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产业观察|燃料电池汽车未必是终极答案,但仍值得期待


来源: 华夏幸福

图片来自丰田中国

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取代锂电池成为车企的宠儿?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)。

图1 内燃机、燃料电池和动力电池

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。

图2 从燃料电池到燃料电池汽车

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。

图3 丰田燃料电池汽车MIRAI的销售价格与优惠

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。

图4 全球加氢站布局情况

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。

图5 动力电池技术的突飞猛进让纯电动路线成为车企宠儿

燃料电池汽车市场化现状

由于技术要求的差别,燃料电池乘用车和商用车目前也处于不同的发展阶段,承担不同的历史使命。燃料电池在乘用车上的应用会要求更高的电堆功率密度和系统集成度,同时作为消费级的产品还必须控制成本;而燃料电池商用车则更加关注使用寿命问题。因此从历史发展阶段来看,商用车更加适合作为前期燃料电池车端应用落地的重点,而乘用车则是作为后期进一步打开消费级市场的关键。

燃料电池乘用车

据INFORMATION TRENDS统计,截至2017年底,全球氢燃料电池汽车一共销售了6475辆,其中丰田MIRAI就占了75%,本田的Clarity占13%,现代之前推出的ix35 FCEV占11%。美国加州堪称目前全球氢燃料电池汽车推广的前沿阵地,销量占到全球50%以上。从美国、日本、韩国三个国家近些年燃料电池汽车的销量数据来看,目前全球燃料电池乘用车的市场化仍处于早期的技术尝鲜阶段,增长并不稳定,甚至早期技术尝鲜者的热情可能还在逐渐退潮。

图6 美国、日本、韩国燃料电池乘用车销量

目前全球范围内燃料电池乘用车的主要推动者有德国的戴姆勒、日本的丰田本田和韩国的现代。由于燃料电池技术路线的高壁垒和高风险,部分乘用车企业也试图通过联盟合作的方式进行技术共享和风险共担,比如今年奥迪和现代的结盟和更早之前的本田和通用联盟。中国国内上汽曾经进行过一段时间的燃料电池乘用车运行示范,而长城汽车是国内目前致力于推动燃料电池乘用车落地商业化的生力军,长城计划要在2020年展示首辆基于专属平台的燃料电池车型,在2022年北京冬奥会上推出首支燃料电池车队。

燃料电池商用车

目前全球对于燃料电池应用的主流态度逐渐转向更容易实现和落地的商用车领域。丰田已经开始计划扩大氢燃料电池在商用车领域的应用,并在今年陆续推出了燃料电池巴士SORA和升级版的燃料电池重卡。

美国则是全球较早开始实现燃料电池巴士商业化运行的国家,并且已经在燃料电池性能、成寿命方面取得了巨大突破。近期美国能源部燃料电池示范项目的公开报告显示,在美运行的燃料电池巴士累计运行时间最好的已经达到了27000小时,超过了美国能源部制定的25000小时的终极目标。中国新能源汽车发展整体战略一直鼓励氢燃料电池在长途重载公共交通等领域率先示范落地,并且对于氢燃料电池汽车的补贴力度在2020年之前维持不变。

目前国内燃料电池汽车的发展主要集中在商用车领域,特别是在物流车领域,数量增长较快。据统计,2017年全国燃料电池商用车产量1226辆,其中物流车占94%。另外,从工信部新能源汽车目录车型统计情况来看,中国市面上可供选择的燃料电池商用车产品也在快速丰富。优越的政策环境和物流车领域的率先破局极大提振了国内燃料电池汽车的发展信心,甚至有专家判断,2018年国内燃料电池汽车就有望突破3000-5000辆的规模,提前实现2020年目标。

图7 燃料电池商用车产品逐渐丰富

燃料电池汽车的未来

燃料电池汽车目前面临的一些产业化和市场化困难并不完全影响我们对于燃料电池汽车这一技术路线的美好期待。以更加深远的眼光来看,赋予燃料电池这一技术无限想象空间的本质上还是氢能作为能量载体的优势。

在未来人类普适价值观不发生大的偏差的情况下,低碳环保将会成为长期追求,其发展方向也会从目前的过程低碳化衍生到能源低碳化,可再生能源与新兴储能方式也注定成为未来人类发展的重要课题。或许对于“氢能是人类社会终极能源”这一判断,我们应该更加冷静,但氢气作为最优质的储能方式和最清洁的能源理应不该被错过。

氢燃料电池汽车正是作为人类熟悉使用氢能源的先锋角色出现的,而氢燃料电池汽车的市场接受程度也终将会由国家或是区域的能源结构和氢能比例决定,最终呈现出一定的区域发展特性。相信在不远的将来,使用氢能的燃料电池汽车一定会成为人们出行最好的伙伴。

关注公众号并回复数字“98”,获取本期21篇产业观察全文。

[责任编辑:朱玮芳 PF102]

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