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头图

为什么氢燃料电池突然热起来了?

MikesPhotos / CC0

疯狂的罗斯特,发动机研发/穷游客

伴随着各国发布禁燃油车时刻表,各家车企都陆续暂停或者放缓了内燃机的研发工作,开始走向纯电动车和燃料电池车的道路。

以氢为能源的燃料电池,以其长续航、低温启动性能、以及可再生能源等因素得到了大量的关注,第一块氢燃料电池是 William Grove 于 1839 发明的,但是发展到今天,其实仍然没有实现大批量的生产。

先用一张图说明能源从来源到使用的整个生命周期的利用效率

Well-to-Wheel 的能量利用效率(包含了内燃机 ICE、纯电动 BEV、燃料电池 FCEV)

BEV 以及 FCEV 对能源的综合利用效率都比较高,而 ICE 虽然最高热效率能够达到 41%,但由于高负荷,低速等不利工况下的效率太低,使其平均热效率还是比较低。

必要性

纯电动(BEV)以其优越的性能和效率已经较低的使用成本,在低里程的场景有着极大的优势,但是在现阶段的复杂应用场景中,在低温、长里程、快速加燃料的场景中,需要燃料电池(FCV)来补充,同时储氢长期来讲是缓冲国家电网的重要途径。

伴随着汽油机的逐步减少,中石化、中石油也表示会逐步参与相关工作。

对于产电的核电站都表示要参与制氢工作。

以氢能为能源的优势

可再生能源

可再生是巨大优势,再也没有用完怎么办的质疑。氢是一种通用的能量载体,是储存能量的有效手段。氢很容易从任何电网电源、石油、天然气、核能和许多可再生能源中获得。多种途径可以为 BEVS 和 FCEVs 提供能量。可持续的最终目标将是最大限度地利用风能、水力发电和太阳能的可再生资源,为 BEV 提供动力,并产生氢气,下图展示了为 FCEV 提供燃料的过程。但是大部分观点认为,大规模的可再生能源战略需要高密度的储能方案,比如氢气。

燃料电池的能量密度优势

ICE 在这个领域优势巨大,即便从本文第一张图中可以看到内燃机效率较低,但是汽油或者柴油能够 carry 的燃料够多就有着更好的续航表现。同时在使用过程中,燃料会不断消耗,减少因车身重量带来的续航问题。而 BEV 的劣势被无限放大,车辆永远带着个沉重的电池包,在续航降低的情况下车身重量并没有下降,同时为了增加最大续航不得不不断堆加电池质量。当然 BEV 和 FCEV 的能量利用效率非常高,相对弥补了储能密度的劣势,FCEV 加氢同时在使用过程中消耗的方式也和 ICE 相似。FCEV 在长里程、高负载、快速加注燃料的场景的优势下被放大。

环保

燃料电池通过与氧的直接电化学反应,将储存的化学能从氢转化为电能。FCEV 整个化学反应中只产生水,并无其他物质。一般来讲对氢气的纯度要求 99.9%,基本上杂质比较少。最近又有些企业能够在重整氢气上运行,可能在有一定 CO、H2S 的含量下运行,这个对废气的处理可能还在研究中。

广泛的应用场景

在车辆大部分使用寿命都在低温下的地区,效率和航程都会受到影响。FCEV 和 BEV 的性能将有所不同。在 FCEV 中,冷启动带来较高的损耗,但是一旦燃料电池达到额定运行温度,系统可以提供足够的能量用于舱内加热。在纯电动汽车中,情况就大大不同了,在辅助驾驶室加热、动力传动系统损耗和低温电池性能恶化方面将带来巨大的电能损耗,严重降低了纯电动汽车的续航里程。这些是影响车辆动力总成的选择和客户满意度的差异化因素。要知道在很多北方地区,连两轮的电瓶车都不见踪影。

FCEV 的劣势

在任何交通工具的发展中,成本因素显得尤其重要,FCEV 的发展也是如此

燃料经济型

在彭博新能源财经的图中,目前每千瓦时 0.02-0.03 美元的可再生能源发电价格与传统能源相比具有成本竞争力。

燃料电池要求氢浓度在 99.9%以上,国外评估当制氢成本低于 2 美元 / 千克时,氢气可能成为首选的能源载体。

国内大通 V80 FCEV 版本百公里耗氢 1kg,氢气价格 40 元/kg,相应的柴油版本百公里油耗 8.5L,0 号柴油 6.3 元/L,相比来讲 FCEV 有一定优势,虽然并不突出。同时加氢站建设成本极其昂贵,1000 万左右,氢气的运输成本较高,整个产业链还未完全起来,加氢总体来讲还是很不方便。

核心零部件成本

燃料电池成本中,电堆占 60%,空气系统 15%,氢气系统 7%。电堆中,催化剂(钹金、铂碳附在膜上)成本最高,占电堆成本 50%。核心的催化剂、膜等材料以进口为主。

大通 V80 FCV 版本目前价格 130 万,去掉补贴后价格 30 万,同时比纯电动版本也贵了 100 万,这 100 万差不多就是燃料电池系统的成本,但是考虑到其销量非常差,分摊研发成本,恐怕还是亏本的。如附图,结构复杂是燃料电池系统成本较高的一个很大因素

燃料电池在中型轻型乘用车应用中将变得更加经济实惠。长期情景预测成熟的 FCEV 技术,将实现与 BEV 的初始材料成本持平。

下面这张图则是 GM 将两种动力 4 年总拥有成本(成本 / 吨运费英里)描述为范围的函数。以 300 英里代表最佳 FCEV 和 BEV 总拥有成本之间的过渡边界。每次充电 / 续航里程低于 300 英里,BEV 是一个更好的选择。当需要更高的航程(超过 300 英里)时,FCEV 是一个更好的选择。现阶段柴油车更具备优势,从长远来看,这一优势将转向有利于 BEV 和 FCEV。从长期来看,随后的市场成熟将朝着不需要激励的经济可持续的商业模式发展。

结论

汽车公司现在面临着前所未有的快速技术变革,加上急剧变化的客户需求和全球大趋势,需要加快提高电气化水平和自主能力。虽然 FCEV 和 BEV 的总销量仅占市场的 2%,但它们已经投入生产。从可持续以及环保等各个角度来看,动力总成的这种变革势在必行。以燃料电池为例,由于其昂贵的价格,实现可持续的商业模式还需要时日,但是伴随着政府的大力扶持,以及我们制造业大国的不断崛起,这些新技术很快会在市场中得到更广泛的应用,并实现规模效益。原始设备制造商正致力于通过改变材料、简化机械化、增强大批量生产工艺和行业标准化来降低 BEV 和 FCEV 的材料成本。作为动力总成的 BEV 和 FCEV 将相互补充。每种技术都能满足不同的客户和车辆需求,BEV 在乘用车应用中受到青睐,FCEV 在较大的商用车上能获得较好的经济性能。随着技术的不断成熟,FCEV 将会获得更大的市场份额。从各家车企的未来规划中,我们也看到,这个发展的趋势,以汽车大国德国为例,从加氢站信息可以看出,全欧洲现有 137 座,德国就有 76 座加氢站。而日本的丰田、本田都在大力推广燃料电池的发展,而韩国则是在政府大力引导下燃料电池。汽车行业的变革来的很快,谁的技术落后了,很快就会在市场表现中反应出来。