价格较高,还需要大量的政策扶持来刺激市场。

我国目前虽然也有部分乘用车厂商已经推出了燃料电池车型,但是国家目前的发展方向是以商用车为主,如上汽、潍柴、福田、宇通、中通、江铃、飞驰等,都在积极开发氢能商用车。而纵观产业链上下游,目前我国虽然部分技术相对落后于欧美同行业,但是由于我国目前的市场政策路线更偏向于商用车,跨越的技术门槛更高,随着市场的逐步扩大,在技术逐步成熟的同时,成本也会逐步下降。


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燃料电池汽车产业化瓶颈


正如上文所说,燃料电池汽车现阶段最大的瓶颈其实依然是在氢气的供给端。我们可以用目前北京市的加油站数量和公路里程为例,截止到目前,北京市公路里程大概为2.23万公里,加油站大概为1030座,加氢站目前只有14座投入使用,换算下来约合每21.6公里即可找到一座加油站,而加氢站则需要1592公里左右才能找到一座。

且目前北京的加氢站大多位于郊区,曾为冬奥会的配套设施,尽管目前北京制定了到2025年建设并投入使用74座加氢站的计划,但是相较于加油站的数量来说还是差了不止一个量级。


2021年北京市区加油站数量来源:前瞻人经济学APP


全球燃料电池汽车乘用车推广最快的国家是韩国,目前,韩国在运行的燃料电池汽车超过23000辆,而我国的运行车辆大约5000辆。到目前为止,我国加氢站已经达到290座,而韩国的加氢站只有120多座。到今年第三季度,我国累计销售11027辆,韩国累计销量31596辆,以燃料电池汽车累计销量与加氢站比例来算,我国车占比38.02:1,韩国的车站比为263.3:1。

但一个现实的问题是,我国国土面积大,以地方政府规划的这290座加氢站分布在全国960平方公里土地上的27个省份,平均每座加氢站服务的面积,3.31万平方公里,即使目前加氢站分布在经济相对发达的地区,我们按照国土面积的50%计算,平均每座加氢站辐射的半径也有16550平方公里;而韩国120座加氢站分布在10.33万平方公里的国土区域,平均每座加氢站辐射的面积也只有860平方公里。

我国一个广东省就有17.97万平方公里,超过韩国整体国土面积,可见即使加氢站最多的广东省也达不到韩国加氢站的密度。而本来广东省的加氢站主要集中在佛山市,这个地区加氢站的密度已经非常高,但当地无论是化石能源制氢还是工业副产氢都很缺乏,可再生能源制氢尚未启动,氢气成本太高,导致运行车辆处于亏损,而且氢气供应缺口巨大,无法满足加氢站满负荷工作需求。


到目前我国运行的加氢站超过290座。数据来源:香橙会研究院。


此外,由于全球燃料电池产业链整体的商业化程度并不高,规模也不够大,因此相对的成本较高。而且如果燃料电池想要做到尽可能达到理想的无排放环保标准,除了氢气的来源必须选择用绿电生产的绿氢外,在设备的生产过程中也要尽可能使用绿电来进行生产。

虽然我国目前风能和光伏绿电项目发展迅速,但是同比火电来说,电价在某些风能和光伏不发达的区域还是存在一定的差价,对个人使用可能并没有太大区别,但是在工业生产上还是会拉高整体的生产成本。


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燃料电池汽车的未来


目前我国虽然也有了部分公司如广汽、红旗、长安、海马、上汽等在开发燃料电池乘用车,且丰田也在国内开始了Mirai II代的销售,但是价格相对锂电汽车普遍较高,且最重要的是消费者要面对加氢困难的痛点。

虽然燃料电池汽车目前在新能源汽车市场中还没有打开局面,销量的提高更多是依赖政策的发展,但是这本身也是新能源汽车从进入市场时就要经历的过程,通过商用汽车在相对比较固定的路线试点,逐步解决相关基建配套设施,并不断加大密度。

从欧、美、日、韩等发达国家来看,早期都是从燃料电池汽车开始切入,但发展过程中都遭遇了氢能供应的瓶颈,然后又回头来投入氢气的制取和储运项目。目前我国的情形也差不多,过去二十多年的注意力和投资重心都在燃料电池,但最近两年加氢站和电解槽项目明显加快。

同时随着技术进步和规模化发展,可以大大降低产业链上下游的生产成本,燃料电池汽车凭借其环保,补能方便,且不受环境因素影响的众多优势,基础建设条件成熟就能够打开局面。

从各地出台的氢能规划来看,大部分地区示范期也就是2025前都还是以商用车为主,一部分地区2030年的规划涉及到乘用车。但我们认为燃料电池乘用车的发展更多是在基础设施相对成熟、且成本达到市场预期后,由整车企业来主导的市场,到2030年燃料电池成本从现在的4000元/kW降到1000元/kW以内,氢气成本降到25元/kg,以燃料电池优越的性能优势,我们对其应用前景有良好的预期。

至于到底是燃料电池还是氢内燃机会成为未来,这两个产品在根源上也不存在太大的冲突,我想消费市场的最终结果还是需要让消费者去决定。

注:本文已获得转载权


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