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市場(chǎng)觀察 | 燃料電池汽車(chē)會(huì)進(jìn)入我們的生活嗎?

 更新時(shí)間:2022-12-07    點(diǎn)擊量:919

來(lái)自汽車(chē)文化市場(chǎng)的銘沨有自己在汽車(chē)消費(fèi)領(lǐng)域中的小圈子,他們對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)最關(guān)心的還是燃料電池汽車(chē)到底有沒(méi)有優(yōu)勢(shì)?什么時(shí)候才能像鋰離子電池汽車(chē)那樣普及?這是一篇面向消費(fèi)者的文章。

——鄭賢玲

由于我曾多年服務(wù)于汽車(chē)文化產(chǎn)業(yè),在轉(zhuǎn)行到氫能產(chǎn)業(yè)之后,還是會(huì)和身邊一些朋友聊到汽車(chē)相關(guān)的話(huà)題,也因此不時(shí)會(huì)提到燃料電池汽車(chē)在未來(lái)汽車(chē)市場(chǎng)的發(fā)展前景。但是由于如今鋰電池汽車(chē)在市場(chǎng)已經(jīng)比較普及,因此當(dāng)我每每提到燃料電池汽車(chē)時(shí),很多朋友依然是對(duì)燃料電池汽車(chē)的概念容易和鋰電池汽車(chē)的工作原理混為一談。針對(duì)這個(gè)現(xiàn)象,這次我們就來(lái)簡(jiǎn)單聊一下究竟燃料電池汽車(chē)的工作原理和相關(guān)的核心部件,以及其和內(nèi)燃機(jī),鋰電池之間的區(qū)別。


1

燃料電池并不是“電池"


沒(méi)錯(cuò),嚴(yán)格意義上來(lái)說(shuō),燃料電池雖然被稱(chēng)之為電池,但是實(shí)際上并不是我們理解的像鉛酸電池和鋰電池那樣單純以?xún)?chǔ)能為目的的“電池",從字面上看,“電池"就是電的一個(gè)“蓄水池",就是儲(chǔ)存電能的裝備。

燃料電池的工作原理是通過(guò)氧化還原反應(yīng),將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置,不同于一般電池通過(guò)充放電來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)和釋放,燃料電池可以通過(guò)持續(xù)添加燃料來(lái)達(dá)到持續(xù)放電的效果,簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)其工作的過(guò)程就是通過(guò)添加燃料持續(xù)氧化還原反應(yīng)來(lái)發(fā)電,其中常用的燃料為氫,通過(guò)電解質(zhì)讓正負(fù)極的氫和氧產(chǎn)生氧化還原反應(yīng),其過(guò)程中電子從陽(yáng)極傳導(dǎo)至陰極,從而形成電流。



因此也可以說(shuō),燃料電池汽車(chē)是結(jié)合了內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)和鋰電池汽車(chē)的特點(diǎn),既可以通過(guò)快速補(bǔ)充燃料(氫)來(lái)維持續(xù)航,又因?yàn)槠洚a(chǎn)生的主要為電能,而排放的為氫和氧電解水逆反應(yīng)形成的水,因此可以達(dá)到快速高效的充能,又能達(dá)到真正意義上的無(wú)排放環(huán)保需求,彌補(bǔ)了內(nèi)燃機(jī)和鋰電池二者的短板。




2

燃料電池的發(fā)展過(guò)程


1839年,英國(guó)物理學(xué)家威廉·葛洛夫(William·Robert·Grove)制作了燃料電池,這顆燃料電池的問(wèn)世基于1838年德國(guó)化學(xué)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(yàn)證并完善了該理論,并在1842年將該燃料電池的設(shè)計(jì)草圖刊登在了《科學(xué)的哲學(xué)雜志與期刊》上。


葛洛夫設(shè)計(jì)的個(gè)燃料電池設(shè)計(jì)圖


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

1963湯瑪斯·葛盧布(右)和他的同事李?yuàn)W納德·尼德拉克測(cè)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(fā)展下,也應(yīng)用在了多個(gè)商業(yè)項(xiàng)目以及航天項(xiàng)目之中,在上世紀(jì)60年代曾多次被用于登月車(chē)的驅(qū)動(dòng)單元,以及在太空作為飲用水的來(lái)源,1991年,美國(guó)科學(xué)家羅杰·比林斯(Roger E·Billings)成功制造了臺(tái)氫燃料電池驅(qū)動(dòng)的汽車(chē)——LaserCel 1,至此也正式拉開(kāi)了氫燃料電池汽車(chē)的序幕。


羅杰·比林斯制造的臺(tái)燃料電池汽車(chē)——LaserCel 1,可以看出原型是一臺(tái)初代的福特嘉年華
現(xiàn)階段,燃料電池技術(shù)在全球的應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化發(fā)展階段,不過(guò)應(yīng)用最多的是家用熱電聯(lián)產(chǎn),日本這一產(chǎn)品已經(jīng)銷(xiāo)售40多萬(wàn)臺(tái),并且已經(jīng)具備經(jīng)濟(jì)性。真正將燃料電池汽車(chē)帶入產(chǎn)業(yè)化的還是豐田Mirai和現(xiàn)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(chē)產(chǎn)業(yè)化的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。中國(guó)還處于燃料電池驗(yàn)證階段,美國(guó)則是通過(guò)叉車(chē)的規(guī)?;瘧?yīng)用來(lái)驗(yàn)證。


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燃料電池的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)



擺脫資源約束和環(huán)境約束是新能源發(fā)展的核心目的。首先,氫氣來(lái)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(chē)大約需要30kg炭酸鋰相比,燃料電池的鉑金用量是以克來(lái)計(jì)算的,而且鉑金的回收量達(dá)到90%以上,回收成本低于資源開(kāi)采成本,所以燃料電池基本上不會(huì)受到資源約束。
其次,從碳達(dá)峰的角度來(lái)看,采用綠電制綠氫,可以真正做到綠色出行,燃料電池汽車(chē)消耗氫氣排泄的是水,且鉑金回收過(guò)程幾乎沒(méi)有污染。
第三,消費(fèi)者更加關(guān)心的是駕駛體驗(yàn)。燃料電池汽車(chē)加一次氫大約3-5分鐘(商用車(chē)在15分鐘以?xún)?nèi)),大約可以續(xù)航600-800km,而且在零下30度以下可以正常啟動(dòng),也不存在電池虧電的問(wèn)題,在寒冷地區(qū)顯然減少許多焦慮。北京冬奧會(huì)一開(kāi)始的方案并不是燃料電池汽車(chē),是因?yàn)殇囯婋y以勝任延慶和張家口地區(qū)的低溫天氣才改為燃料電池汽車(chē)方案,這次1200輛燃料電池汽車(chē)很好地驗(yàn)證了這一性能。
第四是安全性,燃料電池本身不儲(chǔ)能,所以,在車(chē)上的安全性比較高。
劣勢(shì)是氫能是最輕的氣體非常難以管理,儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中的安全性要求也很高,相應(yīng)的儲(chǔ)運(yùn)成本就比較高,這是氫能行業(yè)發(fā)展的劣勢(shì)。這也推動(dòng)了多種儲(chǔ)氫技術(shù)的發(fā)展,包括液氫、固態(tài)儲(chǔ)氫、有機(jī)化合物儲(chǔ)氫等。



4

燃料電池汽車(chē)的現(xiàn)狀和路徑分歧


燃料電池的應(yīng)用場(chǎng)景相當(dāng)豐富,如船舶、叉車(chē)、火箭、飛行器、分布式電源等,之所以燃料電池汽車(chē)受到更多的關(guān)注,主要是因?yàn)槠渖虡I(yè)市場(chǎng)相對(duì)較為廣闊,一旦成熟,推行和普及速度相對(duì)較快,并且對(duì)整個(gè)行業(yè)可以產(chǎn)生巨大的帶動(dòng)。

氫能和燃料電池雖然人類(lèi)已經(jīng)研發(fā)并邁入商用領(lǐng)域多年,但是離日常消費(fèi)者的距離依然較遠(yuǎn),氫燃料電池汽車(chē)則能有效拉近這個(gè)距離,改善消費(fèi)者對(duì)氫能的一些固有觀點(diǎn)。

不過(guò),各國(guó)在發(fā)展路徑上有一些差異,早期各大汽車(chē)廠家研發(fā)的樣車(chē)都是乘用車(chē),日本和韓國(guó)量產(chǎn)車(chē)型也是乘用車(chē),但中國(guó)和美國(guó)則是以商用車(chē)為主。

自從比林斯制造出了臺(tái)燃料電池汽車(chē)后,不少?gòu)S商也看到了氫能的市場(chǎng)前景以及環(huán)保潛力,進(jìn)入21世紀(jì)后,各大廠商也曾推出過(guò)一些氫燃料電池汽車(chē)的概念車(chē)或是測(cè)試車(chē),但是在后期由于鋰電池市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展,多家廠商只能暫時(shí)擱置或取消了燃料電池汽車(chē)的方案。

隨著鋰資源的成本逐漸升高,近年來(lái)一些主流車(chē)廠的視線(xiàn)又逐漸回到了燃料電池汽車(chē)的領(lǐng)域,如豐田、本田、日產(chǎn)、戴姆勒、寶馬、現(xiàn)代、起亞、通用等,都公布了燃料電池汽車(chē)的發(fā)展計(jì)劃。

根據(jù)雜志《Car and Drive》統(tǒng)計(jì),截止到2022年,美國(guó)加州目前在路上行駛的氫燃料電池汽車(chē)大概為15,000臺(tái),而隨著加氫站和氫能儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)的發(fā)展,相信燃料電池汽車(chē)的保有量會(huì)逐步增加。


除了日本本土,加州是目前Mirai的市場(chǎng),也是目前全球兩個(gè)銷(xiāo)量超過(guò)10000臺(tái)的燃料電池汽車(chē)的市場(chǎng)之一


我們對(duì)氫能汽車(chē)的探索并不局限于燃料電池,寶馬和馬自達(dá)曾經(jīng)都推出過(guò)氫氣混合動(dòng)力的車(chē)型,并作為小規(guī)模的量產(chǎn)車(chē)型推出過(guò),但是由于技術(shù)原因以及當(dāng)時(shí)的加氫條件較為苛刻,這些車(chē)型也只能淹沒(méi)在年產(chǎn)千萬(wàn)輛的汽車(chē)大市場(chǎng)中。

但近年來(lái)隨著氫能產(chǎn)業(yè)的示范應(yīng)用,不論是技術(shù)進(jìn)步,還是加氫站的建設(shè)都讓這些一度被放棄的技術(shù)路線(xiàn)熱情再度被點(diǎn)燃。2021年6月15日,本田宣布關(guān)閉日本狹山工廠并停產(chǎn)氫燃料電池車(chē)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(chē)打造的氫燃料電池插電式電動(dòng)車(chē),將在其位于美國(guó)俄亥俄州的高性能制造中心生產(chǎn)。

豐田還在近年不斷測(cè)試著氫內(nèi)燃機(jī)的車(chē)型,作為技術(shù)儲(chǔ)備。當(dāng)然,我們這次主要是聊燃料電池汽車(chē),對(duì)于氫內(nèi)燃機(jī)或氫混動(dòng),如果大家感興趣我們可以再找機(jī)會(huì)詳細(xì)聊聊。


寶馬和馬自達(dá)都曾經(jīng)推出過(guò)氫混動(dòng)車(chē)型,其中寶馬的Hydrogen 7更是推出了E38/E65兩代版本,而馬自達(dá)的RX8 Hydrogen RE一共量產(chǎn)了30臺(tái),筆者自己臺(tái)車(chē)就是馬自達(dá)的RX8,所以當(dāng)年推出氫動(dòng)力版時(shí)還格外關(guān)注過(guò)一段時(shí)間。



豐田和雅馬哈合作開(kāi)發(fā)的V8氫內(nèi)燃機(jī),可能會(huì)讓不少喜歡大排量燃油車(chē)的朋友看到未來(lái)依然能開(kāi)到大排量的希望


在我轉(zhuǎn)行開(kāi)始了解氫能產(chǎn)業(yè)之后,和朋友閑聊時(shí),曾經(jīng)有不少人問(wèn)我為什么我們現(xiàn)在都很難看到燃料電池汽車(chē),對(duì)此我一般給他們的解釋都是一方面,現(xiàn)階段我國(guó)在燃料電池汽車(chē)的發(fā)展方向主要為商用車(chē)而不是乘用車(chē),其實(shí)在某些氫能示范城市如果大家平時(shí)留心,雖然目前還看不到燃料電池乘用車(chē),但是可能環(huán)衛(wèi)車(chē)、公交車(chē)、渣土車(chē)、物流車(chē)等商用車(chē)型的燃料電池汽車(chē)已經(jīng)在路上行駛了。

此外,由于我國(guó)目前的加氫站以及氫能管網(wǎng)建設(shè)還無(wú)法滿(mǎn)足乘用車(chē)市場(chǎng)的需求,乘用車(chē)還只是在廣東和上海地區(qū)局部試點(diǎn),以目前的基礎(chǔ)建設(shè),乘用車(chē)大面積推廣還不具備條件,據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)在今年1-10月份燃料電池汽車(chē)銷(xiāo)量約3000輛,其中乘用車(chē)銷(xiāo)量大約不到5%,因此先通過(guò)商用車(chē)?yán)鄯e行業(yè)的技術(shù)經(jīng)驗(yàn),加大基礎(chǔ)建設(shè)的投資,將會(huì)更有利于未來(lái)燃料電池乘用車(chē)市場(chǎng)的發(fā)展。



氫燃料電池不僅具備長(zhǎng)續(xù)航的特點(diǎn),而且其續(xù)航不受氣溫和環(huán)境影響,可以作為理想的生產(chǎn)工具的驅(qū)動(dòng)方式,但是由于目前氫氣價(jià)格較高,還需要大量的政策扶持來(lái)刺激市場(chǎng)。

我國(guó)目前雖然也有部分乘用車(chē)廠商已經(jīng)推出了燃料電池車(chē)型,但是國(guó)家目前的發(fā)展方向是以商用車(chē)為主,如上汽、濰柴、福田、宇通、中通、江鈴、飛馳等,都在積極開(kāi)發(fā)氫能商用車(chē)。而縱觀產(chǎn)業(yè)鏈上下游,目前我國(guó)雖然部分技術(shù)相對(duì)落后于歐美同行業(yè),但是由于我國(guó)目前的市場(chǎng)政策路線(xiàn)更偏向于商用車(chē),跨越的技術(shù)門(mén)檻更高,隨著市場(chǎng)的逐步擴(kuò)大,在技術(shù)逐步成熟的同時(shí),成本也會(huì)逐步下降。


5

燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化瓶頸


正如上文所說(shuō),燃料電池汽車(chē)現(xiàn)階段的瓶頸其實(shí)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(shù)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(wàn)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(lái)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(qū),曾為冬奧會(huì)的配套設(shè)施,盡管目前北京制定了到2025年建設(shè)并投入使用74座加氫站的計(jì)劃,但是相較于加油站的數(shù)量來(lái)說(shuō)還是差了不止一個(gè)量級(jí)。


2021年北京市區(qū)加油站數(shù)量來(lái)源:前瞻人經(jīng)濟(jì)學(xué)APP


全球燃料電池汽車(chē)乘用車(chē)推廣最快的國(guó)家是韓國(guó),目前,韓國(guó)在運(yùn)行的燃料電池汽車(chē)超過(guò)23000輛,而我國(guó)的運(yùn)行車(chē)輛大約5000輛。到目前為止,我國(guó)加氫站已經(jīng)達(dá)到290座,而韓國(guó)的加氫站只有120多座。到今年第三季度,我國(guó)累計(jì)銷(xiāo)售11027輛,韓國(guó)累計(jì)銷(xiāo)量31596輛,以燃料電池汽車(chē)?yán)塾?jì)銷(xiāo)量與加氫站比例來(lái)算,我國(guó)車(chē)占比38.02:1,韓國(guó)的車(chē)站比為263.3:1。

但一個(gè)現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題是,我國(guó)國(guó)土面積大,以地方政府規(guī)劃的這290座加氫站分布在全國(guó)960平方公里土地上的27個(gè)省份,平均每座加氫站服務(wù)的面積,3.31萬(wàn)平方公里,即使目前加氫站分布在經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)達(dá)的地區(qū),我們按照國(guó)土面積的50%計(jì)算,平均每座加氫站輻射的半徑也有16550平方公里;而韓國(guó)120座加氫站分布在10.33萬(wàn)平方公里的國(guó)土區(qū)域,平均每座加氫站輻射的面積也只有860平方公里。

我國(guó)一個(gè)廣東省就有17.97萬(wàn)平方公里,超過(guò)韓國(guó)整體國(guó)土面積,可見(jiàn)即使加氫站最多的廣東省也達(dá)不到韓國(guó)加氫站的密度。而本來(lái)廣東省的加氫站主要集中在佛山市,這個(gè)地區(qū)加氫站的密度已經(jīng)非常高,但當(dāng)?shù)責(zé)o論是化石能源制氫還是工業(yè)副產(chǎn)氫都很缺乏,可再生能源制氫尚未啟動(dòng),氫氣成本太高,導(dǎo)致運(yùn)行車(chē)輛處于虧損,而且氫氣供應(yīng)缺口巨大,無(wú)法滿(mǎn)足加氫站滿(mǎn)負(fù)荷工作需求。


到目前我國(guó)運(yùn)行的加氫站超過(guò)290座。數(shù)據(jù)來(lái)源:香橙會(huì)研究院。


此外,由于全球燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈整體的商業(yè)化程度并不高,規(guī)模也不夠大,因此相對(duì)的成本較高。而且如果燃料電池想要做到盡可能達(dá)到理想的無(wú)排放環(huán)保標(biāo)準(zhǔn),除了氫氣的來(lái)源必須選擇用綠電生產(chǎn)的綠氫外,在設(shè)備的生產(chǎn)過(guò)程中也要盡可能使用綠電來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)。

雖然我國(guó)目前風(fēng)能和光伏綠電項(xiàng)目發(fā)展迅速,但是同比火電來(lái)說(shuō),電價(jià)在某些風(fēng)能和光伏不發(fā)達(dá)的區(qū)域還是存在一定的差價(jià),對(duì)個(gè)人使用可能并沒(méi)有太大區(qū)別,但是在工業(yè)生產(chǎn)上還是會(huì)拉高整體的生產(chǎn)成本。


6

燃料電池汽車(chē)的未來(lái)


目前我國(guó)雖然也有了部分公司如廣汽、紅旗、長(zhǎng)安、海馬、上汽等在開(kāi)發(fā)燃料電池乘用車(chē),且豐田也在國(guó)內(nèi)開(kāi)始了Mirai II代的銷(xiāo)售,但是價(jià)格相對(duì)鋰電汽車(chē)普遍較高,且最重要的是消費(fèi)者要面對(duì)加氫困難的痛點(diǎn)。

雖然燃料電池汽車(chē)目前在新能源汽車(chē)市場(chǎng)中還沒(méi)有打開(kāi)局面,銷(xiāo)量的提高更多是依賴(lài)政策的發(fā)展,但是這本身也是新能源汽車(chē)從進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)就要經(jīng)歷的過(guò)程,通過(guò)商用汽車(chē)在相對(duì)比較固定的路線(xiàn)試點(diǎn),逐步解決相關(guān)基建配套設(shè)施,并不斷加大密度。

從歐、美、日、韓等發(fā)達(dá)國(guó)家來(lái)看,早期都是從燃料電池汽車(chē)開(kāi)始切入,但發(fā)展過(guò)程中都遭遇了氫能供應(yīng)的瓶頸,然后又回頭來(lái)投入氫氣的制取和儲(chǔ)運(yùn)項(xiàng)目。目前我國(guó)的情形也差不多,過(guò)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(xiàng)目明顯加快。

同時(shí)隨著技術(shù)進(jìn)步和規(guī)?;l(fā)展,可以大大降低產(chǎn)業(yè)鏈上下游的生產(chǎn)成本,燃料電池汽車(chē)憑借其環(huán)保,補(bǔ)能方便,且不受環(huán)境因素影響的眾多優(yōu)勢(shì),基礎(chǔ)建設(shè)條件成熟就能夠打開(kāi)局面。

從各地出臺(tái)的氫能規(guī)劃來(lái)看,大部分地區(qū)示范期也就是2025前都還是以商用車(chē)為主,一部分地區(qū)2030年的規(guī)劃涉及到乘用車(chē)。但我們認(rèn)為燃料電池乘用車(chē)的發(fā)展更多是在基礎(chǔ)設(shè)施相對(duì)成熟、且成本達(dá)到市場(chǎng)預(yù)期后,由整車(chē)企業(yè)來(lái)主導(dǎo)的市場(chǎng),到2030年燃料電池成本從現(xiàn)在的4000元/kW降到1000元/kW以?xún)?nèi),氫氣成本降到25元/kg,以燃料電池*的性能優(yōu)勢(shì),我們對(duì)其應(yīng)用前景有良好的預(yù)期。

至于到底是燃料電池還是氫內(nèi)燃機(jī)會(huì)成為未來(lái),這兩個(gè)產(chǎn)品在根源上也不存在太大的沖突,我想消費(fèi)市場(chǎng)的最終結(jié)果還是需要讓消費(fèi)者去決定。

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