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市場觀察 | 燃料電池汽車會進入我們的生活嗎?

 發布時間:2022-12-07    點擊量:145

來自汽車文化市場的銘沨有自己在汽車消費領域中的小圈子,他們對氫能產業最關心的還是燃料電池汽車到底有沒有優勢?什么時候才能像鋰離子電池汽車那樣普及?這是一篇面向消費者的文章。

——鄭賢玲

由于我曾多年服務于汽車文化產業,在轉行到氫能產業之后,還是會和身邊一些朋友聊到汽車相關的話題,也因此不時會提到燃料電池汽車在未來汽車市場的發展前景。但是由于如今鋰電池汽車在市場已經比較普及,因此當我每每提到燃料電池汽車時,很多朋友依然是對燃料電池汽車的概念容易和鋰電池汽車的工作原理混為一談。針對這個現象,這次我們就來簡單聊一下究竟燃料電池汽車的工作原理和相關的核心部件,以及其和內燃機,鋰電池之間的區別。


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燃料電池并不是“電池"


沒錯,嚴格意義上來說,燃料電池雖然被稱之為電池,但是實際上并不是我們理解的像鉛酸電池和鋰電池那樣單純以儲能為目的的“電池",從字面上看,“電池"就是電的一個“蓄水池",就是儲存電能的裝備。

燃料電池的工作原理是通過氧化還原反應,將燃料中的化學能轉化為電能的裝置,不同于一般電池通過充放電來實現能量的存儲和釋放,燃料電池可以通過持續添加燃料來達到持續放電的效果,簡單來說其工作的過程就是通過添加燃料持續氧化還原反應來發電,其中常用的燃料為氫,通過電解質讓正負極的氫和氧產生氧化還原反應,其過程中電子從陽極傳導至陰極,從而形成電流。



因此也可以說,燃料電池汽車是結合了內燃機汽車和鋰電池汽車的特點,既可以通過快速補充燃料(氫)來維持續航,又因為其產生的主要為電能,而排放的為氫和氧電解水逆反應形成的水,因此可以達到快速高效的充能,又能達到真正意義上的無排放環保需求,彌補了內燃機和鋰電池二者的短板。




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燃料電池的發展過程


1839年,英國物理學家威廉·葛洛夫(William·Robert·Grove)制作了燃料電池,這顆燃料電池的問世基于1838年德國化學家克里斯蒂安·弗里德里希·尚班刊登在雜志上的理論,葛洛夫在看到后于次年驗證并完善了該理論,并在1842年將該燃料電池的設計草圖刊登在了《科學的哲學雜志與期刊》上。


葛洛夫設計的第一個燃料電池設計圖


葛洛夫的設計使用了硫酸溶液作為電解質,其形式更類似于現在的鉛酸電池。直到1955年,在通用電氣化學工程師湯瑪斯·葛盧布(W. Thomas Grubb)的改進之后,使用了磺化聚苯乙烯離子交換膜作為電解質的燃料電池才真正問世,而三年后,在其通用電氣同事李奧納德·尼德拉克(Leonard Niedrach)進一步將鉑帶入到了交換膜之上,作為還原反應的催化劑,并將其命名為“Grubb-Niedrach燃料電池“,至此也奠定了現代PEM燃料電池的基礎雛形。

1963湯瑪斯·葛盧布(右)和他的同事李奧納德·尼德拉克測試他們制作的PEM燃料電池

后期燃料電池在NASA和通用電氣的共同發展下,也應用在了多個商業項目以及航天項目之中,在上世紀60年代曾多次被用于登月車的驅動單元,以及在太空作為飲用水的來源,1991年,美國科學家羅杰·比林斯(Roger E·Billings)成功制造了第一臺氫燃料電池驅動的汽車——LaserCel 1,至此也正式拉開了氫燃料電池汽車的序幕。


羅杰·比林斯制造的第一臺燃料電池汽車——LaserCel 1,可以看出原型是一臺初代的福特嘉年華
現階段,燃料電池技術在全球的應用已經進入產業化發展階段,不過應用最多的是家用熱電聯產,日本這一產品已經銷售40多萬臺,并且已經具備經濟性。真正將燃料電池汽車帶入產業化的還是豐田Mirai和現代的NEXO,2014年豐田宣布燃料電池綜合成本下降至2008年的1/20,成為全球燃料電池汽車產業化的一個轉折點。中國還處于燃料電池驗證階段,美國則是通過叉車的規?;瘧脕眚炞C。


3

燃料電池的優勢與劣勢



擺脫資源約束和環境約束是新能源發展的核心目的。首先,氫氣來源廣泛,不受資源約束。目前燃料電池的催化劑用到鉑金資源,但與鋰電每輛車大約需要30kg炭酸鋰相比,燃料電池的鉑金用量是以克來計算的,而且鉑金的回收量達到90%以上,回收成本低于資源開采成本,所以燃料電池基本上不會受到資源約束。
其次,從碳達峰的角度來看,采用綠電制綠氫,可以真正做到綠色出行,燃料電池汽車消耗氫氣排泄的是水,且鉑金回收過程幾乎沒有污染。
第三,消費者更加關心的是駕駛體驗。燃料電池汽車加一次氫大約3-5分鐘(商用車在15分鐘以內),大約可以續航600-800km,而且在零下30度以下可以正常啟動,也不存在電池虧電的問題,在寒冷地區顯然減少許多焦慮。北京冬奧會一開始的方案并不是燃料電池汽車,是因為鋰電難以勝任延慶和張家口地區的低溫天氣才改為燃料電池汽車方案,這次1200輛燃料電池汽車很好地驗證了這一性能。
第四是安全性,燃料電池本身不儲能,所以,在車上的安全性比較高。
劣勢是氫能是最輕的氣體非常難以管理,儲運過程中的安全性要求也很高,相應的儲運成本就比較高,這是氫能行業發展最大的劣勢。這也推動了多種儲氫技術的發展,包括液氫、固態儲氫、有機化合物儲氫等。



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燃料電池汽車的現狀和路徑分歧


燃料電池的應用場景相當豐富,如船舶、叉車、火箭、飛行器、分布式電源等,之所以燃料電池汽車受到更多的關注,主要是因為其商業市場相對較為廣闊,一旦成熟,推行和普及速度相對較快,并且對整個行業可以產生巨大的帶動。

氫能和燃料電池雖然人類已經研發并邁入商用領域多年,但是離日常消費者的距離依然較遠,氫燃料電池汽車則能有效拉近這個距離,改善消費者對氫能的一些固有觀點。

不過,各國在發展路徑上有一些差異,早期各大汽車廠家研發的樣車都是乘用車,日本和韓國量產車型也是乘用車,但中國和美國則是以商用車為主。

自從比林斯制造出了第一臺燃料電池汽車后,不少廠商也看到了氫能的市場前景以及環保潛力,進入21世紀后,各大廠商也曾推出過一些氫燃料電池汽車的概念車或是測試車,但是在后期由于鋰電池市場的蓬勃發展,多家廠商只能暫時擱置或取消了燃料電池汽車的方案。

隨著鋰資源的成本逐漸升高,近年來一些主流車廠的視線又逐漸回到了燃料電池汽車的領域,如豐田、本田、日產、戴姆勒、寶馬、現代、起亞、通用等,都公布了燃料電池汽車的發展計劃。

根據雜志《Car and Drive》統計,截止到2022年,美國加州目前在路上行駛的氫燃料電池汽車大概為15,000臺,而隨著加氫站和氫能儲運系統的發展,相信燃料電池汽車的保有量會逐步增加。


除了日本本土,加州是目前Mirai最大的市場,也是目前全球兩個銷量超過10000臺的燃料電池汽車的市場之一


我們對氫能汽車的探索并不局限于燃料電池,寶馬和馬自達曾經都推出過氫氣混合動力的車型,并作為小規模的量產車型推出過,但是由于技術原因以及當時的加氫條件較為苛刻,這些車型也只能淹沒在年產千萬輛的汽車大市場中。

但近年來隨著氫能產業的示范應用,不論是技術進步,還是加氫站的建設都讓這些一度被放棄的技術路線熱情再度被點燃。2021年6月15日,本田宣布關閉日本狹山工廠并停產氫燃料電池車CLARITYFUELCELL,近期,本田又宣布,將于2024年推出一款基于全新CR-V跨界車打造的氫燃料電池插電式電動車,將在其位于美國俄亥俄州的高性能制造中心生產。

豐田還在近年不斷測試著氫內燃機的車型,作為技術儲備。當然,我們這次主要是聊燃料電池汽車,對于氫內燃機或氫混動,如果大家感興趣我們可以再找機會詳細聊聊。


寶馬和馬自達都曾經推出過氫混動車型,其中寶馬的Hydrogen 7更是推出了E38/E65兩代版本,而馬自達的RX8 Hydrogen RE一共量產了30臺,筆者自己第一臺車就是馬自達的RX8,所以當年推出氫動力版時還格外關注過一段時間。



豐田和雅馬哈合作開發的V8氫內燃機,可能會讓不少喜歡大排量燃油車的朋友看到未來依然能開到大排量的希望


在我轉行開始了解氫能產業之后,和朋友閑聊時,曾經有不少人問我為什么我們現在都很難看到燃料電池汽車,對此我一般給他們的解釋都是一方面,現階段我國在燃料電池汽車的發展方向主要為商用車而不是乘用車,其實在某些氫能示范城市如果大家平時留心,雖然目前還看不到燃料電池乘用車,但是可能環衛車、公交車、渣土車、物流車等商用車型的燃料電池汽車已經在路上行駛了。

此外,由于我國目前的加氫站以及氫能管網建設還無法滿足乘用車市場的需求,乘用車還只是在廣東和上海地區局部試點,以目前的基礎建設,乘用車大面積推廣還不具備條件,據統計我國在今年1-10月份燃料電池汽車銷量約3000輛,其中乘用車銷量大約不到5%,因此先通過商用車累積行業的技術經驗,加大基礎建設的投資,將會更有利于未來燃料電池乘用車市場的發展。



氫燃料電池不僅具備長續航的特點,而且其續航不受氣溫和環境影響,可以作為理想的生產工具的驅動方式,但是由于目前氫氣價格較高,還需要大量的政策扶持來刺激市場。

我國目前雖然也有部分乘用車廠商已經推出了燃料電池車型,但是國家目前的發展方向是以商用車為主,如上汽、濰柴、福田、宇通、中通、江鈴、飛馳等,都在積極開發氫能商用車。而縱觀產業鏈上下游,目前我國雖然部分技術相對落后于歐美同行業,但是由于我國目前的市場政策路線更偏向于商用車,跨越的技術門檻更高,隨著市場的逐步擴大,在技術逐步成熟的同時,成本也會逐步下降。


5

燃料電池汽車產業化瓶頸


正如上文所說,燃料電池汽車現階段最大的瓶頸其實依然是在氫氣的供給端。我們可以用目前北京市的加油站數量和公路里程為例,截止到目前,北京市公路里程大概為2.23萬公里,加油站大概為1030座,加氫站目前只有14座投入使用,換算下來約合每21.6公里即可找到一座加油站,而加氫站則需要1592公里左右才能找到一座。

且目前北京的加氫站大多位于郊區,曾為冬奧會的配套設施,盡管目前北京制定了到2025年建設并投入使用74座加氫站的計劃,但是相較于加油站的數量來說還是差了不止一個量級。


2021年北京市區加油站數量來源:前瞻人經濟學APP


全球燃料電池汽車乘用車推廣最快的國家是韓國,目前,韓國在運行的燃料電池汽車超過23000輛,而我國的運行車輛大約5000輛。到目前為止,我國加氫站已經達到290座,而韓國的加氫站只有120多座。到今年第三季度,我國累計銷售11027輛,韓國累計銷量31596輛,以燃料電池汽車累計銷量與加氫站比例來算,我國車占比38.02:1,韓國的車站比為263.3:1。

但一個現實的問題是,我國國土面積大,以地方政府規劃的這290座加氫站分布在全國960平方公里土地上的27個省份,平均每座加氫站服務的面積,3.31萬平方公里,即使目前加氫站分布在經濟相對發達的地區,我們按照國土面積的50%計算,平均每座加氫站輻射的半徑也有16550平方公里;而韓國120座加氫站分布在10.33萬平方公里的國土區域,平均每座加氫站輻射的面積也只有860平方公里。

我國一個廣東省就有17.97萬平方公里,超過韓國整體國土面積,可見即使加氫站最多的廣東省也達不到韓國加氫站的密度。而本來廣東省的加氫站主要集中在佛山市,這個地區加氫站的密度已經非常高,但當地無論是化石能源制氫還是工業副產氫都很缺乏,可再生能源制氫尚未啟動,氫氣成本太高,導致運行車輛處于虧損,而且氫氣供應缺口巨大,無法滿足加氫站滿負荷工作需求。


到目前我國運行的加氫站超過290座。數據來源:香橙會研究院。


此外,由于全球燃料電池產業鏈整體的商業化程度并不高,規模也不夠大,因此相對的成本較高。而且如果燃料電池想要做到盡可能達到理想的無排放環保標準,除了氫氣的來源必須選擇用綠電生產的綠氫外,在設備的生產過程中也要盡可能使用綠電來進行生產。

雖然我國目前風能和光伏綠電項目發展迅速,但是同比火電來說,電價在某些風能和光伏不發達的區域還是存在一定的差價,對個人使用可能并沒有太大區別,但是在工業生產上還是會拉高整體的生產成本。


6

燃料電池汽車的未來


目前我國雖然也有了部分公司如廣汽、紅旗、長安、海馬、上汽等在開發燃料電池乘用車,且豐田也在國內開始了Mirai II代的銷售,但是價格相對鋰電汽車普遍較高,且最重要的是消費者要面對加氫困難的痛點。

雖然燃料電池汽車目前在新能源汽車市場中還沒有打開局面,銷量的提高更多是依賴政策的發展,但是這本身也是新能源汽車從進入市場時就要經歷的過程,通過商用汽車在相對比較固定的路線試點,逐步解決相關基建配套設施,并不斷加大密度。

從歐、美、日、韓等發達國家來看,早期都是從燃料電池汽車開始切入,但發展過程中都遭遇了氫能供應的瓶頸,然后又回頭來投入氫氣的制取和儲運項目。目前我國的情形也差不多,過去二十多年的注意力和投資重心都在燃料電池,但最近兩年加氫站和電解槽項目明顯加快。

同時隨著技術進步和規?;l展,可以大大降低產業鏈上下游的生產成本,燃料電池汽車憑借其環保,補能方便,且不受環境因素影響的眾多優勢,基礎建設條件成熟就能夠打開局面。

從各地出臺的氫能規劃來看,大部分地區示范期也就是2025前都還是以商用車為主,一部分地區2030年的規劃涉及到乘用車。但我們認為燃料電池乘用車的發展更多是在基礎設施相對成熟、且成本達到市場預期后,由整車企業來主導的市場,到2030年燃料電池成本從現在的4000元/kW降到1000元/kW以內,氫氣成本降到25元/kg,以燃料電池優越的性能優勢,我們對其應用前景有良好的預期。

至于到底是燃料電池還是氫內燃機會成為未來,這兩個產品在根源上也不存在太大的沖突,我想消費市場的最終結果還是需要讓消費者去決定。

注:本文已獲得轉載權


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