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氢燃料电池汽车究竟何时能在市场占有一席之地?

来源:交能网   更新时间:2018-11-28 14:46:11    

  引言:随着氢能在能源行业也越来越受到重视,氢燃料电池汽车(FCEV)也渐渐走进大众的视野。但提及氢燃料电池汽车的发展时,需要发展的不是单一的在街上奔驰的汽车,而是一个从汽车、加氢站、运输配套叠加而成的完整复杂交通系统。在比较各种能量来源的交通方式的时候,我们往往忽略其它的配套设施,这样就容易夸大的某种技术在某单方面的优势,而产生出错误的结论。氢能在汽车上的应用形式,也不仅仅限于燃料电池一种,比较少见的有一氢燃料发动机为驱动的汽车,其燃烧供能的主要部分依然是氢。本文主要讨论燃料电池汽车(FCEV)的应用,以避免泛泛之谈而无法面面俱到,关于其基础设施的建设将在日后介绍。

  氢燃料电池混动汽车FCEV

  车中的蓄电池在混动汽车加减速的时候介入工作,就能够保持燃料电池的恒定工作状态,提高运行效率。氢燃料电池混动汽车兼具混动汽车和电动汽车的特点,在电机电路方面有很多共用部件,比较传统的燃油混动汽车更有优势 (McKinsey and Co., 2011)。截至到2014年,全世界范围内有大约550辆FCEV(公交车和乘用车),做为示范项目的一部分上路行驶。在洛杉矶也有少量的FCEV重卡在展示运行,以测试其作为增程电动汽车的实用性。

  现在FCEV的氢气储存压力在35MPa到70MPa之间。压力越高,储存的氢气自然越多,也就意味着更高的续航里程和时间。因此大部分的示范项目都是以70MPa压力作为标准工况,以达到更加的演示效果。在现在的技术下,1kg的氢燃料能够支持车辆大约行驶100km。目前大部分实验的氢燃料混动汽车都设计成500km至650km的续航里程,与燃油经济性不错的汽油车相差无几。氢燃料电池汽车能够维持燃油汽车类似的行驶品质,取决于氢气的生产工艺,能够减少部分乃至绝大部分的尾气排放。

  FCEV的发展阻碍

  然而,尽管有排放方面的优势,氢燃料电池混动汽车的价格,依然是其市场推广的主要障碍。目前一辆整车的价格在6万美元,尚处于市场推广的早期阶段,远高于同品牌、性能相接近的燃油汽车,普通消费者因此产生了氢燃料混动汽车高不可攀的感觉。这对一项新技术的市场推广,可不是一个好消息。因此在目前的售价和加氢基础设施普及情况下,只有日韩,德国,美国加州的少部分地区高收入客户,能够成为氢燃料电池混动汽车的目标客户。

  目前FCEV汽车高成本的主要原因是居高不下的燃料电池价格,更深究下去的原因是燃料电池电堆和电池平衡系统的价格。如果这两点能够降低,同时延长燃料电池的使用寿命,FCEV的使用成本才有可能更具有吸引力。当然,规模化的大量生产毫无疑问能够减低汽车的制造成本,与福特T型车的流水生产线成功让美国工薪阶层有了第一辆汽车是一个道理。在大规模产生以前,FCEV组件的成本还有另外减低的空间:例如减低高压储氢罐复合材料的价格就能够显著降低其成本。为了保证成本的最优化,汽车生产厂商致力于氢燃料电池系统成为一个完整的设备包,能轻易的“嫁接”到现有的燃油汽车上,这意味着不需要改造现有的生产线,成本能够进一步得到控制。

  FCEV的发展优势

  为了充分发挥FCEV对于普通燃油汽车的优势,其车型主要集中在大型和高档汽车上。起初这些高成本的设备与技术将首先应用在旗舰车型上,之后等待价格减低后再逐步下放到普通车型中,这与普通汽车中的技术路径也基本一致。试想一下二十年前有多少汽车配备的六速以上的手自一体变速箱、涡轮增压引擎,并且配备了自动驾驶系统、GPS导航呢?

  对于FCEV而言,燃油汽车都不算是真正的竞争对手,混动电池汽车却能与之处处较劲。无论是目标客户(中高端市场人群),还是宣扬的低碳环保理念,两者都颇为相似。当厂商将大规模生产时电池和储氢罐成本考虑在内的时候,由于FCEV的单一电动力链的低复杂性,其比较与混动汽车还是有些许优势的。 

  在示范项目中批量应用,能够放大氢燃料电池混动汽车的优势。这样做的诀窍是节省了不少加氢站的成本。例如在货运车辆或者是公交线路上使用,加氢站的数量可以被优化,从而降低与之相关的成本。例如在欧洲汉堡,布鲁格,斯图加特等地的应用,都是在CUTE / HyFLEET:CUTE 的欧盟资助项目下开展的。另外,对于公共交通汽车而言,氢燃料电池混合动力车在城市启停频繁的路况下能够更好的发挥它的作用,并且突显其优势,在人口密集并且空气污染严重的地区,这样的系统相当适合。但就从用户的角度来看,加氢站数量的精简带来的成本优势,对于大规模的推广和个人应用而言,完全没有参考意义。此外,在从演示阶段走向日常生活之中时,氢燃料储存的安全也会更加受到关注。早在2008年,第一代氢燃料电池客车就服务了北京奥运会,但作为示范项目,180万欧元一辆的单价,使得氢燃料电池公交完全没有经济性可言。

  FCEV示范案例

  时隔10年,今年十月在上海嘉定区114路公交上新亮相的氢燃料电池客车已经成熟很多。在全球环境基金会、联合国开发计划署支持下,作为由财政部、科技部联合北京、上海等5城市共同实施的“促进中国燃料电池汽车商业化发展”项目成果之一,嘉定运营的燃料电池大客车,由上汽集团、申沃客车联合研发。本款产品采用燃料电池系统为主、动力电池为辅的双动力源,车载储氢系统可储存21千克氢,最长续驶里程可达560公里。

  除此之外,氢燃料电池在轨道交通运输、货运汽车领域也有不少应用示例,例如下图所展示的燃料电池列车,该列车今年9月已经在德国下萨克森州正式开始商业载客运行。

  目前每天维泽-易北交通公司(EVB)在不来梅港附近的区域33线中用iLINT开行8对列车,并有可能在今后在将其推广到莱茵鲁尔、巴符、莱茵美因地区。iLINT型氢燃料电池混动火车的技术路线和FCEVs汽车类似,只不过各类参数要大不少,有2个90kg的储氢罐,110KWh的电池容量,544kW的输出功率和87kN的启动扭矩,基本能够满足800公里的每日区域列车运行距离要求。阿尔斯通在制造的时候,充分利用了原有的LINT型火车设计,将氢燃料电池包和原有的驱动设备尽可能兼容,降低开发成本和时间。在今年五月,舍弗勒向其颁发了2018年度GreenTec交通奖,代表了欧洲工业界对这一尝试的充分肯定。阿尔斯通在建设中也要承担完善加氢站和配套的维护设备的任务,这也解释了为什么在2014年项目启动4年后,第一列火车才正式投入运行。这样的配套建设问题在运用于固定线路的公共交通中影响还不为明显,但若用于个人出行,影响因数不容忽视。

  在重型长距离交通运输领域,氢燃料电池重卡是目前市场上为数不多几种选择。尽管在新闻或是在公众视线中出现的不多,但氢燃料电池重卡和其它低碳运输工具的竞争格局依然存在。在传统的重卡领域,柴油引擎在卡车运输行驶中热效率已经能够达到40%。在也倒逼氢燃料电池在技术发展中需要寻找在功率和效率之间的一个技术的平衡点,来突显其对于传统重卡的优势。加大功率的情况下,氢燃料电池能够满足重载道路运输的功率、扭矩等性能需要,但是损失的效率导致了燃料消耗的增加,需要利用更大的氢燃料储存空间来弥补。目前技术条件下,运用70MPa高压氢气储存的重卡,相较柴油重卡的燃料储存空间要大4倍,这对于以增加载重为目标的重型卡车无疑是一个致命伤。但在道路载重运输领域,由于其零排放的优势,氢燃料电池的发展受到了各大物流集团的重视,沃尔玛、京东、百事等都已经在相关项目上开始投资,推动其产业发展。 

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