2024年03月04日 星期一
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燃料电池点燃新能源车新方向

2019/10/16 13:50:001464

2014年丰田汽车的全球销量达到1023万辆,再夺销量冠军。丰田还没有决定把未来押宝在何种车型上,但他们已经把“未来”造出来并推向市场了。

去年底,丰田公司正式在日本发售氢燃料电池车MIRAI(意为“未来”),这是全球首款量产燃料电池汽车。与电动汽车的长充电时间不同,MIRAI只需要3分钟即可完成加氢,续航里程可达700公里,百公里加速不如电动汽车,约10秒。

这种技术是把氢气和氧气送入燃料电池,通过与电解质的反应来发电,进而驱动电动马达。它的好处是可以把化学能直接转化为电能,把燃料的转化效率做到40%-60%,并且只产生水和热,而非温室气体和污染。

相较搭载蓄电池的电动汽车,燃料电池汽车更接近消费者快速加油、长途旅行的乘驾习惯,因此丰田并不孤单。戴姆勒-奔驰计划于2017年,推出面向消费市场的燃料电池汽车。此前,戴姆勒-奔驰已于2013年与福特、雷诺-日产宣布成立燃料电池联盟。去年12月,宝马亦与丰田公司宣布联合研发燃料电池汽车。

丰田的“未来”

丰田氢燃料电池车的研发始于1992年,2002年丰田和本田推出了造价高达1亿日元的氢燃料电池车,这个成本使得该车无法推广。丰田汽车MIRAI燃料电池车的开发负责人田中义和在发售会上指出,现在燃料电池系统的费用降到了原来的二十分之一,“缠绕在氢燃料罐周围的质轻且结实的碳纤维强度未变,但成本大为降低。”

MIRAI的价格为723.6万日元(约合37.8万元人民币),如果除去日本政府补贴,消费者只需支付520万日元(约合27.1万元人民币),丰田旗下一款风靡全球的高档燃油轿车“皇冠”售价与之相当。

对这款第一个商业化的燃料电池车型,丰田的销量预期比较保守,原计划到2015年底销售700辆,但上市一个月间的预订量就达到1500辆,其中日本中央政府部门和地方政府、企业的订单约占60%,个人订单约占40%,其中男性占90%,多为60岁以上顾客。

除了政府采购,日本政府的扶持决心还体现在补贴上。除了每辆燃料电池车将获得300万日元补贴外,政府还承诺通过各种手段来推动加氢站的建设。

目前一座加氢站的建设成本约为4.6亿日元,日本政府为每座加氢站提供最高2.8亿日元的补贴,并考虑松绑法规,允许使用成本更为低廉的金属储氢罐。在2020年之前,一座加氢站的建设成本有望降至2亿-2.5亿日元。

日本政府曾提出,2015年底在国内建成100个加氢站,但由于燃料电池车尚未普及,此目标很难如期达成。

如何普及燃料电池车,如何做大这个市场?车企很明显等不及了,因此通过开放专利来扩大行业生态圈。丰田1月6日宣布,将无偿提供丰田独有的约5680项燃料电池相关专利(包括正在申请中的专利)的使用权。

燃料电池车尚处于市场启动阶段,规模小、成本高,加上加氢站未普及,让市场先行者无法覆盖巨额研发成本,更无法取得预期收益。

对丰田而言,最大的敌人不是那些燃料电池汽车或纯电动汽车的同行们,而是庞大的内燃机汽车制造商。向同行公开专利,鼓励他们一起把燃料电池汽车市场做大,这才是目前的领先者丰田最希望看到的。另一个不好摆上台面说的理由是:一旦市场做大,先行者就成了行业标准的把控者。

让大家都进来造燃料电池车,用你追我赶的技术创新降低成本,同时让基础建设企业受市场前景感召而投资加氢站。这个生态逻辑,丰田是想明白了。

坚定不移商业化

戴姆勒-奔驰集团的燃料电池技术来自1990年收购来的多尼尔(Dornier)公司。该技术名为质子交换膜燃料电池。

这种技术把氢气送到燃料电池的负极,经过铂催化剂的作用,氢原子中的一个电子被分离出来,失去电子的氢离子穿过质子交换膜,到达燃料电池的正极。而无法通过质子交换膜的电子,只能经过外部电路达到正极,从而在外部电路中产生电流,并在正极处与氢离子和氧原子结合,成为水。因此,只要不断地给正极供应氧气,并及时把水带走,就可以不断地产生电能。

相比上世纪60年代开始在航天器上应用的碱性燃料技术,质子交换膜燃料电池不会对空气中广泛存在的CO2敏感,此外,仅需70℃的工作环境就可以迅速启动,并且达到很高的能量密度。但是问题在于铂催化剂昂贵,并且对CO敏感。

多尼尔公司的燃料电池汽车研发计划包括氢燃料源和甲醇燃料源这两个平行研发方向。与氢气相比,甲醇是一种液体燃料,它的储存技术更为简单,不足之处是它的能量密度比氢燃料电池低。

随着研发团队不断壮大,戴姆勒-奔驰终于在1994年公布了自己的第一辆轻型燃料电池小货车——NECAR1。2002年,做出氢燃料电池版A级车;2010年,推出300辆氢燃料电池版B级车,并进行大规模公路测试。

戴姆勒-奔驰的保加利亚总代理巴尔干之星公司的报告显示,燃料电池汽车的B级版比早前的A级版,电能提高30%,行程范围提高150%,最高时速提高21%;此外,氢气的消耗量降低16%,燃料电池体积减少40%。

戴姆勒-奔驰公关部的赫德利施卡(Madeleine Herdlitschka)向《财经》记者介绍,目前该公司正与福特以及日产进行联合研发,并筹措在日本追浜、德国那伯恩以及加拿大温哥华的工程性工作。

虽然目前质子交换膜燃料电池技术是汽车商们的宠儿,但是固体氧化物燃料电池也是一个潜在的竞争者。固体氧化物燃料电池需要700℃-1000℃的工作环境,启动也很慢,但它不会对CO敏感,也适用于更广泛的燃料源,因此目前较多作为辅助电源设备。根据意大利国家研究委员会的能源高科技研究项目(CNR ITAE)报告,宝马已经在原型车上,对这项技术进行试验。

盘活可再生能源

传统车辆的动力,来自于燃料在内燃机中燃烧所产生的热能。在这一过程中排放出来的温室气体,迄今已占到全球总量的一半,是城市空气污染的主要来源。因此,各国政府的环保政策都越发严苛。

整车商的选择无非有三,要么提高内燃机效率,要么发展电动汽车,要么发展燃料电池汽车。内燃机效率的提高已日益临近极限,电动汽车的续航能力与充电时间迟迟难以解决。因此,最接近消费者乘驾习惯、几乎零污染的氢燃料电池汽车,便脱颖而出。

但是,气从哪里来?从《财经》记者对戴姆勒-奔驰和宝马的采访来看,它们均认为,加氢站是氢燃料电池汽车发展的先决条件。

传统的办法是通过天然气制氢,但这种方法不能解决氢气从生产到运输过程中的CO2排放问题。

德国联邦外贸与投资署的能源、环境与资源问题专家施塔庇茨(Heiko Staubitz )对《财经》记者说:“因此,用可再生能源所产生的电力,进行电解制氢,并让其搭载国家天然气运输网络,就能在整个运营体系中,把温室气体的排放降到最低。”

对于可再生能源市场来说,这未尝不是一件好事。因为可再生能源的电量不稳定,会对电网造成冲击,因此有相当部分电量无法接入电网。根据德国联邦外贸与投资署预测,从2030年开始,德国每小时都会产生大量过剩能源,并逐年递增。为此,德国政府投入大量资金,用于研究能量储存技术。

“德国政府关心的是,能否在2005年的基础上,把运输部门的能源需求在2020年削减10%,2050年削减40%。但是,政府不会把储能技术限定在某一种。” 施塔庇茨对《财经》记者说。

为了更好地辅助自己的氢燃料电池市场化计划,戴姆勒-奔驰也与Linde集团、壳牌、道达尔等能源公司,在2013年达成H2移动联盟,计划于2023年前在德国境内建设400个加氢站。