氢燃料电池汽车的抢滩登陆战开始打响

发布时间:2018-03-09

  为什么选择氢燃料电池车
  
  2015年在巴黎召开的联合国气候大会(COP21)上,195个国家同意将全球变暖趋势控制在2摄氏度以内。为了达到这个目标,世界将需要在2050年前将二氧化碳排放量减少60%,即使预期人口增长将超过20亿。
  
  目前全球能源结构为原油33%,天然气24%、煤炭30%,核电4%、水电7%和新能源2%,而中国 70% 是煤炭,核电占 2%,太阳能占 4.7%,风电占 9.3%,水电占 20.2%,2016 年用电量达 16.5 亿千瓦,化石能源居于绝对主导地位。
  
  但展望未来,以燃料电池为代表的氢能源凭借着其热值高,无污染且来源广泛的特点,有望在30年内全面取代石油,成为新的主导能源,我国计划在2050年实现让氢能成为能源结构的重要组成部分。与此同时以氢燃料电池为动力的氢燃料电池汽车也被视为是未来的重要交通工具。
  
  
  
  氢燃料电池汽车是一种用车载氢燃料电池装置产生的电力作为动力的汽车。与通常的电动汽车比较, 其动力方面的不同在于氢燃料电池用的电力来自车载氢燃料电池装置, 电动汽车所用的电力来自由电网充电的蓄电池。因此,氢燃料电池汽车的关键是氢燃料电池。
  
  氢燃料电池(Fuel Cells)是一种不需要经过卡诺循环的电化学发电装置,能量转化率高。氢燃料电池的工作原理相对简单,主要包括燃料氧化和氧气还原两个电极反应及离子传输过程。当以氢气为燃料,氧气为氧化剂时,燃料电池的阴阳极反应和总反应分别为:
  
  阳极:H2 → 2H++2e-
  
  阴极:1/2 O2+2H++2e-→H2O
  
  总反应:H2+1/2O2 →H2O
  
  其中,H2通过扩散达到阳极,在催化剂作用下被氧化成和e-,此后,H+通过电解液到达阴极,而电子则通过外电路带动负載做功后也到达阴极,从而与O2发生还原反应(ORR)。由于在能量转换过程中,几乎不产生污染环境的含氮和硫氧化物,氢燃料电池还被认为是一种环境友好的能量转换装置。由于具有这些优异性,氢燃料电池技术被认为是21世纪新型环保高效的发电技术之一。
  
 
  
  发展历史
  
  1838年,燃料电池的原理游德国化学家尚班(Christian Friedrich SchÖnbein)提出,并刊登在当时著名的科学杂志。
  
  1839年,英国物理学家威廉.格洛弗把刊登氢燃料电池理论,其后又把氢燃料电池设计草图于1842年刊登。
  
  
  
  到20世纪50年代以前,氢燃料电池一直处于理论与应用基础的研究阶段。氢燃料电池理论和类型也不断丰富,1952年英国剑桥大学的Bacon用高压氢氧制成了具有实用功率水平的氢燃料电池。在此前期间,GE(通用电气)资助了PEMFC质子交换膜燃料电池的研究。
  
  20世纪90年代至今,人类日益关注环境保护。以质子交换膜氢燃料电池为动力的电动汽车开始蓬勃发展:1991年,罗杰.比林期开发出世界上首个用于汽车的氢燃料电池;1994年,世界上第一辆氢燃料电池汽车——奔驰NECARI问世,2013年,丰田在东京车展上展出FCV概念车,并宣告2015年量产版问世。
  
 
  
  优势与瓶颈
  
  氢燃料电池与纯电动汽车和混合动力汽车相比有独特的优缺点
  
 
  
  我们可以看到,氢燃料电池汽车在加氢时间,续航距离和电池能量密度方面有自己得天独厚的优势,但也在成本、性能、寿命和配套设施方面遭遇瓶颈。
  
  一. 氢燃料电池汽车中的成本部分有71%与其燃料电池动力系统相关,分别是燃料电池系统(63%)和车载储氢系统(8%)。
  
  氢燃料电池由质子交换膜,电极(催化剂和扩散膜)和双极板等构成,这些核心部件构成燃料电池关键成本,主要被欧美和日本厂商垄断,技术壁垒和售价高,是导致氢燃料电池汽车售价高的主要原因。
  
  
  催化剂:质子交换膜氢燃料电池为低温燃料电池,对催化剂的活性要求很高,目前铂是最理想的催化剂,但是铂金属比较稀有且价格较高,目前主要是减少铂的使用量,并寻找替代材料。
  
  电解质膜:质子交换膜性能要求非常,它的开发和生产难度很大。制造成本过高,氢燃料电池中电解质膜必须达到质子导电率高,水分子电渗透作用小,干湿转换性能好等要求。目前能满足这些要求的全球只有少数几家企业手,包括美国杜邦公司和日本的旭化成。中国目前的电解质膜依靠进口,目前电解质膜的成本还较高。
  
  双极板:作为质子交换膜燃料电池的关键组件之一,双极板占整个燃料电池重量的60%,成本的 45%。其性能优劣直接影响电池的输出功率和使用寿命。双极板主要壁垒体现在加工成本上,加工难度大,采用精密的机械加工模式,加工费用占双极板费用的80%。且加工时间长,限制了双极板的批量供应,影响未来大规模商用化。
  
  
  
  二.氢燃料电池功率性不强。也就是瞬间启动的能力不强,从氢燃料启动到电能的转换大概需要10秒左右的延时,这是燃料本身无法解决的问题。目前国外车企通过将氢燃料电池作为主驱动能源,在此基础上加少量锂电,在瞬间启动时使用,再转换至氢燃料电池来解决。
  
  三.燃料电池寿命很短。资料显示,目前世界上最好的氢燃料电池的理论寿命也只停留在8000至10000小时(若按每天工作4小时计算,氢燃料电池的使用时间约为5至6年)。而三元锂电池寿命理论上能达到4000个周期(相当于8至10年)。
  
  四.氢燃料电池汽车的相关配套设施也非常不完善,加氢站受制于产业政策不清晰,建设成本居高不下的问题难以在国内放量。
  
  国内目前加氢站仅有7个,建设成本以日本目前的标准高达1500万元。且加氢站对环境要求较高,基础设施建设要重新规划。业内人士提出,加氢站的背后,是一整套氢能源生产和运输网络作为支撑,氢气本身的安全问题、加注氢燃料时的安全及操作过程中的安全问题都需要解决好。
  
  未来的破局之道
  
  目前氢燃料电池汽车的发展阻碍正在逐渐得到解决,基础设施不完善被认为是阻碍氢燃料电池汽车推广的重要原因,目前世界各国都在推动加氢站的建设。以日本为例,为普及氢燃料电池车,计划到2025年度使供给其燃料的加氢站增至320处。
  
  
  
  德国预计在2023年建设400个加氢站的目标。美国预计到2020年,将会建设至少75座加氢站。此外加拿大,欧盟,新加坡,韩国等国家也都发布了支持氢能源发展的政策。我国计划到2025年,制氢、加氢等配套基础设施基本完善。
  
  而随着技术的发展和规模化生产,氢燃料电池汽车的高成本问题也将逐渐得到解决,为了降低铂的使用量,各大公司进行了持续研究,近几十年来,膜电极上催化剂铂的负载 量从 10mg/cm2 降到了 0.02mg/cm2,降低了近 200 倍。比如美国能源部燃料电池技术办公室 FCTO 用新的 d-PtNi 催化剂替代了 NSTFPtCoMn 催化剂,使得氢燃料电池系统的价格下降了 1.85 美元/kW;丰田公司力求通过改进铂金材料的镀层技术来降低铂金催化剂的使用量。
  
  表面改性的多涂层结构金属双极板将大幅优化镀层成本,瑞典 Impact Coatings 公司推出的一种 Ceramic MaxPhase 陶瓷涂层, 将其涂在不锈钢板上来防腐蚀,该技术在节约成本上体现出显著优势,可将氢燃料电池的镀层成 本降低到每千瓦 5 美元,并有望提早达到 2017 年美国能源部目标的每千瓦 1 美元。
  
  根据美国能源部燃料电池技术办公室(FCTO)的研究,当生产 1000 套质子交换膜氢燃料电池系统时,燃料电池堆栈的成本为 154 美元/kW,氢燃料电池系统的成本为 216 美元/kW 而生 产 10000 套质子交换膜氢燃料电池时,氢燃料电池堆栈的成本大幅下降到了 61 美元/kW,氢燃料电池系统大幅下降到 103 美元/kW。
  
  
  
  抢滩
  
  2016年3月日本经济产业省宣布,为普及氢燃料电池车,计划到2025年度使供给其燃料的加氢站增至320处。燃料电池车力争到2025年在日本国内售出20万辆,到2030年售出80万辆。燃料电池车价格到2025年将降到200多万日元,促使普通消费者也购买。
  
  德国预计在2023年建设400个加氢站的目标。美国的加州政府已经拨款2亿用于今后10年的加氢站网络扩张,预计到2020年,美国将会建设至少75座加氢站。英国在政策上大力支持FCV,并计划至2030年,生产、销售160万辆FCV。此外加拿大,欧盟,新加坡,韩国等国家也都发布了支持氢能源发展的政策。
  
  我国政府在《中国制造2025》中提到,燃料电池汽车运行规模将进一步扩大。到2020年,生产1000辆燃料电池汽车并进行示范运行;到2025年,制氢、加氢等配套基础设施基本完善,燃料电池汽车实现区域小规模运行。国务院印发《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》中也明确提出燃料电池汽车需要实现“产业化”。
  
  而各大车企也纷纷抓紧了氢燃料电池汽车的研发进展,最近几年,丰田、本田、奔驰、通用、现代、福特、宝马等国际车厂纷纷推出氢燃料电池汽车计划,推出并研发了多个车型,丰田早在1992年时,就开始研究氢燃料电池汽车了,但是由于种种原因没有成型。
  
  20年后的2013年,丰田的氢燃料电池车的概念车型亮相东京车展,经过一系列技术认证,2015年丰田首辆氢燃料电池车Mirai在日本交货。根据资料显示,截至2017年2月,Mirai销量为2840辆。
  
  同样作为日本企业,本田涉足氢燃料电池车的时间可以追溯到1996年,2017年3月本田首批氢燃料电池汽车Clarity交付到消费者手中。
  
  现代汽车在氢燃料电池领域发力更早。目前已经拥有两款氢燃料电池量产车型,一款为2013年亮相的氢燃料电池车ix 35 FCV,这也是业内收款量产的氢燃料电池车。经过5年的发展,2018年3月ix 35 FCV的换代车型Nexo将在韩国正式上市。
  
 
  
  据了解,新一代车型在储氢罐数量增多了但重量反而下降,与ix35 FCV相比,NEXO储氢罐减重13%,容量增加了12%,达到了156L。续航里程超过600公里。
  
  在国内的车企中,上汽大通的FCV80氢燃料电池车实现了量产,该车首次亮相是在2017年广州车展期间,但在此前FCV80已经拿到了100辆的订单。据了解,上汽为FCV80制定的小目标是短期生产运营300-500台。不过有别于Mirai、Clarity和Nexo,FCV80面向的是商务领域。
  
  目前除了丰田、本田、现代外,雷克萨斯、起亚、奔驰和宝马也将与2021年推出自己的氢燃料电池车。
  
 
  
  在这氢燃料电池汽车的热潮下,纯电动汽车是否会被打败,先驱者们是否能继续保持优势,又是否会有新的企业实现弯道超车,世界汽车强国的格局又是否会被改写?氢燃料电池汽车的抢滩登陆战已经打响,让我们拭目以待!
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