被“氢”视的燃料电池汽车值得期待
栏目:行业新闻 发布时间:2018-09-17
燃料电池因其使用过程高效无污染等优点被认为是未来极具应用潜力的车用动力源。随着纯电动汽车发展过程中渐遇瓶颈和国家层面的屡次重视,氢燃料电池汽车又重新被行业和社会寄予厚望...

燃料电池因其使用过程高效无污染等优点被认为是未来极具应用潜力的车用动力源。随着纯电动汽车发展过程中渐遇瓶颈和国家层面的屡次重视,氢燃料电池汽车又重新被行业和社会寄予厚望。那么什么是燃料电池?什么又是燃料电池汽车?燃料电池又是否会真的成为新能源车企的宠儿?本期文章将目光锁定这一汽车行业新物种,带您走进燃料电池汽车。

 

从燃料电池到燃料电池汽车

 

燃料电池 

燃料电池是一种将燃料和氧化剂的化学能转化为电能的装置。值得注意的是,与动力电池这种直接储能方式不同,燃料电池本质上只是能量转化装置,从这点说,燃料电池则更加类似于传统内燃机这种开放体系,只是最终能量输出的形式有所不同(内燃机输出机械能,燃料电池输出电能)。

 

 

 

氢能源是公认的清洁能源,也是未来人类能源结构升级的重要方向,氢燃料电池也是目前业内广泛讨论的重点。氢燃料电池的基本原理是电解水的逆反应。氢气和氧气(空气)在各自电极发生氧化/还原反应,最终产生电能和水。其中质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其运行温度低、效率高等优点,被认为未来更有可能在车端实现广泛应用。本文提及的燃料电池主要是指质子交换膜氢燃料电池。

 

燃料电池汽车 

单片燃料电池正常运行状态的下的电压大约为0.6~0.8V,实际应用时,为了满足一定的功率和电压要求,通常由数百节单片串联组成燃料电池电堆(Stack,个别翻译也称堆栈)。燃料电池无法单独直接工作,还必须配套外部附件组成燃料电池系统,车用燃料电池系统也被习惯的称作燃料电池发动机。燃料电池外部附件系统包括燃料(氢气)供应子系统、氧化剂(空气)供应子系统、水热管理子系统和监控子系统,主要的系统零部件包括高压氢气瓶、空压机、增湿器和氢气循环泵。高压氢气瓶对于车用燃料电池的意义对应于传统汽油车中的油箱。空压机的功能是提供燃料电池工作所需的氧气或者空气。增湿器的目的是为了让反应气体将燃料电池反应所需要的水带入燃料电池内部,目前的质子交换膜只有在湿润的状态下才能够有效传导质子。未来燃料电池系统的趋势是除去外部增湿器从而使系统得到简化,取而代之的是采用氢气循环泵将尾排气中的部分水重新带入燃料电池来满足增湿需求。 

燃料电池发动机再与纯电驱动系统中通用的三电模块——电池(目前燃料电池汽车仍主要采用燃料电池和动力电池的混联构型)、电机、电控,进行整车系统集成,最终得到燃料电池汽车。

 

 

燃料电池汽车市场化挑战

从潜力上来说,燃料电池汽车确实具备一些纯电动汽车目前无法比拟的优势,比如高能量密度带来的高续驶里程,更短的能量(燃料)加注时间,更加环保的原材料等等。但相比于当前纯电动市场的一枝独秀,燃料电池汽车虽然起步并不算晚,但自其诞生以来一直磕磕绊绊,几度站上风口,往往又是只闻雷声不见雨阵之势,其市场化之艰难归其原因主要是在技术、氢源等方面还存在巨大的挑战。 

技术 

燃料电池汽车在技术上面遇到的挑战来自两方面:整车技术与制造技术。整车技术包括诸如电堆、氢瓶、DCDC等核心零部件和燃料电池汽车整车集成技术。电堆等核心零部件的产业化和商业化目前还受到性能、成本和寿命等问题的制约,整车集成技术也尚处在不断升级的阶段,即便是目前全球燃料电池汽车的绝对老大丰田,在之前推广燃料电池汽车过程中也出现过因技术问题大面积召回的情况。另外一个方面就是整车制造的问题,从目前已经公开的资料来看,丰田、奔驰的燃料电池汽车的组装过程基本以人工和半自动为主,丰田的MIRAI生产速度是每天6.5辆,未来如何实现高效的大规模量产也是车企不得不面对的问题。技术和工艺的不成熟也直接体现在了燃料电池汽车高额的价格上,国内的燃料电池汽车一般都在百万元以上,丰田的燃料电池汽车MIRAI日本售价折合高达44万人民币,即便依靠政府补贴和各种优惠,最终消费者到手价也在30万元人民币左右。

 

 

加氢用氢 

氢源问题是横在燃料电池汽车市场化面前的又一座高山,也是燃料电池行业被反复拷问最多的问题。不同于已经广泛覆盖的电能网络,全球氢能网络建设仍处于初期起步阶段。据国外H2 Stations统计,截至2017年底,全球投入使用的加氢站共328座。其中日本91座位列第一;德国增长最快,2017年新增加氢站24座;中国国内目前投入使用加氢站仅13座。

 

 

 

另外氢气的制运储成本偏高导致零售端价格不亲民也是目前燃料电池汽车试图市场化需要面临的问题。加州地区布局的加氢站的氢气零售价大概在16美元/千克,按照这个价格进行折算,在加州开丰田的MIRAI,单位里程的燃油成本是同级别内燃车的两倍。当然短期市场推广,氢气贵的问题可以通过补贴等优惠补偿方式解决,例如加州地区购买租赁燃料电池汽车,将另外附送一张价值15000美元的加氢卡,基本能够覆盖燃料电池汽车8万公里以上的行驶里程。

 

竞对路线 

除了之前提到的技术问题和加氢用氢问题,目前燃料电池汽车市场化面临的另外一个难题就是其他新能源汽车技术路线的突飞猛进带来的生存空间问题。日新月异的动力电池技术正在不断拓宽纯电动汽车的应用范围和场景。 

2020年动力电池的能量密度有望突破300瓦时/千克,系统成本降到1元每千瓦时以下,纯电动路线逐步从低速短里程乘用车拓展到高速长里程乘用车和重载商用车领域。目前纯电动技术路线基本已经是乘用车企业电动化的主流选择,就连长期热衷燃料电池汽车研发的现代汽车公司,也在公开资料中表明,到2025年,乘用车在300-700公里之间,纯电动和燃料电池成本相当,500公里以内燃料电池轿车没有成本优势。 

未来的固态电池等更先进的动力电池技术还有望实现能与燃料电池技术相媲美的能量密度和充电时间,很有可能会进一步压缩燃料电池的市场空间。

 

 

 

素材来源:华夏幸福产业研究院

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