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新闻 > 行业 >清洁能源汽车动力多元化 燃料电池能否“氢”舞飞扬

清洁能源汽车动力多元化 燃料电池能否“氢”舞飞扬

作者/来源:CNEV
2017-03-16 11:09:34
目前新能源汽车的动力来源主要由锂离子电池、燃料电池以及太阳能等构成,锂离子电池在当前的新能源动力市场上占据主导地位,但燃料电池也是一个不容忽视的发展方向。燃料电池是将燃料反应得到的化学能转化为电能,这里的燃料可以是氢气,甲醇等。随着以丰田Mirai为代表的氢燃料汽车的推出,氢燃料电池在汽车界的发展越来越受到世人的瞩目。

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车用氢燃料电池的优点十分明显:
1. 电池质量轻
锂离子电池要比燃料电池重大约40-70%。即便是有着最一流电池管理技术的特斯拉,其动力电池总质量也占到了车总重的1/3。
2. 加氢时间短
按照目前的技术,锂离子电池充满需要数小时。但是如果氢气没有了,加氢的话只要短短几分钟就可以完成。

质量轻显而易见,加氢时间相对于锂电电池充电时间来说,是一种效率上的巨大提升,对于争分夺秒的现代人来说,花几个小时去为新能源汽车充电,无异于是一种煎熬。而目前解决锂电池充电时间过长是一个非常棘手的难题,甚至要比如何提高能量密度、降低成本、延长寿命等还难。因为如果缩短锂电充电时间,就意味着要大幅增加电流输入,这不仅会对电池的寿命造成严重损害,瞬时增大的电流对电网的冲击也是无法承受的。

以一辆能跑400公里的特斯拉电动车为例,即便用最快的充电方式也要75分钟才能充满,这种极快的充电方式不仅对电池寿命极其有害,需要的电流更高达192A(前40分钟用192A充满80%,后35分钟需要低电流涵养电池)而192A相当于40台家用壁挂式空调!如果电动汽车大规模普及,不仅发电规模翻几十倍都跟不上,更会让现有的电网系统瞬间崩溃,这可能吗?试想一下,炎炎夏天空调运转的负荷都让电力部门压力山大,比空调大几十倍的电动车又该令我们的电网情何以堪? 

虽然氢燃料电池优势明显,但同样存在着制约其在汽车领域大面积推广应用的困难和障碍,首先要克服的便是氢气加注的难题,目前氢气加注站远不像加油站那样普及,因为自然界中存在的氢气无法直接利用,氢气的来源主要是通过从天然气分离或是电解水的方式获取,获取方法上都存在着一定的难度。

面对这一困难,本田公司提供了一套氢气加注方案。近日,本田在东京安装的全球第一座高压水电解型制氢站(见下图)开始了验证实验阶段,这也许会成为燃料电池车普及的一座里程碑。这座高压水电解型制氢站能够制造出压力达到70MPa的氢气,且仅需使用水和太阳能电池板产生的电能,就能制造出氢,整个过程使用可再生能源,完全环保。

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但是,本田的加氢站能否在拥挤的城市大规模应用,同样是一个很大的问题。据估算,一个加氢站占地6平方米,如果氢燃料电池汽车普及的话,对氢气的需求将是非常巨大的,在寸土寸金的大城市塞进大批加氢站将面临巨大的土地资源和资金成本压力。另外,由于受城市雾霾和建筑遮挡的因素影响,阳光利用率会降低,此类加氢站氢气的生产量能否满足正常需求还是个未知数。

另一个氢燃料电池汽车大规模应用需要面对的困难,是氢燃料电池汽车成本高昂。随着锂电技术的不断突破,目前市场上的纯电动汽车成本正在逐步下降,售价也要明显低于燃料电池汽车。特斯拉Model3售价为3.5万美元,而丰田Mirai起始价格为5.75美元。同时,纯电动车充电桩正在逐步普及,且从普及难易度和成本上来讲,都要比加氢站要低很多。

因此,只有克服了氢气加注和降低成本的两大难题,氢燃料电池汽车也许才能真正迎来大规模普及的春天。

其实,关于燃料电池车和纯电动汽车的争论由来已久,特斯拉首席执行官埃伦·马斯克和其他人已经发表了大量文章和舆论,试图证明氢燃料电池不如纯电动汽车。

但是,燃料电池汽车在使用成本上的优势是无法掩盖的。氢燃料汽车的燃料成本与普通汽车几乎一致,比纯电动汽车更便宜(电池更换成本无比昂贵),总使用成本更低,因为没有内燃机,没有变速箱,除车轮轴承和空调外无任何机械摩擦,寿命极高,维护极为简单。


还是丰田以Mirai为例,日本石油最近公布的液化氢价格是1000日元/kg 约合53rmb/kg。Mirai的氢气罐容量122.4L × 713.79大气压 = 87,367.896L 约合87.4立方米,1kg氢气=11.2立方米氢气,所以加满氢气罐87.4 / 11.2 = 7.8kg,加满氢气罐的价格为7.8 x 1080 = 8424日元,约合 450元rmb,再按续航力650km计算,每公里的费用为450 / 650 =0.6923元rmb。差不多每公里7毛钱。实际上Mirai只能加5公斤氢气,约合290元,即每公里5毛钱。


另外,丰田的FCV,使用的是“电解质薄膜”燃料电池技术,简单就是说是利用氢气跟氧气化学反应过程中的电荷转移来形成电流,除了催化剂使用铂金外,没有任何的消耗物,铂金本身也不消耗,理论上这个“电解质薄膜”燃料电池寿命长的难以想象。


尽管近日由于燃料电池系统产生的输出电压问题,丰田开始召回所有约2,800辆零排放的Mirai汽车。但这丝毫不会影响丰田发展燃料电池汽车的信心和计划,据丰田表示,在未来Miari2代汽车上将降低铂金的使用量,届时将会大幅拉低燃料电池的成本。


燃料电池被视为零排放汽车的技术,在日本,政府层面非常重视燃料电池汽车的发展。东京市计划投资4亿美元用于燃料电池车辆补贴和加氢站建设,以在2020年奥运会期间展示日本的燃料电池技术,该公司也希望到时将有100辆燃料电池客车在东京运行。


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不仅丰田公司,其他汽车制造商也加速氢燃料电池动力的研究。本田在2016年12月推出了Clarity燃料电池轿车,现代也提供了图森燃料电池SUV。雷克萨斯和奥迪在最近一次的底特律车展上展示了氢概念车。通用和本田最近宣布合资开发下一代燃料电池系统。该合资公司计划投资8500万美元,并希望在2020年实现量产。下表是世界主要汽车厂商已推出燃料电池汽车以和2020年前的产品计划:


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燃料电池汽车的快速发展,国内企业同样也给予了高度重视,纷纷投入资金和技术研发力量进行燃料电池及相关产业领域的研究,并已经取得了一些应用性的成果,目前国内开展氢燃料电池及相关项目研发的公司主要有:


雪人股份:该公司拥有十几年的燃料电池技术储备,是双螺杆形式燃料电池压缩机的开发者,其研发的燃料电池压缩机及燃料电池系统,可以装备于氢燃料电池车,拥有知名的AUTOROTOR 品牌。OPCON 目前产品已应用于燃料电池巴士及汽车,为加拿大Ballard 以及奔驰、美国通用、沃尔沃、丰田、本田等众多汽车生产商提供过燃料电池系统。

 

同济科技:与中科院上海有机化学研究所、上海神力科技公司组建中科同力化工材料公司,占36.23%股权。该公司从事质子交换膜氢燃料电池关键材料与部件的研发,包括质子交换树脂和质子交换膜、膜电极、极板材料等关键材料。除此之外,同济科技还与其他公司一起共同建设了上海首座为氢燃料电池汽车服务加氢站。目前该加氢站储氢量最大可达800公斤,一次能连续为6辆大巴、20辆小汽车加注氢气,其规模在全球数一数二。


贵研铂业:是一家主要从事贵金属和相关产品的生产、综合回收利用和销售的公司,公司生产的铂催化剂是氢燃料电池目前技术中的关键部件。公司旗下的贵研所开创了我国铂族金属研究事业,是我国在该领域知识创新、技术创新的主要力量。该通过承担政府科研课题、与上汽集团合作等方式深耕燃料电池电极催化剂市场。


大洋电机:公司携手巴拉德开拓国内燃料电池市场。


福瑞特装:该公司高压储氢瓶和加氢站设备产品预计上半年推向市场。


德威新材:公司2016年6月宣布,拟以自有资金1亿元设立全资子公司德威互兴氢能,涉足氢燃料电池领域。


据报道,中车青岛四方机车公司与佛山市高明区近日签订了有轨电车示范线项目首期供货合同,将提供8列氢能源有轨电车等设备,这是国内首个落地的氢能源有轨电车订单。国内首条以氢能源为动力的有轨电车线路全长17.4公里,首期为6.5公里,计划投入使用。据了解,氢能源有轨电车由中车与加拿大巴拉德公司合作研发,加满一次氢只需3分钟,可持续行驶100公里,可实现全线无接触网运营,沿途也无需设置充电站。


氢燃料电池汽车发电效率高、环保低污染等方面的突出优势同样得到了业界高层人士的认可。在刚刚结束的全国政协十二届五次会议期间,全国政协委员、协鑫集团副总裁柳崇禧在接受媒体采访时表示,氢燃料电池的大规模发展即将来临。“一方面,原来的运输成本相对较高,而如今这一问题已得到很好的解决,现在的运输成本只有原来30%;另一方面,美国一些先进企业在国内开始建厂,国内也正在紧锣密鼓地试制研发氢燃料电池车,预计两年左右即将迎来跨越式的发展。”柳崇禧表示,氢燃料将作为增程器为电池供电,以达到更长的续驶里程,而这类技术将率先在大型机械以及长途运输领域得到应用。


尽管氢燃料电池大规模应用于汽车领域仍存在诸多难题待解,但随着技术的不断进步,以及越来越多的国内外车企对于这一领域的系统布局,氢燃料电池汽车迎来大规模发展的时期已指日可见。

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[CNEV中国新能源汽车网报道]

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