2019年05月24日星期五

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氢燃料电池深度报告:搅局者还是颠覆者?

  2014年12月15日,丰田发布Mirai,售价对标皇冠,加氢3分钟,续航500km(NEDC[1]工况,下同),预计2020年销量达到2万辆;2016年3月10日,本田推出量产Clarity,加氢3分钟,续航589公里;2017年9月,奔驰推出GLC F-Cell,续航437公里;2018年CES,韩国现代推出Nexo,续航达到609公里。国际方面,宝马、通用即将推出量产车型,国内方面,上汽领衔,长城、广汽、吉利、宇通等纷纷加入,一时间,各路人马纷纷杀入氢燃料电池汽车(Hydrogen FCEV[2],)产业,新能源汽车战场硝烟再起,中国本已明晰的电动车技术路线和竞争格局,陡增变数。


  中国自2011年大力发展纯电动汽车(BEV[3])以来,纯电乘用车在技术、产业、市场方面都获得了长足的发展,但时至今日,技术瓶颈也日益凸显,最大的痛点毫无疑问就是续航和充电速度,成为制约纯电车下一步发展的最大障碍。而氢燃料电池汽车可以做到充电3分钟,续航超过500公里,续航甚至超过燃油车,是否可以彻底解决电动车最大痛点,成为现有以BEV为代表的主流新能源汽车技术路线的颠覆者?


  一、燃料电池技术发展:产业化进度落后,迎来历史机遇期


  (一)氢燃料电池技术理论完美,产业化进度落后


  燃料电池(Fuel cell)是一种主要通过氧或其他氧化剂进行氧化还原反应,把燃料中的化学能转换成电能的发电装置。最常见的燃料为氢,其他燃料来源来自于任何的能分解出氢气的碳氢化合物,例如天然气、醇、和甲烷等。燃料电池有别于原电池,优点在于透过稳定供应氧和燃料来源,即可持续不间断的提供稳定电力,直至燃料耗尽,不像一般非充电电池一样用完就丢弃,也不像充电电池一样,用完须继续充电。主要燃料电池类型的技术特征见表一:

资料1


  各种燃料电池技术各有优劣和适用的场景。综合考虑,最适于乘用车的燃料电池技术是质子交换膜燃料电池,也就是常说的氢燃料电池。其他类型的燃料电池,在能量密度、工作温度、燃料适应广度和材料成本等不同方面尚无法满足要求。而氢燃料电池的催化剂昂贵、催化剂中毒[4]等问题,随技术工艺发展已逐步缓解,未来有望得到彻底解决。


  同其他燃料相比,氢的最大优势是超高的质量能量密度[5]和可接受的体积能量密度[6](需压缩氢气或液化),常见燃料能量密度如表二所示:

资讯2


  更多能源的质量、体积能量密度的比较,见下面的能量密度图:

资讯3


  由图二和表二可见,氢能源有远超其他能源的质量能量密度,正是凭借此点氢能源车才能拥有长续航。早在十几年前,氢能源就凭借零污染、可再生、加氢快、续航足等优势力压燃油和锂电池,被誉为车用能源的“终极形式”。然而,氢燃料电池技术的产业化进度十分缓慢。尤其是在过去十年中,由于锂电池技术及产业化的突飞猛进,氢燃料电池技术被过度轻视。导致燃料电池的产业化进程比纯电动慢5到10年,根本原因在于氢燃料电池有几个关键问题亟待解决:


  氢能源基础设施建设:氢燃料电池车对充能基础设施的需求甚至要高于纯电动车。纯电车虽然充电慢,但除了在充电桩快充之外,还有在家、公司慢充的选项,若出行规律,也称得上方便。而氢车只能在加氢站充能,如果没有成规模的加氢站网络,氢车将寸步难行。


  车载储氢技术:从表二和图二中可以看出,氢气的质量能量密度极高,这也是它能支持长续航的基础,然而由于氢在常温下是气态,氢的体积能量密度却很低。一般的解决方案是将氢气压缩或液化以缩小储氢罐的体积(固氢方案尚未成熟)。这就需要一个能承受高压、保证安全的储氢罐。Mirai的储氢罐采用碳纤维材料,储存70兆帕压缩氢气,而目前国产储氢罐受材料工艺限制,只能做到35兆帕。


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