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零碳排放目标紧迫,氢燃料电池能否成为“终极能源”?

从2012年到2020年,电动汽车的市场规模增长了近100倍,增速可谓惊人,但同时,电动车遇到的困境也越发明显。

首先,电池技术达到瓶颈。新能源车动力使用锂电池虽然是最佳选择,但由于电池重量、续航里程问题,依然受到能量密度的限制,国内的三元锂电池能量密度约为 240Wh/kg,磷酸铁锂电池能量密度约为180Wh/kg(2021年12月,工信部在《锂离子电池行业规范条件(2021年本)》中,要求使用三元材料的能量型单体电池能量密度≥210wh/kg,电池组能量密度≥150wh/kg)。近年来,研究人员努力提高锂电池的能量密度(电量的体积容量比)、价值、安全系数、环境关系和试用寿命,并正在设计新型电池。但就目前科研成果来看,传统锂电池技术已接近瓶颈。

其次,充电难仍未得到根本解决。每年小长假在高速高速休息区排队充电的电动车都会成为媒体关注的焦点。不少车主表示,买车时明明标着续航720km,实际开500km就不行了,并且到了冬季续航打折更严重,能开400km就非常不错了,再遇到长假、小长假充电桩更是一桩难求。对于标注续航500公里的电动车而言,在一二线城市,基本上能够满足一周上下班的代步,至于长途旅行那是奢求。如果自家车位有充电桩还好,日常使用完全不会有里程焦虑。对于没有固定车位的电动车车主来说,找公共充电桩充电,顺便车里打手游,几乎变成每周一次甚至二次的固定“工作”。

更换电池费用高,二手车不保值,也是消费者不得不面对的现状。“车开不了了,是换电池还是卖掉?”这是许多新能源车主感到困惑的问题。央视财经日前报道,3年前购买了一辆北汽新能源车的深圳市民张先生,即将更换电池,与4S店询价才发现换一块电池需要4万元,已经快赶上买一辆新能源二手车的价格。早期的电池续航能力低,现在随着产品更新换代后,若想再找厂家更换回早批电池估计很难了,都要提升成本换现在更高续航的电池,所以价格也会较高。

4万元的电池价格与二手车市场上部分新能源车的价格差不多。事实上,新能源二手车的低价情况,也与动力电池相关。由于开了几年的新能源车电池衰减问题严重,换电池又贵,车商收了也很难卖出去,因此新能源车也不受二手车市场欢迎。

围绕氢燃料电池汽车与纯电动车的争论已经存在数十年,且随着全球各大整车厂商将电动化发展重心转向纯电动汽车,是否应该发展氢燃料电池汽车的质疑声也越来越大。与传统电动车相比,氢燃料电池车的优势十分明显,补充燃料时间短、能量密度大,并且排放物为水,能够真正的实现零污染、零碳排放。当电池技术逐渐被技术瓶颈制约时,氢燃料电池车的优势也越发明显。

氢动力汽车是使用氢气作为燃料的汽车。氢动力汽车分为两种,一种是直接在内燃机中燃烧氢气和空气中的氧气产生动力,推动汽车。这种氢动力车基本上不可能被商业化。另外一种被好多业内人看好的氢动力汽车被称为“氢燃料电池车”(BFuel cell electric vehicle)简称FCEV,是通过车内收集的氢气和空气中的氧为原料的燃料电池产生电力,并以电力推动汽车。氢燃料电池车本质上也是一种电动车,但是车的电力来源于氢氧反应,而不是来自于车内自备的蓄电池。氢燃料电池车与纯电汽车是两者在车载电池、成本、性能等角度都有着较大的区别。

从电池来看,氢燃料电池本质是发电装置,一旦车没电后,只要加氢气就能发电,随时给车补充能量,这一点类似于车加汽油;而锂电池则是储能装置,电池包里有多少能量直接决定了车能跑多远,一旦电池包没有电,必须花一段时间重新把电储存到电池包里。因此,氢燃料电池车相比于纯电汽车充电快、跑得远。

从汽车成本角度来看,锂电池相对简单,技术发展比较成熟,已经实现规模化生产,成本较低;而氢燃料电池车技术难度较大,关键材料仍然依赖进口,且加氢站成本远高于锂电池充电站。因此,目前成本方面纯电汽车更占优势。

环保方面,氢燃料电池车和纯电汽车都属于环保低碳排放,氢燃料电池车的排放是水,相比于纯电动车电池电解液处理不当、电动车废旧电池的处理等易造成环境污染,氢燃料电池车更加绿色环保。

氢能源汽车,由于能效高在里程和载荷方面拥有先天优势。与纯电动车和插电式混合动车相比,氢燃料电池汽车的最大优势是加氢通常只需3分钟,而续航里程能轻松达到600公里以上。

上世纪末期,西方国家展开了第一轮新能源汽车的研究和产业化浪潮。当时,欧美日这三大汽车生产集团对新能源汽车的发展方向有较大的分歧,比如美国主推氢能和燃料电池,日本则是把产业化重点放混合动力与燃料电池。而以德国为代表的欧洲车企则强调传统内燃机的优化和技术革新。

事实上,西方主流汽车生产商当时都不认为锂电纯电动汽车具有可行性。因此,在小布什总统当政的8年时间里,氢能和燃料电池的基础研究和产业化在西方尤其是美国达到了巅峰状态。

然而,当时处在超车道上的氢燃料电池动力,轻视了产品的市场转化。同时又对技术进展、基础设施建设、市场培育估计的太为乐观,尤其是基础设施的建设,比如加氢站。当整套产业链上最为基础的一环遇到问题时,政府及产业界对燃料电池汽车产业化的预期也就随之降低。

2008年,美国政府在新能源和电动汽车的战略方向正式从氢能和燃料电池转向了锂离子电池。也就是同年,特斯拉Model S发布概念车,并于2012年正式上市。至此,电动车也进入了最为辉煌的10年。

FCEV要走下历史舞台吗?并没有,在地球的另一面,它找到了一席之地。欧美汽车公司虽然仍然保留燃料电池汽车的研发项目,但大多削减了研发预算。只有一家日本车企一直在坚持,最终丰田FCEV汽车技术跟HEV汽车一样,再次引领国际技术前沿。

在日本国内市场,混合动力汽车(HEV)、电动汽车(BEV)、氢燃料电池汽车(FCEV)、清洁柴油车等都被称为“下一代自动车”,也就是新能源汽车,其中占主要地位的就是混合动力(含插电式)、纯电动和氢能源这三大类。

早在上个世纪70年代,日本就已经制定了关于氢能源的计划,而第一款商用氢燃料电池车辆正是丰田的MIRAI。丰田不光是在电气化车型上发展,在氢动力车型同样快速的推进。长期以来丰田一直非常重视氢燃料电池汽车的研发。丰田始终认为行驶中不排放二氧化碳、不存在电池废弃处理问题的氢燃料电池汽车应该是新能源汽车的终极目标。

1992年,丰田在重启混合动力汽车研发项目的同时,也开始着手研发氢燃料电池汽车。2002年12月,丰田氢燃料电池汽车在日本和美国限量销售,搭载了独自开发的燃料电池,迈出了实用化的第一步。

2014年12月,丰田发布第一代氢燃料电池车型“MIRAI”(未来),被业界称为世界上第一台真正实现商业化的FCEV车型。2020年底,丰田第二代MIRAI面世发售,新一代车型的续航里程将增加约30%,舒适度和驾驶操控也得到提升。

全新一代MIRAI在节能环保的概念上拥有比纯电动汽车更大的优势,因为实际上这已经不是零排放汽车,而是负排放了。据丰田介绍,MIRAI通过燃料电池会主动过滤空气,去除100%的颗粒物、二氧化硫和一氧化二氮。MIRAI屏幕上甚至会显示开车时净化过多少成年人呼吸使用的空气,像是一台移动的空气净化器。

2019年6月4日,8辆丰田MIRAI氢燃料电池车交货仪式在瑞士·洛桑的国际奥委会新设总部大楼“奥林匹克大楼”举行。期间,国际奥委会可持续发展总监Marie Sallois-Dembreville先生对丰田汽车公司表示了热烈欢迎,表示:“可持续发展是奥林匹克运动的核心,国际奥委会也一直想打造一个更加洁净的地球”,丰田汽车欧洲公司销售执行副总裁马特·哈里森回应说,将MIRAI交付给国际奥委会对丰田来说意义重大。

在东京奥运会时,奥运火炬首次采用了氢作为燃料,而氢气正是日本未来脱碳的核心之一。丰田汽车投入了约500辆氢燃料电池汽车MIRAI用于东京奥运会各个场馆间,负责大会相关人员的移动。

丰田汽车公司虽然只为奥运会提供约500辆氢燃料电池车(FCEV),但此举为其带来的效益可不只是单看数量。丰田公司之所以花巨资买下东京奥运会的赞助权,就是希望利用奥运会这个平台来推广氢燃料电池汽车。

实际上,丰田汽车公司正着手打造一个面向世界的,长远的“氢能源社会”战略。在2017年~2024年的8年间,丰田汽车将担任国际奥林匹克运动会在“移动领域”的“全球合作伙伴”。

在成功服务于东京奥运会后,丰田又作为北京2022年冬奥会和冬残奥会的赞助商之一,为赛事提供官方服务车辆共计2205台,其中丰田第二代MIRAI氢燃料电池乘用车、柯斯达氢擎燃料电池动力总成车型共计247辆(含2辆柯斯达氢擎福祉车)。

这是丰田首次将第二代MIRAI氢燃料电池乘用车正式引进到中国市场,并且实现大规模的实际应用,而柯斯达氢擎是专门为北京2022年冬奥会和冬残奥会开发的一款氢燃料电池车,是由丰田汽车研发中心(中国)有限公司(TMEC)来负责开发,由四川一汽丰田进行生产。柯斯达氢擎福祉车则采用了后门开启自动升降式上下车的方式,乘坐轮椅的运动员可以在不下轮椅的前提下,直接坐在轮椅上实现快速上下车,真正体现了丰田对特定人群的人文关怀。以上多款车型均在低温、高海拔、长距离等严酷条件下顺利的完成了工作。

丰田汽车公司以奥运会为契机普及氢燃料电池车,其为实现氢能源社会的作用不可小觑。实际上,通过奥运会投入使用氢燃料电池车,不仅是向日本、向中国,更是向世界传达氢气的安全可行性。

只有加快合作,才能最终达到共赢。2018年国务院总理李克强访日时,就曾前往丰田北海道工厂参观了丰田的氢燃料电池汽车。当得知丰田公司已与中国有关大学在一些尖端领域开展研发合作,李克强总理予以充分肯定。他希望中日双方进一步深化联合研发与创新合作,打造出适合两国市场以及第三方市场、有竞争力的高新技术产品。

但是,依靠丰田一家公司是难以将氢燃料电池车市场快速扩大。因此,丰田无偿提供了约5680项专利,希望共同将这一产业做大。同时,中国企业对氢能源的利用非常积极,丰田愿意和中国企业合作推广氢能源技术在中国的应用。

2017年,丰田汽车公司开始“MIRAI”在中国的实证实验,同时在中国的首座加氢站也在常熟落成。目前,丰田已经分别与北京汽车集团、苏州金龙等中国车企展开了氢燃料电池汽车的合作研发等,在中国市场推出氢燃料电池客车。相信很快,搭载氢燃料电池的乘用车也会逐步进入市场。

有氢可加,是确保氢燃料电池车使用的重要一环。作为国内拥有加油站数量最多的央企,同时又是年产氢气350万吨的国内最大氢气生产企业,中国石化希望将自己打造为中国第一大氢能公司。在加氢站建设方面,截至2020年底,中国石化销售公司已累计开展加氢站试点项目27个,在广东、上海、浙江、广西等地布局了加氢站点。“十四五”期间,中石化拟规划布局1000座加氢站或油氢合建站,这一规模约为2020年底全国加氢站总数的八倍。

去年3月23日,《氢能产业发展中长期规划(2021—2035年)》正式发布。规划中明确指出,氢能是未来国家能源体系的重要组成部分,是用能终端实现绿色低碳转型的重要载体,是战略性新兴产业和未来产业重点发展方向。此项规划为我国氢能产业有序高质量发展,描绘了更多值得期待的美好图景。

未来的汽车“终极能源”一定是多元化的。在企业促合作、技术有保障、设施在完备、政策给护航,多种优势条件加持下,氢燃料电池成为汽车“终极能源”中最重要的一员,未来可期。



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