燃料電池汽車生存空間知多少

文/阮曉東

燃料電池汽車生存空間知多少

文/阮曉東

燃料電池汽車革命也許在不久的將來就會到來，屆時將迎來汽車產(chǎn)業(yè)更新?lián)Q代、重新洗牌的時代

在普通電動車逐漸深入人心的時候，燃料電池汽車也開始了上路的征程。作為21世紀最有前途的新能源環(huán)保型汽車，燃料電池汽車以其高效、無噪音、零污染等高科技優(yōu)勢，正逐漸成為世界汽車廠商竟相研究開發(fā)的熱點。目前世界各大強國都制定了自己在燃料電池汽車領域的發(fā)展戰(zhàn)略，各大汽車企業(yè)也紛紛投入巨資對燃料電池進行研究開發(fā)。作為一項重要的戰(zhàn)略選擇，任何國家一旦在燃料電池技術上取得突破并形成產(chǎn)業(yè)技術，都會對世界能源和交通發(fā)展格局產(chǎn)生重大影響。燃料電池汽車革命也許在不久的將來就會到來，屆時將迎來汽車產(chǎn)業(yè)更新?lián)Q代、重新洗牌的時代。

燃料電池汽車再次回歸

回顧2015年上半年在新能源汽車領域的新聞，最突出的不是眾多企業(yè)推出的各式各樣的電動汽車，也不是上汽集團與阿里巴巴合作推出的互聯(lián)網(wǎng)汽車，而是豐田公司推出的Mirai，因為豐田讓燃料電池汽車再次回到了人們的視野中。

許多人還記得兩年前，豐田宣布將要在2015年上市一款造價控制在5萬美元左右的燃料電池汽車，而在當時，一款普通的燃料電池汽車的成本就在100萬美元左右，豐田在眾多人的質(zhì)疑聲中開始了研發(fā)過程。很多人沒想到，兩年后，豐田居然兌現(xiàn)了諾言。豐田發(fā)布Mirai的影響有多強烈，看一下眾多汽車界大佬的反應就知道了。

日本汽車巨頭本田不甘示弱，馬上表示將在2020年前大規(guī)模量產(chǎn)燃料電池車。本田內(nèi)部人士表示，本田的燃料電池車從概念階段轉化為量產(chǎn)的工作進行的非常順利，之前亮相的FCV概念車在技術上已經(jīng)接近量產(chǎn)。據(jù)了解，F(xiàn)CV概念車采用了70兆帕壓力的氫燃料罐，這使得其燃料電池堆的體積比之前FCX Clarity車型所裝配的小了33%，但容量卻提升了60%。寶馬公司也在之后幾個月發(fā)布公告稱計劃在2020年前推出一款量產(chǎn)燃料電池汽車，或隸屬于旗下“i”新能源車系列。據(jù)悉，寶馬現(xiàn)階段正在與盟友豐田展開技術合作，涉及燃料電池領域。

與此同時，汽車巨頭包括奔馳、現(xiàn)代、通用和福特都表示將于近期推出自己的燃料電池汽車，也有分析人士認為，作為接替純電動汽車的下一代汽車產(chǎn)品，燃料電池汽車幾乎是這些汽車廠商的唯一選擇。

目前，燃料電池技術已取得很多進步，成本方面降低了很多。根據(jù)美國能源部研究：目前燃料電池成本比2008年降幅超過30%，比2002年降低80%(據(jù)大規(guī)模制造預測，從2002年的275美元/kW降到49美元/kW)。成本降低反映出包括膜電級、白金使用量減少等一些關鍵技術的進步。美國能源部要求到2017年燃料電池成本控制到與目前汽油機相當?shù)乃剑?0美元/kW。

表1： 部分國際汽車企業(yè)及集團推出的燃料電池車型和推廣基本情況

與此同時，5月8日發(fā)布的《中國制造2025》與2012年6月28日發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》（2012～2020年）都具體列出了中國新能源汽車的發(fā)展方向。

而《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》（2012～2020年）的表述是：本規(guī)劃所指新能源汽車主要包括純電動汽車、插電式混合動力汽車及燃料電池汽車。《中國制造2025》的表述是：繼續(xù)支持電動汽車、燃料電池汽車發(fā)展。對于燃料電池汽車領域，《2025》要求，到2020年，燃料電池車將不再局限于是概念車，到2020年，生產(chǎn)1000輛燃料電池汽車并進行示范運行;到2025年，制氫、加氫等配套基礎設施基本完善，燃料電池汽車實現(xiàn)區(qū)域小規(guī)模運行。

之所以各個國家都非常重視燃料電池汽車的發(fā)展，是因為和充電式電動車比起來，氫燃料電池汽車的戰(zhàn)略地位非常重要，特別是對于中國這樣的非石油出口國來說。

因為在世界的能源格局中，燃料電池具有明顯優(yōu)勢。氫是世界上最多的元素，氫氣來源極其廣泛并且是可再生資源，由于燃料電池是化學能直接轉換為電能，相比內(nèi)燃機的燃燒作用不會產(chǎn)生大量廢氣與廢熱，轉化效率更可超過50%（內(nèi)燃機轉化效率為10%），排放物也只有水，也不會對環(huán)境溫度造成影響。使用壽命長于電化學電池并且電池維護工作量很小。相比于純電動車的充電時間來說，一個優(yōu)勢在于補充能源速度較快——直接在氫燃料補充站添加燃料即可。燃料電池加注氫氣的時間很短，幾乎與內(nèi)燃機汽車添加燃油時間相當，大約在3-5分鐘左右。比如剛剛上市的Mirai這款燃料電池車加滿一箱氫氣只需3分鐘，加滿燃料后可連續(xù)行駛650公里以上，續(xù)航能力絲毫不亞于傳統(tǒng)的石化燃料車輛，所需的燃料費用與汽油成本相當。

表2： 燃料汽車工業(yè)化過程中面臨的主要問題

燃料電池汽車VS純電動汽車

近些年來中國電動汽車的頻繁亮相，人們早就習以為常。加上政府的大力支持和充電站的建設日趨成熟、電動汽車在市場上已經(jīng)成為重要的汽車換代產(chǎn)品。

相比之下，同樣作為新能源的燃料電池汽車卻是幾度沉浮，雖然各方面性能都讓它有望成為內(nèi)燃機汽車的替代者，但曾經(jīng)燃料電池組件高昂的售價和人們對其可靠性的質(zhì)疑，使其仍舊離我們很遠。對于中國來說，發(fā)展燃料電池汽車需要解決的問題還很多，有些問題如氫氣的安全儲存、貴金屬的代替，質(zhì)子交換膜穩(wěn)定性、燃料電池的低溫性能、環(huán)境敏感度、啟動速度和能源耗費都是擺在中國廠商面前的難題。

如果以產(chǎn)業(yè)鏈組合的角度來理解燃料電池汽車，就會發(fā)現(xiàn)汽車廠商只是其中的一環(huán)，燃料電池汽車行業(yè)本真涉及的關聯(lián)行業(yè)太多，其發(fā)展對整個國民經(jīng)濟都有影響。比如對于中國來說，要發(fā)展氫燃料電池汽車，就必須重建一套產(chǎn)業(yè)鏈，要付出極大的科研投入來更新整個產(chǎn)業(yè)鏈上的技術，而且這套產(chǎn)業(yè)鏈的建立本身就很昂貴，性價比不高。所以我們看到目前美國、德國甚至中國都會從自己本國的優(yōu)勢出發(fā)，首先發(fā)展的是電動汽車，沒有給氫燃料電池路線過多的補貼，跟進的企業(yè)也沒有太多。

但在今天看來，電動汽車的優(yōu)勢隨時都可以轉化為劣勢。即使業(yè)界從沒有否定純電動汽車的說法，尤其認為純電動汽車在近距離通勤方面占有優(yōu)勢，比如作為近距離通勤車，EV可以在晚上睡覺的時候充電，供第二天使用；另外電是直接通入家中的，這樣即使建立充電樁，但是其在社會基礎設施方面已經(jīng)沒有問題。不過，EV在續(xù)航里程方面的限制也造成了著名的“歷程焦慮”問題，這也成為很多人在電動汽車面前猶豫不決的原因。

比如中國推出的多款電動汽車，江淮的IEV5只有180公里作用，北汽的EV200也只有200公里左右，其他的比亞迪秦在300公里左右，但是電池的容量到這里已經(jīng)成為一個峰頂，目前業(yè)界還無法說能夠解決EV續(xù)航的問題。由此這也至今導致電動汽車的易用性大打折扣。

自由出行、想到哪兒就能到哪兒是汽車的根本價值。也就是說，能夠自己決定目的地、路線、日程非常重要。需要花很長時間補充燃料會限制汽車的使用概率。從汽車的屬性來看，汽車已經(jīng)不僅是“代步的工具”，而是成為延伸人的社會屬性的“必要產(chǎn)品”，對于擴大人的社交范圍和提高人的工作效率非常重要。但是對于EV來說，即使提高電池的能量密度，增加容量，充電也需要很長時間；即使快速充電設備30分鐘左右可以充滿，但是如果前面有1輛汽車在等候充電，輪到自己充好就需要1個小時。而MIRAI充滿氫氣只需要大約3分鐘，與汽油車相當。這樣的效率，能不讓人心動嗎？

此外，對于燃料電池汽車的一系列關鍵問題，也并非無法解決。比如目前供氫基礎設施還不完善，在易用性上存在限制，但這不是本質(zhì)問題，只要花時間就能解決。雖然燃料電池內(nèi)的電解質(zhì)薄膜制作工藝復雜，產(chǎn)量很難提高，催化劑鉑金屬的價格很高。但豐田降低了鉑金屬的使用量，并且將電解質(zhì)薄膜做的更薄用來提升燃料電池的性能。這都表明上述問題可以通過技術的進步得以解決。

燃料電池，超越電站和叉車到汽車

燃料電池是當下新能源應用中最令人激動和遐想的領域。在今天的社會，化石燃料給社會的挑戰(zhàn)正在已趨嚴重。當一個社會無法再繼續(xù)依賴化石燃料的時候，能源的儲存和運輸性將依靠什么?很多科學家認為是氫氣。所以為了實現(xiàn)社會可持續(xù)發(fā)展，發(fā)達國家首先完成了燃料電池在固定式電站和叉車等領域的商業(yè)應用。

比如美國燃料電池的產(chǎn)業(yè)化就主要應用在大型商用固定式電站和叉車等領域。著名燃料電池應用企業(yè)PlugPower的GenDrive燃料電池叉車系統(tǒng)得到了奔馳、寶潔、沃爾瑪?shù)绕髽I(yè)的較大規(guī)模訂單；BloomEnergy的S0FC固定式燃料電池發(fā)電站不僅被Apple選用為位于北卡的iCloud服務器提供電源，還得到了Google、Microsoft、Adobe、eBay等IT巨擘以及可口可樂、FedEx等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)龍頭的青睞；FuelCellEnergy還在北美和亞洲各建立了100MW燃料電池產(chǎn)能發(fā)電站，為浦項制鐵等工業(yè)企業(yè)提供電力供應。

加拿大Ballard公司作為全球領先的燃料電池的設計和制造商，Ballard為電信、交通、分布式發(fā)電、叉車和公交車等下游提供燃料電池系統(tǒng)以及整體解決方案。該公司在美國上市后，成為NASDAQ上市公司中首個實現(xiàn)經(jīng)營性盈利的燃料電池企業(yè)。同時近年來，加拿大在燃料電池公交等市場的商業(yè)化推廣節(jié)奏也實現(xiàn)了與美國接近同步。日前加拿大Ballard能源系統(tǒng)公司與北京碧空氫能源科技股份有限公司簽訂了意向性協(xié)議，將為中國客車開發(fā)燃料電池。目前Ballard已經(jīng)開始為加拿大、巴西、印度、中國和更多國家的客車生產(chǎn)燃料電池。

在燃料電池完成在電站和叉車等領域的布局之后，很多公司都認為燃料電池最大的市場其實是在汽車中。100多年以來，推動汽車不斷進步的一直是以汽油為燃料的內(nèi)燃機。內(nèi)燃機汽車的飛速發(fā)展也成就了規(guī)模宏大的石油行業(yè)。但在未來，汽車必須降低對于汽油等化石燃料的依賴，化石燃料的儲量終歸是有限的，包括中國在內(nèi)的許多國家已經(jīng)承諾要對氣候變暖的問題作出實質(zhì)性的貢獻。目前在發(fā)達國家，消耗的能源中，汽車占1/5～1/4左右。為了能夠讓能源多樣化，目前熱門候選是電和氫。特別是以氫為燃料的燃料電池汽車在行駛時不排放氮氧化物和二氧化碳，這一點極具魅力。

正因為如此，眾多的汽車公司站在未來的角度開始布局燃料電池汽車。一方面，汽車擁有遠勝于叉車和家用乃至商用儲能的市場容量；車用燃料電池也是燃料電池商業(yè)化領域中綜合要求最高的一類。而選擇了燃料電池汽車，則是從技術路線的選擇與戰(zhàn)略地位的角度奠定一個公司未來數(shù)十年的汽車領域競爭格局。

以這樣的觀點來看，大眾、現(xiàn)代、通用、豐田、上汽等多家國內(nèi)外車企加大對燃料電池的研發(fā)力度是非常正確的。從技術進步的角度來看，這些公司也沒有將投入放在一個籃子里，而是在混合動力、電動汽車、燃料電池等領域都有分布。技術的進步是不可想象的，一旦這些國家的燃料電池技術取得突破，那么將對類似中國這樣以電動汽車為主要新能源汽車發(fā)展方向的國家產(chǎn)生致命的威脅。到時候，中國的電動汽車產(chǎn)業(yè)要么被孤立，要么則要為中國在5年前一哄而上做電動汽車的決定付出代價。能源的技術是21世紀飛速發(fā)展的技術，今天來看豐田用三年左右時間將一臺100萬美元成本的燃料電池汽車降低到5萬美元，就能看出技術的發(fā)展有多么快。如今，動力電池領域還有最新的鋅-空氣電池，超級電容器、紅磷-石墨烯電池和鋅碘流體電池，任何一項技術，都有在未來成功商業(yè)化的可能。

作為一項重要的戰(zhàn)略選擇，任何國家一旦在燃料電池技術上取得突破并形成產(chǎn)業(yè)技術，都會對世界能源和交通發(fā)展格局產(chǎn)生重大影響。

表3： 美國派克公司對車用燃料電池發(fā)展階段的時間預期

美國市場研究機構派克公司認為，2020 年之后燃料電池汽車有望達到鋰電池汽車目前的水平。在 2015-2020年階段行業(yè)的變化趨勢逐漸趨于明顯，隨著基礎設施的完善和個人需求的增長，燃料電池將在這一階段加速發(fā)展。