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氢燃料电池汽车比电动汽车为什么差这么多?

2019-12-02 16:38 次阅读

1838 年 12 月,德国物理学家克里斯蒂安 · 弗里德里希 · 舍本贝恩(Christian FriedrichSch?nbein)在《伦敦和爱丁堡哲学杂志》上展示了他发明的第一个燃料电池,并讨论了由溶解在水中的氢和氧产生的电流技术。同一年,威尔士物理学家和大律师威廉 · 格罗夫爵士(Sir William Grove)也发表了相关著作,虽然从现在往回看,当时的燃料电池技术比较粗糙,但二人的文章证明了燃料电池的可行性。

此后一百余年,燃料电池被不断提及,成为清洁能源的代表之一。氢能作为最易获得的能源,在燃料电池中获得较高的地位。随着对环境的重视,我们越来越强调「低碳经济」与「生态文明」,因而世界的主旋律都在向新能源看齐。众所周知,新能源因污染小、储量大、分布广,更能满足当下的需求。

氢燃料电池汽车比电动汽车为什么差这么多?

威廉 · 格罗夫爵士 1839 年燃料电池的草图 | wikipedia

在新能源诸多分支里,燃料电池却没有掌握绝对的话语权,在人们最常使用新能源的场景——汽车上,搭载锂电池的电动汽车成为了新能源的领先者,占据了新能源的「半壁江山」。

但是,即便是目前最主流的应用,电动汽车也存在无法避免的劣势,如充电时间长、续航里程短,电池维修及保养成本高等等。受技术发展限制,电动汽车能否成为人们出行的绝对唯一选择,仍然有许多不确定因素。而在锂电池之外,还有着不少其他技术方式,正在等待爆发当中。

被忽视的新能源

汽车是燃料电池的最好载体之一。早在 20 年前,就已经出现了以氢燃料电池为动力的原型车。1999 年的东京车展上,本田就推出了 FCX 概念车,其中由巴拉德动力系统公司(Ballard Power Systems)制造的氢燃料电池有 78kW 的功率输出,EPA 认证的续航里程为 170 英里(约 273 公里)。

氢燃料电池汽车比电动汽车为什么差这么多?

1999 年东京车展,本田展示了 FCX 概念车型 | wikipedia

2009 年,奔驰、本田、丰田等车企纷纷入局氢燃料电池汽车,据统计,仅一年时间,就有 20 余款氢燃料电池的车型发布,并在接下来几年中逐渐量产销售。然而,结果总不遂人愿。2009 年到现在,氢燃料电池汽车并未像理想当中发展火爆。

据外媒报道,截至 2019 年 2 月,在全美国已售出和租赁了超过 6000 辆氢燃料电池汽车,是第二大市场——日本的两倍。而起步时间相近的锂电池发展更为迅速,仅 2019 年上半年,美国电动汽车累计销量达 148704 辆,电动汽车成为了当下一块巨大的市场。

氢燃料电池汽车比电动汽车为什么差这么多?

欧洲 2016-2018 年各季度新能源汽车销量占比 | euobersever(左上角图注从左到右依次为混合动力汽车、纯电动汽车、增程式电动汽车以及氢燃料电池汽车)

仿佛是两兄弟几乎同时出生,但一个体格强壮另一个发育不良,为什么会出现这样的情况?

究其原因,氢能源在产业化过程中并没有获得足够的发展,对于能源方面的技术还不够完善。首先,氢燃料电池车对充能基础设施的需求较高。如果我们拿电动汽车来对比,电动汽车在外可以用快充桩充电,在家可以使用慢充桩,但氢燃料电池汽车只能在加氢站充能,如果基础设施没有成大规模分布,那么对于人们出行都成了难题。

根据中国氢能联盟发布的《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》,截至 2018 年底,中国已建成加氢站共有 23 座,占全球加氢站的比例约为 6.23%。

氢燃料电池汽车比电动汽车为什么差这么多?

中国已运营的加氢站分布 |《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》

另外,氢能源用作汽车动力的一个优势在于续航里程较长,而这是由于其质量能量密度极高才能做到的。锂离子的质量能量密度为 0.36-0.88MJ/Kg,而氢气的质量能量密度为 142MJ/Kg。但氢气的体积能量密度较低,所以在汽车上使用的话,一般的解决方案是将将氢气压缩或液化以缩小储氢罐的体积,对于储氢技术要求非常高。因而,氢燃料电池汽车在过去一直处于无法达到规模量产的尴尬境地。

但人们并未放弃这类清洁能源。一方面,氢燃料电池具有无可比拟的优势,在其运行过程中,不仅没有氮氧化物这种有毒气体,连二氧化碳都没有。相对于燃油汽车来说,氢燃料电池汽车完全达到了「零碳排放」。

氢能源还有一大优势:可再生。氢能作为一种二次能源,可从化石能源中获取,有助于煤炭等一次能源清洁高效利用;还可以通过电解水制取,增加电力系统灵活性,实现大规模储能及调峰。从这个角度看,氢能源的全生命周期的能源效率要优于汽油柴油。

氢燃料电池汽车比电动汽车为什么差这么多?

电解水制氢成本 |《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》

目前,世界各国都在将氢能源与燃料电池作为重点发展对象,不断加大研发和产业化的扶持力度。据粗略统计,近十年,以美国、日本、欧盟与中国为代表的国家已在氢能与燃料电池当中投入近 50 亿美元。

世界各国对于「零碳排放」的要求都有一个大致的时间点:2050 年。事实上,仅依靠一种能源在 2050 年使所有经济与运输行业完成零排放的目标,具有相当大的难度,人们需要更多选择。

正在升级的「氢动力」

技术总归要变得成熟,更重要的是,技术的成熟度是我们肉眼可见的。过去 70、80 年代在航空航天当中应用的技术,如脱水食品、纸尿裤等等,在今日也普及到大众当中,成为随处可见的消费品。同理,氢燃料电池看上去默默无闻,但也在不断发展。

2008 年,本田推出了第一款可供零售客户使用的氢燃料电池汽车,在随后的几年中不断进行研发和升级,日前在广州车展上,本田氢燃料电池汽车 Clarity Fuel Cell 亮相。

就像上文提到,距离本田发布首款氢燃料电池车辆已有 20 年之久,而本田自身在 80 年代已经开始燃料电池车的基础研究。2007 年,本田发布了首款氢燃料电池量产车型 FCX Clarity,正式投向市场。据本田方面表示,直至今日,仍有 1000 辆 FCX Clarity 通过租赁的形式在美国加州道路上行驶。

比起上一代车型,Clarity Fuel Cell 搭载了第二代 FCV(Fuel Cell Vehicles,燃料电池汽车)动力总成技术,在动力方面有了显著提升,比如它实现了燃料电池堆的小型化。据悉,新一代 Clarity Fuel Cell 的单位电芯的发电性能提升 1.5 倍,燃料电池单元变薄 20%,电池堆的体积缩小了 33%。

氢燃料电池汽车比电动汽车为什么差这么多?

本田在氢燃料电池车的动力技术上进一步提升 | 本田

「整个电堆都是由本田独立开发完成的,通过生成气体流路的改进和冷却方式的改进,最终可实现单位电池的输出电池功率得到大幅提高。」Clarity Fuel Cell 动力总成开发助理负责人安藤章二介绍,与其他车企的氢燃料电池技术相比,本田最大的优势在于燃料电池堆的小型化和车内空间的提升。原本只能乘坐 4 人的驾乘空间,也因此升级到 5 人可宽敞乘坐。

在 Clarity Fuel Cell 上,本田将集成了驱动电机、电池堆、混合气体单元、供压机、电控系统五部分的整套动力总成系统放置在发动机罩内,与其他车型形成了明显差异化。紧凑的尺寸使得车辆动力总成与普通 V6 发动机相仿,同时也大幅提高车体设计的自由度。

氢燃料电池汽车比电动汽车为什么差这么多?

本田称发动机舱内搭载燃料电池动力总成为全球首创 | 本田

本田方面表示,Clarity Fuel Cell 的性能与燃油车已别无二致。该车型可实现最大 130kW 的输出功率和 300N · m 的峰值扭矩,每次加满氢只需 3 分钟,最长续航里程高达 750km。

至此,氢燃料电池车也许可以证明自己的实用性。安藤章二表示,该车型已经在日本、美国小批量售卖。与现有燃油或电动车辆的配置基本一致,也说明这套系统在将来具有大批量生产的可能。

比较客观的情况是,大环境的成熟不能只靠一家公司来支撑。尽管氢燃料电池车已成为车企们重点推广普及的车型,但他们也承认,距离真正的大规模普及还需要几年时间。氢燃料还不是车企或者消费者的主流选择,这项技术却并没有沉寂。相反,以本田为代表的车企们正在为「后电动化时代」做前瞻性的准备。

更值得说明的是,对于技术的探索,本田具有很强的开放性。本田也在积极探讨燃料电池技术在中国应用的「可能性」。虽然只是「积极探讨」,但在每一项技术背后,我们都能看到本田这个「极客」一直在持续的探索技术。

氢燃料电池汽车比电动汽车为什么差这么多?

Clarity Fuel Cell | 本田

不仅仅是燃油车、纯电动车,甚至是本田的小型商务喷气机 HondaJet,在一场以能源与技术为主题的变革当中,不以能源作为自己的定位,而是将「出行」作为主体来考虑,才是正确的道路。幸运的是,本田正在将其付诸实践。

而在更广泛的出行领域变革之中,本田也在不断的积极与科技公司合作成长,早期与 Waymo、Deepmap 建立深度合作;在投资东南亚共享服务 Grab 、投资通用自动驾驶部门 Cruise 7.5 亿美元;甚至在中国,Honda 作为首家日企加入了百度 Apollo 平台,与商汤科技联合研发自动驾驶 AI 技术 …… 等等本田与这些年轻科技公司建立了更强关联的合作。

在这样一个「技术变革」的时代,面对种种压力和焦虑,本田最美的地方在于保留了更多可能性,以及时刻保持着自身对于技术的「探索感」。

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