媒体报道

田仆研究 | 燃料电池汽车:新能源汽车的后起之秀?

2018-06-12

前言:

从新能源汽车这一概念推出以来,纯电动和插电式混合动力汽车一直是公众眼中新能源汽车的象征。经历了描绘大饼、一哄而上、泡沫破裂、补贴缩水后,新能源汽车行业大概率留给狂热的投机者们的会是一地鸡毛。与之相对的是,5月国家总理访日期间,百忙之中抽出时间访问了丰田汽车的北海道厂区,重点了解了燃料电池乘用车Mirai;5月29日龙湾论坛上,吉利董事长李书福公开表示吉利正在研究燃料电池项目。结合国家特意对燃料电池汽车不执行补贴退坡政策,或许潜藏在那一地鸡毛下的金子,就是燃料电池汽车。


原理介绍

燃料电池汽车其核心动力是由燃料电池提供。而燃料电池的工作机理是通过将H2和O2生成H2O这一反应的氧化反应和还原反应分为两部分,继而构成一个电池来产生电力。其工作方式和内燃机有相似之处,只不过排出的产物是无毒无污染的水。这些特质使得燃料电池具有效率高、环境友好的特点。考虑到燃料电池的一节工作电压不足1V,为了满足实际应用的电压要求,燃料电池的每个节需要串联起来形成电堆。

在国际上,燃料电池汽车的发展历经了三个阶段:

第一阶段(1990-2005)

1990年美国能源署开始制订氢能和燃料电池研发和示范项目,同时世界发达国家纷纷加紧氢能与燃料电池的研发部署。但世界范围内对燃料电池汽车产业化过于乐观,认为在1995年左右便能实现产业化,而实际情况是试制车在芝加哥路上运行不到一个月,证明了当前阶段做出的燃料电池不能应对复杂的汽车工况。


第二阶段(2005-2012)

历经7年时间研究和开发,燃料电池能够适应复杂的汽车工况,其比功率达到了2Kw/L且能够于-30°C储存和启动,基本上满足了车用要求。


第三阶段(2012-至今)

丰田研制的燃料电池比功率达到了3.1Kw/L并在2014年12月15日宣布“未来”氢燃料电池车实现商业化,随后本田和现代也实现了燃料电池车商业化。2015年开始,燃料电池汽车的商业化在世界范围拉开了帷幕。


在国内,燃料电池汽车的发展也十分的曲折。从“九五”开始,国家就对氢燃料电池车的研发进行了布局,现在已经走过了20个年头。

• 2008年北京奥运会有23辆氢燃料电池车参加了运营。至2010年上海世博会,这一数字增加到了196辆。

• 上汽于2014年进行了创新征程万里行,燃料电池汽车在全国14个省市自治区25个城市运行,超越10000公里,接受了沿海潮湿、高原极寒、南方湿热、北方干燥的考验。

• 客车方面宇通推出了第三代燃料电池客车,氢燃料加注时间仅需10分钟,测试工况下续航里程超过600公里,尤其是成本下降了50%。福田燃料电池客车也亮相北京奥运会和上海世博会,近年来技术又得到提升。2016年,上海大通V80氢燃料电池版轻客,采用新源动力电堆驱动,最高车速可达120km/h。

• 国家计划到2020年要实现燃料电池关键材料批量化生产的质量控制和保证能力,在2025年之前实现燃料电池汽车小规模运行。为了推行氢燃料电池车,国家推出了相应的补贴政策:对符合国家技术标准且日加氢能力不少于200公斤的新建燃料电池车加氢站每个站奖励400万元。


竞争对比

作为新能源汽车领域的新方向,相较于纯电动汽车,燃料电池汽车具有如下优点:

• 长续航里程:现阶段燃料电池汽车的续航里程均在500~600km,而相比之下纯电动汽车大多的续航里程在300~400km。而长续航里程使得氢燃料汽车在路线较为固定、行驶里程数较长的商用车领域有着更好的表现。

• 加氢时间远小于充电时间:纯电动电池车的充电时间一直是其一个致命软肋,快充1.5~2小时、慢充8小时也扼杀了其快速执行长距离运输任务的可能性。相较之下,燃料电池汽车所需3分钟的加氢时间使得其在实际应用中更有吸引力。

• 轻量化:燃料电池提供的能量密度是传统蓄电池远不能及的,这也注定了燃料电池车相对于传统电动车能够更加轻便,尤其是对物流车等对载荷有要求的车型,无疑是轻便的燃料电池车更契合其需求。

• 电池寿命长:相较于平均只有3~5年使用寿命的电动车电池,以丰田Mirai为例,氢燃料电池的使用寿命可长达20年,保证了燃料电池汽车的使用寿命。

• 能源再利用:氢燃料电池所用的原料可以来源于工业副产氢,从制备、运输到储存、利用基本都可以沿用石油产业链留下的设备,油轮,输油管,加油站。且当前国内过剩的能源(例如通过风能产生的过剩电能)也可以通过转氢储存起来,避免能源浪费,也为氢能源出行提供燃料。


不过相对的,燃料电池车也受到自身一些因素的制约:

• 燃料电池车的普及和推广需要加氢站的支持,而加氢站前期投入巨大,目前大概一个加氢站需要投入1000万元以上,即便算上政府补贴400万元也是一笔不菲的投入。目前全国加油站有超过13万座,加氢站即便只是替代加油站数量的1%也仍需要天价的投入。

• 燃料电池当前用的催化剂主流还是铂,而铂是一种非常稀有且昂贵的金属。即便通过技术进步导致催化剂铂用量减少,燃料电池车产量增加也会使得铂的需求以及价格双双上涨,从而蚕食掉技术进步带来的成本节约收益。

• 现阶段大多数氢燃料电池车采用的方法都是高压储氢法,即便采用这种方法容器中氢气的重量也很有限。为了保证氢气运输安全,压力容器必须很牢固,其重量较大,增加了整车的负重。此外氢属于可燃性气体,若安全措施不当,或引发安全风险事故。

但是这些制约均是一些暂时性的制约而不是燃料电池本身特性带来的无法克服的固有缺陷。比如加氢站方面,随着技术的进步,美国阿贡国家实验室的研究人员提出了两级压力整合的解决方案,在非高峰期间,压缩机将氢气从第2级容器转移到第1级容器中,而不是闲置的,而当为储氢罐加注高压氢气时,压缩机将从第1级储氢罐中抽取氢气。由于在非峰值时的压力整合,第1层处于高压状态,压缩机能够实现比其他类型的压缩机更高的吞吐量。通过这种方法新的加氢站的建设成本可以降低30%。除此之外,加氢站也可以从加油站改造而来,改造的成本也大大少于建造一个全新的加氢站的成本。加氢站成本的减少会极大促进燃料电池汽车业基础设施的建设,为燃料电池车的普及打下基础。

在燃料电池催化剂方面,除了减少催化剂铂用量这一条明显的路径外,还有提高催化剂的抗衰减能力以及研发非铂催化剂这两条节约成本的路径。之前已有团队通过实验发现运用铂合金-碳体系作为催化剂能够较大提高催化剂的抗衰减能力,延长燃料电池使用寿命从而变相节约铂用量。此外去年9月日清纺开发出了非铂体系的燃料电池催化剂,通过碳替代铂,能把燃料电池的材料成本削减至几千分之一左右。技术进步和发展的速度,昭示着燃料电池催化剂成本大幅降低是可以期望的,也说明燃料电池车作为新能源汽车的后起之秀并在市场上普及随着技术进步在成本上是可行的。

在储氢方面,现阶段技术下社会上并没有报道过关于储氢技术和储氢运载工具的安全性问题,技术上的安全性可以保证。通过对当下储氢技术进行改良和商业化使其适用于燃料电池车市场,市场对于燃料电池汽车的安全性是充满信心的,而这个过程现在也被多家企业证实是可行的。


产业链现状

氢燃料电池的产业链大致可以分为上游材料、中游集成和下游应用三部分。其中燃料电池汽车便是氢燃料电池下游应用中的交通运输部分。


现阶段,燃料电池汽车行业下游应用部分包括燃料电池叉车、燃料电池乘用车、燃料电池商用车等领域。其中燃料电池叉车率先得到发展,目前主要集中在美国。据美国能源部2016年5月统计显示,2008年美国叉车数量在500辆左右,2016年美国26州叉车数量超过11000辆,年复合增速高达56%,包括沃尔玛、保洁和可口可乐等知名公司均成为燃料电池叉车的大客户。而作为燃料电池乘用车的代表,日本丰田的Mirai在上市之初受到日本国内外的追捧,其订单在日本国内超过3000辆,在美国约2000辆,大大超出了丰田公司的预期。中国则选择了率先发展燃料电池商用车的道路,2017年,全国燃料电池商用车总销量达到1100多辆,中植汽车、东风、上汽大通、北汽福田等车企均与燃料电池厂商展开了深度合作,期望在这一新的市场占有一席之地。在下游的应用方面,中国的企业选择了符合自己客观实际的发展道路,并取得了一定的成绩,开拓了一定的市场规模。

燃料电池汽车的中游则是燃料电池系统集成,将上游膜电极、双极板等材料和部件进行组装。而其中最核心的部分毫无疑问则是燃料电池电堆,当下燃料电池电堆一项的成本可以占到燃料电池系统总成本的50%以上。当下国内做燃料电池系统的厂家不多,主要有新源动力、北京亿华通、重塑科技以及江苏清能等。虽然目前国内在燃料电池系统方面和国外仍有一定差距,但燃料电池系统这一块国内相关企业也在不断进步中。差距比较明显的地方则体现在燃料电池电堆这一块,例如17年氢燃料电池车上牌最多的重塑科技使用的电堆是巴拉德的电堆,其耐久性超过2万小时,产能30万Kw,而国内自主研发电堆的佼佼者新源动力和神力科技,其电堆产品耐久性仅仅达到1万小时,产能上限为6万Kw,国产电堆的进步还是需要自主研发和技术引进并举。

燃料电池汽车产业链上游则包括了膜材料、催化剂、扩散层以及双极板等关键零部件。目前国内在上游材料领域这一块设计逐渐有所涉及,但大多还处在研发阶段以及小批量生产阶段。目前在膜电极领域,国内的领军者有东岳集团、武汉理工新能源和新源动力等;而在极板领域大连物化所和安泰科技走在了前面。


结语

纵观人类历史工业化进程,其使用的能源的能量密度是一个不断增加的过程。从最开始干木柴只有0.13MJ/kg的能量密度,到煤燃料的20.8MJ/kg的能量密度,再到汽油和天然气40多MJ/kg的能量密度,能量密度的增大带来了更强大的工业动力和更高的工业效率。而作为高效环保的能源,氢能源具有高达140MJ/kg的能量密度,对氢能源的利用必然会成为人类历史进步中的重要一环。作为氢能源利用的核心方式之一,燃料电池也必将受到科学界、资本界和大众的进一步关注。

随着国家的对于燃料电池汽车行业的补贴和支持,对乘用车给予最多20万/辆的补贴额以及对轻型和大中型商用车分别给予最多30万/辆以及50万/辆的补贴额,给燃料电池汽车的上中下游打了一针强心剂。在国家的激励下,国内相对弱势的燃料电池汽车产业链上游以及电堆部分都有一定的突破。据科技日报5月21日消息,从清华大学核能与新能源技术研究院新型能源及材料化学研究室获悉,燃料电池关键材料催化剂产业化生产难题,已被清华大学氢燃料电池实验室与武汉一家科技公司的联合研发团队攻克。目前,催化剂产能达到1200克/天的规模,可满足40台36kW燃料电池电堆使用,并具备大规模工业化生产条件。该系列成果彻底打破少数国家对该技术的长期垄断,且价格仅为同类进口产品一半。而在电堆方向,江苏清能通过自己的自主研发,掌握了国际领先的燃料电池大功率单堆技术,单堆功率最高达到40Kw,并预计于今年下半年为宇通客车推出60Kw单堆。国内燃料电池核心技术的接连突破,加之加氢站的成本节省可能性和高额补贴导致可预计的加氢站大规模建设,标志着燃料电池汽车作为新能源汽车领域的后起之秀,其商业化和规模化的趋势势在必行,未来可期。