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為什么氫燃料電池汽車還沒有成為主流?

氫氣的體積能量密度較低,所以在汽車上使用的話,一般的解決方案是將將氫氣壓縮或液化以縮小儲氫罐的體積,對于儲氫技術要求非常高。因而,氫燃料電池汽車在過去一直處于無法達到規模量產的尷尬境地。

1838 年 12 月,德國物理學家克里斯蒂安·弗里德里希·舍本貝恩(Christian FriedrichSch?nbein)在《倫敦和愛丁堡哲學雜志》上展示了他發明的第一個燃料電池,并討論了由溶解在水中的氫和氧產生的電流技術。同一年,威爾士物理學家和大律師威廉·格羅夫爵士(Sir William Grove)也發表了相關著作,雖然從現在往回看,當時的燃料電池技術比較粗糙,但二人的文章證明了燃料電池的可行性。

此后一百余年,燃料電池被不斷提及,成為清潔能源的代表之一。氫能作為最易獲得的能源,在燃料電池中獲得較高的地位。隨著對環境的重視,我們越來越強調“低碳經濟”與“生態文明”,因而世界的主旋律都在向新能源看齊。眾所周知,新能源因污染小、儲量大、分布廣,更能滿足當下的需求。

為什么氫燃料電池汽車還沒有成為主流?

威廉·格羅夫爵士 1839 年燃料電池的草圖 | wikipedia

在新能源諸多分支里,燃料電池卻沒有掌握絕對的話語權,在人們最常使用新能源的場景——汽車上,搭載鋰電池的電動汽車成為了新能源的領先者,占據了新能源的“半壁江山”。

但是,即便是目前最主流的應用,電動汽車也存在無法避免的劣勢,如充電時間長、續航里程短,電池維修及保養成本高等等。受技術發展限制,電動汽車能否成為人們出行的絕對唯一選擇,仍然有許多不確定因素。而在鋰電池之外,還有著不少其他技術方式,正在等待爆發當中。

“被忽視”的新能源

汽車是燃料電池的最好載體之一。早在 20 年前,就已經出現了以氫燃料電池為動力的原型車。1999 年的東京車展上,本田就推出了 FCX 概念車,其中由巴拉德動力系統公司(Ballard Power Systems)制造的氫燃料電池有 78kW 的功率輸出,EPA 認證的續航里程為 170 英里(約 273 公里)。

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1999 年東京車展,本田展示了 FCX 概念車型 |?wikipedia

2009 年,奔馳、本田、豐田等車企紛紛入局氫燃料電池汽車,據統計,僅一年時間,就有 20 余款氫燃料電池的車型發布,并在接下來幾年中逐漸量產銷售。然而,結果總不遂人愿。2009 年到現在,氫燃料電池汽車并未像理想當中發展火爆。

據外媒報道,截至 2019 年 2 月,在全美國已售出和租賃了超過 6000 輛氫燃料電池汽車,是第二大市場——日本的兩倍。而起步時間相近的鋰電池發展更為迅速,僅 2019 年上半年,美國電動汽車累計銷量達 148704 輛,電動汽車成為了當下一塊巨大的市場。

為什么氫燃料電池汽車還沒有成為主流?

歐洲 2016-2018 年各季度新能源汽車銷量占比 | euobersever(左上角圖注從左到右依次為混合動力汽車、純電動汽車、增程式電動汽車以及氫燃料電池汽車)

仿佛是兩兄弟幾乎同時出生,但一個體格強壯另一個發育不良,為什么會出現這樣的情況?

究其原因,氫能源在產業化過程中并沒有獲得足夠的發展,對于能源方面的技術還不夠完善。首先,氫燃料電池車對充能基礎設施的需求較高。如果我們拿電動汽車來對比,電動汽車在外可以用快充樁充電,在家可以使用慢充樁,但氫燃料電池汽車只能在加氫站充能,如果基礎設施沒有成大規模分布,那么對于人們出行都成了難題。

根據中國氫能聯盟發布的《中國氫能源及燃料電池產業白皮書》,截至 2018 年底,中國已建成加氫站共有 23 座,占全球加氫站的比例約為 6.23%。

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中國已運營的加氫站分布 |《中國氫能源及燃料電池產業白皮書》

另外,氫能源用作汽車動力的一個優勢在于續航里程較長,而這是由于其質量能量密度極高才能做到的。鋰離子的質量能量密度為 0.36-0.88MJ/Kg,而氫氣的質量能量密度為 142MJ/Kg。但氫氣的體積能量密度較低,所以在汽車上使用的話,一般的解決方案是將將氫氣壓縮或液化以縮小儲氫罐的體積,對于儲氫技術要求非常高。因而,氫燃料電池汽車在過去一直處于無法達到規模量產的尷尬境地。

但人們并未放棄這類清潔能源。一方面,氫燃料電池具有無可比擬的優勢,在其運行過程中,不僅沒有氮氧化物這種有毒氣體,連二氧化碳都沒有。相對于燃油汽車來說,氫燃料電池汽車完全達到了“零碳排放”。

氫能源還有一大優勢:可再生。氫能作為一種二次能源,可從化石能源中獲取,有助于煤炭等一次能源清潔高效利用;還可以通過電解水制取,增加電力系統靈活性,實現大規模儲能及調峰。從這個角度看,氫能源的全生命周期的能源效率要優于汽油柴油。

為什么氫燃料電池汽車還沒有成為主流?

電解水制氫成本 |《中國氫能源及燃料電池產業白皮書》

目前,世界各國都在將氫能源與燃料電池作為重點發展對象,不斷加大研發和產業化的扶持力度。據粗略統計,近十年,以美國、日本、歐盟與中國為代表的國家已在氫能與燃料電池當中投入近 50 億美元。

世界各國對于“零碳排放”的要求都有一個大致的時間點:2050 年。事實上,僅依靠一種能源在 2050 年使所有經濟與運輸行業完成零排放的目標,具有相當大的難度,人們需要更多選擇。

正在升級的“氫動力”

技術總歸要變得成熟,更重要的是,技術的成熟度是我們肉眼可見的。過去 70、80 年代在航空航天當中應用的技術,如脫水食品、紙尿褲等等,在今日也普及到大眾當中,成為隨處可見的消費品。同理,氫燃料電池看上去默默無聞,但也在不斷發展。

2008 年,本田推出了第一款可供零售客戶使用的氫燃料電池汽車,在隨后的幾年中不斷進行研發和升級,日前在廣州車展上,本田氫燃料電池汽車 Clarity Fuel Cell 亮相。

就像上文提到,距離本田發布首款氫燃料電池車輛已有 20 年之久,而本田自身在 80 年代已經開始燃料電池車的基礎研究。2007 年,本田發布了首款氫燃料電池量產車型 FCX Clarity,正式投向市場。據本田方面表示,直至今日,仍有 1000 輛 FCX Clarity 通過租賃的形式在美國加州道路上行駛。

比起上一代車型,Clarity Fuel Cell 搭載了第二代 FCV(Fuel Cell Vehicles,燃料電池汽車)動力總成技術,在動力方面有了顯著提升,比如它實現了燃料電池堆的小型化。據悉,新一代 Clarity Fuel Cell 的單位電芯的發電性能提升 1.5 倍,燃料電池單元變薄 20%,電池堆的體積縮小了 33%。

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本田在氫燃料電池車的動力技術上進一步提升 | 本田

“整個電堆都是由本田獨立開發完成的,通過生成氣體流路的改進和冷卻方式的改進,最終可實現單位電池的輸出電池功率得到大幅提高。”Clarity Fuel Cell?動力總成開發助理負責人安藤章二介紹,與其他車企的氫燃料電池技術相比,本田最大的優勢在于燃料電池堆的小型化和車內空間的提升。原本只能乘坐 4 人的駕乘空間,也因此升級到 5 人可寬敞乘坐。

在 Clarity Fuel Cell?上,本田將集成了驅動電機、電池堆、混合氣體單元、供壓機、電控系統五部分的整套動力總成系統放置在發動機罩內,與其他車型形成了明顯差異化。緊湊的尺寸使得車輛動力總成與普通 V6 發動機相仿,同時也大幅提高車體設計的自由度。

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本田稱發動機艙內搭載燃料電池動力總成為全球首創 | 本田

本田方面表示,Clarity Fuel Cell?的性能與燃油車已別無二致。該車型可實現最大 130kW 的輸出功率和 300N·m 的峰值扭矩,每次加滿氫只需 3 分鐘,最長續航里程高達 750km。

至此,氫燃料電池車也許可以證明自己的實用性。安藤章二表示,該車型已經在日本、美國小批量售賣。與現有燃油或電動車輛的配置基本一致,也說明這套系統在將來具有大批量生產的可能。

比較客觀的情況是,大環境的成熟不能只靠一家公司來支撐。盡管氫燃料電池車已成為車企們重點推廣普及的車型,但他們也承認,距離真正的大規模普及還需要幾年時間。氫燃料還不是車企或者消費者的主流選擇,這項技術卻并沒有沉寂。相反,以本田為代表的車企們正在為“后電動化時代”做前瞻性的準備。

更值得說明的是,對于技術的探索,本田具有很強的開放性。本田也在積極探討燃料電池技術在中國應用的“可能性”。雖然只是“積極探討”,但在每一項技術背后,我們都能看到本田這個“極客”一直在持續的探索技術。

為什么氫燃料電池汽車還沒有成為主流?

Clarity Fuel Cell?| 本田

不僅僅是燃油車、純電動車,甚至是本田的小型商務噴氣機 HondaJet,在一場以能源與技術為主題的變革當中,不以能源作為自己的定位,而是將“出行”作為主體來考慮,才是正確的道路。幸運的是,本田正在將其付諸實踐。

而在更廣泛的出行領域變革之中,本田也在不斷的積極與科技公司合作成長,早期與 Waymo、Deepmap 建立深度合作;在投資東南亞共享服務 Grab 、投資通用自動駕駛部門 Cruise 7.5 億美元;甚至在中國,Honda 作為首家日企加入了百度 Apollo 平臺,與商湯科技聯合研發自動駕駛 AI 技術……等等本田與這些年輕科技公司建立了更強關聯的合作。

在這樣一個“技術變革”的時代,面對種種壓力和焦慮,本田最美的地方在于保留了更多可能性,以及時刻保持著自身對于技術的“探索感”。

本文來自GeekPark極客公園,本文觀點不代表石墨烯網立場,轉載請聯系原作者。

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