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在今年的兩會上,氫燃料電池成為了車企代表提議的熱點,其中「推動充電、加氫等設施建設」寫入了《政府工作報告》。
可別小看這短短的一句話,它可是立馬撬動了整個相關概念股200多億的市值增長。
對於氫氣,它是公認的清潔能源,氫燃料電池汽車也不是什麼新鮮事物,日韓早就推出量產車型,不過在國內它的存在感就相當的低了。
2018年大陸氫燃料電池汽車銷量1527輛,看著好像不少,不過這里面有1418輛燃料電池客車、109輛是燃料電池貨車。
氫燃料電池的乘用車更是連量產車也沒有,更別說銷量了。
氫燃料電池汽車究竟有什麼吸引力
在新能源車中,純電動車的技術已經基本成熟,續航表現、充電技術也在穩步提升,不過和燃油車相比使用習慣上還是有差距的。
氫燃料電池汽車和傳統燃油車使用習慣相近,和純電動車相比也是有一定優勢的。
充電時間VS加氫時間
首先在補能這塊,按目前電池容量普遍在50kWh的電動車為例,在快充條件下從低電量充至80%電量,充電時間也得30分鐘左右。
而氫燃料電池車加註氫氣只需要三到五分鐘,基本和傳統燃油車加註燃油時間相當。
續航里程對比
續航里程對於新能源車是繞不開的問題,目前絕大部分的純電車續航里程都比較低,而且還受外界溫氣溫影響,基本適合短途使用。
反觀氫燃料電池車,擁有更加接近傳統汽車的巡航里程,同時動力不弱,可以滿足長途行駛,不過這也得看加氫站的覆蓋。
國家政策對比
到2020年年底,純電動車和插電混合動力汽車的補貼將會完全退出。氫燃料電池汽車是唯一財政補貼不退坡,不限制地方補貼比例上限的車型;並且2020年後,對燃料電池汽車也會持續支持。
氫燃料電池汽車看似環保,使用習慣上也更接近傳統燃油車,但是面臨的諸多問題使得它的發展依舊緩慢。
日韓技術遙遙領先,售價依舊不親民
第一款量產的氫燃料電池車最早是在2013年,由韓國現代推出的ix35 FCV,比豐田的Mirai早了2年。這款車當時售價高達85.5萬元人民幣,除了在韓國銷售外,在美國加州通過租賃方式上市。畢竟如此昂貴的價格並不會有多少人會自掏腰包購買,所以租賃是個不錯的推廣方式。
ix35 FCV結構可以分三個部分,分別是後部的氫儲存區、中部的電池及逆變器、前部的燃料電池及動力總成。
在後部的氫儲存區,有兩個互相連通的儲氫罐,其殼體由碳纖維和鋁材制成,內部儲存的氫氣壓力為70Mpa,兩個儲氫罐共5.64kg的液態氫。不過在當時技術還沒辦法將儲氫罐做小,巨大的儲氫罐也侵占了不少車內空間。在車輛中間的底部裝有高壓電池組,它的容量為24kWh,車輛前方則是燃料電池及驅動車輛的電機都安放在這。
晚上市的豐田Mirai顯然技術更為成熟,儲氫罐的布局和續航里程也有了大幅度提升,而且最為關鍵的是整車成本價格大幅降低,豐田將mirai的售價定為723.6萬日元(約37.4萬人民幣,含稅),而且日本政府還有補貼,補貼後實際價格為520萬日元(約26.9萬人民幣),顯然售價是大幅降低了,續航里程也達到了650公里左右。
雖然豐田Mirai已經大幅降低成本,但是離親民依舊有點距離,影響它售價的最關鍵部件其實是燃料電池堆,燃料電池由質子交換膜、催化劑、氣體擴散層以及雙極板組成。
它和我們常規概念里的電池不一樣,因為它不是儲能裝置,而是發電裝置,是將燃料所具有的化學能直接轉化成電能;
它的原理是質子交換膜(只能讓質子通過)將氫氣分離成質子和電子(兩個質子H+和兩個電子e-),質子通過質子交換膜與氧氣氧化反應成水,流動的電子通過電路形成了電流,可以驅動及電動機或進入電池存儲起來。
當然這過程中還需要一種催化劑,這個催化劑不是什麼常見金屬,而是金屬鉑。要知道鉑全世界產量很低且價格昂貴,大概是黃金的2倍,而豐田Mirai現階段的鉑金催化劑的用量為100多克/車,可想而知這成本是多麼的高。
不要以為有了這個催化劑就沒後顧之憂了,這個鉑金催化劑非常的「脆弱」還容易「中毒」。由於燃料電池直接採用空氣中的氧做氧化劑,空氣中的雜質如二氧化硫、氨氣、硫化氫等有害氣體進入燃料電池中,引起燃料電池陰極催化劑「中毒」,造成陰極催化劑不可逆轉的損傷,從而導致燃料電池性能下降。
制氫/儲氫/運氫/加氫,重重難關
和電動車的充電時間相比,氫燃料電池車只需3分鐘的加氫時間看似優勢明顯,但是加氫站的覆蓋是制約氫燃料電池汽車發展的主因。
電動汽車找不到充電樁,家里拉個插座也可以慢慢充,但燃料電池汽車不行。這點其實跟燃油車很像,只要加油站多沒有什麼地方是不能去的。
目前全球擁有20座加氫站以上的國家分別是日本(96座)、德國(60座)、美國(42座)、中國(23座),一座加氫能力大於200公斤的加氫站建設成本在1000萬元以上,如此高昂的建設成本顯然是加氫站快速發展的最大障礙。
氫元素雖然隨處可見,但是它的制取也並不容易,目前氫氣的制取主要有三種,一是石油工業的副產品,主要是含氫的尾氣,這是目前最主要的氫氣來源。二是利用化石能源制氫,比如利用煤或者天然氣裂解制氫,這種制氫法能耗很低,成本也不貴,產能還相當可觀。三是可再生能源制氫,比如利用太陽光電、風電、水電等,這類制氫的優勢是絕對的環保,但是成本就比較高了。
其次,氫的運輸也是個問題,現在常見的氫氣運輸方式是採用高壓氣罐,但這種方式的單次運輸量非常有限。
另一種方式是液態運輸,但是要將其保持在-252.77攝氏度,意味著非常高昂的成本,不太現實。
還有一種方式是固體儲氫,利用固體對氫氣的物理吸附或化學反應,將氫儲存於固體材料中。
固體儲氫方式安全穩定,但是能在常溫下還原的多為鈀、銠等稀有貴重金屬,同樣不太現實。最好的方法就是現場制氫、儲氫,免去運輸過程。
目前國內關於加氫站建設還沒有一套標準規範,加氫站中的制氫系統、調壓乾燥系統、氫氣壓縮系統、儲氣系統、售氣加註系統和控制系統六個主要子系統,每一個系統都需要統一的標準規範制定,方便大規模的建設。
國內加氫站核心設備研發還處於起步階段,國內企業生產的氫氣壓縮機輸出壓力均在30兆帕以下,遠遠達不到商業化加氫站技術要求。
還需克服大眾「談氫色變」的心理
公眾對於氫氣的認知比較統一,都認為氫氣是一種非常危險的氣體,甚至有點「談氫色變」的心理。
在燃料電池汽車中,有氫氣留存的地方主要是電池堆和儲氫罐兩個部分。
其中,電池堆只是氫氣和氧氣發生電化學反應的場所,本身並不儲存能量,一旦檢測到氫氣泄漏,氫氣/空氣可以迅速被切斷。
至於儲氫系統的安全性則主要由儲氫罐決定。以豐田Mirai為例,它由碳纖維和凱夫拉復合材質製作,可以抵擋輕型槍械攻擊。儲氫罐還裝有止逆閥式的易熔塞泄壓閥,在車輛著火的情況下會易熔塞受熱熔化排出氫氣。
事實上,氫氣的特點是非常輕,泄漏之後迅速上升,只要通風良好,在開闊的馬路上一般不會發生爆炸危險。即便出現燃燒現象,燃料電池車也是相對安全的。
左側氫燃料電池車,右側汽油車
日本研究試驗結果表明,在汽油車和氫燃料電池汽車分別創造燃料泄露和著火條件下,3秒時汽油車下方漏油著火,而氫氣則是迅速沖高在汽車上方著火。一分半鐘以後燃料電池汽車的明火已經熄滅,而汽油車火勢正旺最終燒得只剩車架,因此氫燃料電池汽車的安全性還有待科普。
上下遊產業鏈需要重新打造
大陸早在《「十三五」國家科技創新規劃》中,就提到了發展氫能燃料電池技術,目標是到2030年,燃料電池車輛保有量要達到200萬輛,加氫站數量達到1000座,產業產值將突破1萬億元。目前國內關於氫燃料電池的發展還沒有一套指導規範,和純電動車相比,氫燃料電池的上下遊產業鏈基本需要重新打造,包括制氫、運氫、儲氫、加氫站和燃料電池等全產業鏈的建設。
另外國內車企對氫燃料電池的核心技術也尚未掌握,燃料電池系統中關鍵的電池堆、空壓機,以及電堆的關鍵零部件膜電極,均依賴進口。儲氫瓶技術僅可以自主化生產35MPa儲氫氣瓶,和日韓70MPa儲氫氣瓶相比差距明顯。運氫技術未能突破液氫運輸和管道運氫,仍需拖車運輸高壓氣瓶,加氫站設備同樣依賴進口。
總的來說,氫燃料電池的前景看似不錯,但是要推動氫能發展依舊任重道遠。