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氫燃料乘用車“三國殺”的時代:誰主沉浮?

2019-05-17 09:59
來源: 億歐網

3月15日,國務院新聞辦舉行吹風會,就《政府工作報告》的83處修訂進行了解讀,其中最引人關注就是氫能源首次出現在該報告中。4月23日,工信部發言人黃利斌在國新辦發布會上更是表示,氫燃料電池汽車和純電動汽車都是新能源汽車的重要技術路線,工信部未來將進一步加大工作力度,聯合有關部門開展示范運行,推進我國氫能燃料電池汽車產業的創新發展。

國家層面的正面表態,為我國新能源汽車產業發展奠定了基調。得益于此,氫燃料汽車在今年也“火”了一把。

看清氫燃料乘用車“三國殺”的時代

(氫燃料汽車百度指數趨勢圖)

實際上,早在2009年,我國就針對燃料電池汽車相繼出臺了各項支持政策,推動行業下游應用,拉動燃料電池的產業發展。但一直以來,該行業的發展情況并不理想。國內自主品牌由于技術和行業趨勢等原因,不約而同的選擇了優先攻克電動汽車技術,而對于發展氫燃料電池汽車的號召少有響應。

相比之下,韓國和日本車企已經走在了氫燃料電池汽車產業的前端。目前,日本的豐田、本田和韓國的現代汽車均已推出氫燃料電池量產車型,分別為豐田Mirai、本田Clarity和現代Nexo。

燃料電池乘用車現狀

豐田、本田、現代這三家老牌造車企業對氫燃料電池汽車領域涉足較早。目前來看,三家企業都算是有所造詣,它們都掌握著一定自主研發的核心技術,且其各自的一款量產氫燃料電池車型,在目前還處于“嬰兒期”的氫能源汽車市場中,占據了相當大的份額。

看清氫燃料乘用車“三國殺”的時代

就技術層面而言,三家都有自己的技術亮點。豐田一直是氫燃料電池領域的“頭號玩家”,豐田的燃料電池堆棧經過十幾年的優化,已經形成了自己獨有的結構特色,發電效率達到了3.1千瓦/升,其3D立體微流道技術,通過更好地排出副產物水,讓更多空氣流入,有效改善了發電效率。此外,豐田還在Mirai上使用了燃料電池堆棧加鎳氫電池混合動力設計,這種設計使得豐田Mirai在能量供給、動能回收和能量轉換率上均有相對不錯的表現。

現代汽車對于氫燃料汽車的研究時間也不亞于豐田。早在1998年,現代汽車就專門為研發燃料電池技術成立了麻北新能源技術研究院。2013年,隨著ix35 FCV的上市,現代汽車成為全球首家實現氫燃料電池乘用車量產化的車企。最新上市的Nexo最大輸出功率為120千瓦,略高于豐田Mirai的113千瓦,但其引以為豪的5分鐘加氫卻依舊沒有超越豐田的3分鐘加氫時間。值得一提的是,在-30℃的嚴苛低溫環境下,Nexo仍可以正常、穩定啟動,且NEXO在歐洲E-NCAP的最新測試中拿到了五星評分。除此之外,高集成度的動力系統為Nexo提供了更多使用空間,這也是其一大亮點。

事實上,世界上第一臺官方認可的燃料電池車是本田造的,2002年本田就曾在加州和日本租售式發售了其名為FCX的燃料電池車型。雖然本田Clarity的上市時間較豐田更晚,錯過了最具優勢的上市時間,市場表現一般,但這款車的130KW燃料電池/電力驅動系統入選了美國權威雜志《Ward's Auto World》公布的2018年沃德十佳發動機評選榜單,排名第六。

市場表現方面,以三款車都已上市的美國市場為例,2018年美國市場氫燃料電池乘用車總容量約為2332輛,與上一年基本持平。其中豐田Mirai交付量為1700輛,較2017年同比下降了7.5%。本田Clarity交付量為624輛,相較上一年的431輛上漲了44.8%。現代Nexo的交付量僅為8量,原因是現代Nexo在2018年12月才在美國市場完成首次交付,但其在韓國上市后的不到三個月,訂單量超過1000單。從美國市場銷量情況來看,氫燃料汽車似乎并沒有表現出預想中的爆發趨勢。

價格方面,豐田Mirai在日本國內的售價為720萬日元,約合人民幣44萬元;本田Clarity在日本國內的售價為766萬日元,約合人民幣47萬元;現代Nexo在美國的售價約為6萬美元,約合人民幣41萬元。雖然在進入中國市場后國家會給予一定的補貼,但這個售價的車型選擇非常多,很難讓消費者有勇氣去嘗試一款氫燃料汽車。

在中國市場,三家企業都已有所行動。目前來看,豐田正在調整氫燃料電池技術的推廣策略。在不久前的2019年上海車展期間,豐田掌門人豐田章男親自到訪中國,并飛往北京與北汽福田、億華通簽署戰略合作,期間他還在清華大學進行了一場演講,隨后并和后者成立聯合研究院。不久前,韓國現代自動車株式會社副社長、商用事業部本部長李仁哲在成都透露,將會在四川生產氫燃料電池汽車整車。同時,為加快實現以氫能源為基礎的未來“氫能社會”,現代汽車還與清華大學北京清華工業開發研究院共同設立了“氫能基金”,進一步推動中韓兩國氫能源相關創新技術的研發能力。而本田的動作似乎更加明顯,早在2018年年初,從國家工商局商標網站顯示的信息來看,本田已經完成了對氫燃料車CLARITY的商標注冊。

氫燃料電池汽車發展瓶頸

與燃油汽車以及電動汽車相比,氫燃料電池汽車在某些層面上有著很明顯的優勢,例如零排放、續航里程長、補給時間段等。此外,氫氣作為燃料本身的特性也為氫燃料汽車帶來了先天優勢,氫氣的質量能量密度高達143MJ/kg,是汽油的3.3倍、三元鋰電池單體的133倍。但在現階段,氫燃料汽車正面臨著許多技術和發展的瓶頸。

制造成本

在討論制造成本之前,我們先來普及一下燃料電池的工作原理:氫燃料電池動力系統將氫氣送到燃料電池的陽極板(負極),經過催化劑(鉑)的作用,氫原子中的一個電子被分離出來,失去電子的氫離子(質子)穿過質子交換膜,到達燃料電池陰極板(正極),電子則通過外部電路,到達燃料電池陰極板,從而在外電路中產生電流回路。電子到達陰極板后,與氧原子和氫離子重新結合為水。由于供應給陰極板的氧,可以從空氣中獲得,因此只要不斷地給陽極板供應氫,給陰極板供應空氣,并及時把水(蒸氣)帶走,就可以不斷地提供電能。

在這個過程中涉及到一個關鍵步驟,就是將氫原子中的電子與質子分離,這就涉及到要使用催化劑,目前能作為催化劑使用的材料只有金屬鉑,而鉑是一種價格及其昂貴的稀有金屬,目前市場價約200元每克,以現代Nexo為例,制造一臺Nexo需要使用56克鉑,這意味著單催化劑的材料成本就要花費11200元,這還不包括防止鉑中毒失效的附加成本。因此,降低催化劑中鉑的使用量,是降低制造成本的一大關鍵。

儲氫也是氫燃料汽車的關鍵之一,目前一個儲氫罐的成本大約在6萬元左右,現有車載高壓儲氫罐一般可以儲存6kg左右高壓氫氣,總體積在150L-200L上下,但這樣大的體積會嚴重擠壓車內空間,比如豐田Mirai的后排就只能乘坐兩人。此外,儲氫的能力直接決定了續航里程的長短,為了縮小體積但提高儲氫量,就需要提高儲氫壓力,而以現有的技術,儲氫壓力提高一倍,成本則需要增加7倍。

使用成本

因為氫氣制取成本很高,導致加氫價格相對比較昂貴。據億歐汽車了解,在有國家補貼的情況下,加氫的平均價格大約在60元/kg,隨著技術的發展,未來可能會降至40元/kg。以豐田Mirai為例,豐田Mirai一次大約可裝載5kg的氫氣,那么一次補給的成本大約是300元,這個使用成本大致與燃油車持平,但比混動汽車高出一倍,比純電動汽車高出近三倍。

耐久性及安全測試

氫燃料汽車目前的保有量還非常少,因此從用戶端反饋回來的可供參考的數據非常有限。中國工程院院士、中國科學院大連化學物理研究所研究員衣寶廉在此前接受媒體采訪時表示,氫燃料電池技術在進行大規模市場推廣之前,還需要進行可靠性與耐久性測試,確保壽命達到相應標準。此外,在安全標準的制定上,還需通過結構、電和氫安全的檢測,畢竟儲氫壓力本身很高,普遍為70MPa,這是一個很危險的壓力數值。要知道,20MPa的水壓就可以用來切割石材了。同時還要避免在高溫高壓的環境下發生“氫脆現象”,腐蝕金屬,引起裂紋導致儲氫罐破裂。

配套設施

拋開氫燃料汽車本身,其發展最大的阻礙則來源于國內加氫站的缺乏。目前,全國僅有12家加氫站處于運營狀態,分別坐落于北京、上海、鄭州、大連、中山、佛山、云浮、如皋、常州、十堰、成都等城市,距離形成規模體系還有很遠的距離,更無法保證車主們日常駕駛需要。而加氫站的建設又是另一個難題,從成本來看,一個日供應量在400公斤的小型加氫站成本大概在800萬元,更大規模的加氫站則要上千萬元。

氫燃料時代離我們還有多遠?

不可否認,如今中央與地方政府出臺了一系列扶持政策,鼓勵氫燃料電池汽車的發展,不僅對氫燃料電池車、加氫站進行了力度十足的補貼,還積極推動科研院所、車企、供應商、能源企業多方合作,形成產業配套,可以說是為氫燃料汽車提供了一個發育的“溫室”,這也給人們營造了一種“氫燃料時代已經到來”的假象。

中國科學院院士、清華大學教授歐陽明高曾預測,我國氫燃料汽車保有量2020年將達1萬輛,2025年達到10萬輛,2030年則為100萬輛。這是一個力爭的目標,目前看來也只是個目標。

事實上,需求才是市場的決定性因素,畢竟真正買單的還是消費者,政策的導向只能起到輔助作用,而現有的氫燃料電池汽車顯然還無法滿足人們的需求。在技術上還未取得重大突破的當下,安全、性能、穩定性、配套、價格等方面都還有待提升。

對消費者來說,40萬左右的預算可選擇的車型太多了,恐怕很少有人會愿意去嘗試一款技術還不夠成熟的氫燃料汽車。其次,在使用成本上,氫燃料汽車相比純電動汽車也要高出幾倍,即使要放棄傳統燃油汽車,氫燃料汽車也不會成為第一選擇。更重要的是,目前國內的配套設施極其不完善,未來將會有很長一段時間用來完善基礎設施,而在加氫站普及之前,氫燃料汽車的發展只能是“紙上談兵”。

這樣看來,氫燃料汽車似乎離我們還沒有那么近。只有技術的革新才能帶來產業的變革,堅實的基礎才是氫燃料汽車產業蓬勃發展的保障。

氫燃料時代也許會遲到,卻絕不會缺席。這對中國本土企業來說未嘗不是一個機遇。我國在科技創新上向來落后于西方國家,在純電動汽車成為整個行業發展重心的當下,我國自主品牌在“彎道”并未展現出“超車”的態勢。“對標特斯拉”,似乎已成為業內所有車企的口號。氫燃料或許是我國汽車產業又一個翻身的機會。在全球氫燃料汽車領域都還未取得重大突破的今天,我國本土企業如果能抓住機會,搶先取得研究突破,在政策的大力扶持下,我國汽車產業將有望改變現狀,在國際上掌握話語權。

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