近日,在马斯克接受的一次采访中,主持人问他,「新能源汽车的未来是什么?氢能还是电能?」马斯克回答说「显然是电能,其他都是浪费时间。」
可实际上,要实现零排放和碳中和的最终愿景,多种路线的并行发展与摸索一定是必要的。
有人说,「电池革命才刚刚开始」。当固态电池、钠离子电池的技术突破都成为热门话题时,人们对氢燃料电池(FC)的关注也从来没有中断过。
然而,除了众所周知的基础设施建设,以及成本问题,FCEV的发展还面临着一些技术和标准层面的「小尴尬」,其中哪怕有一环的缺失,也会对整个产业的发展速度形成制约。
在解读相关问题前,我们先对FC的特点及适用场景进行简要梳理。
此「电池」非彼电池
虽然名字里有「电池」二字,但其实FC并不该被归类为「电池」。因为锂电池属于储能装置,而FC虽然是发电装置,但其具备冷却路、进气路和出气路,从构造上看,似乎更应被比作「清洁能源发动机」。
至于能发多少电,则取决于FC带了多少「干粮」,也就是高压储氢罐,这相当于传统的「油箱」,其容量和个数直接决定了车辆续航里程。
由于FC需要先通过燃料进行发电,再传至电机送电,最终由电机驱动车辆行驶。这「先发现再放电」的程序,导致其综合效率实际要比锂电池低。
不过,氢燃料电池的优势也是明显的:除了加氢速度快这一「必杀技」,在能量密度这方面,其单位体积下的能量密度可比锂电池高3倍,且长时间储能时衰减相对小,储能效率不变。同时,FC的耐低温性能也比锂电池强。而在碳中和的命题下,FC的环保意义也值得一提:它在吸入空气、经过空滤,进行反应发电后,不会再像传统车那样排出,因此也被称作「移动的空气净化器」。
在关于未来驱动方式的探讨中,氢燃料电池并未被认为是一种「替代品」,而是锂电池的「互补品」。目前的普遍观点是:短途小型乘用车使用锂电池的效率更高,但是长距离的重型商用车,则更适用于FC驱动。
目前看来,汽油发动机更适合由锂电池替代,而使用柴油的重卡、货运车辆及物流车辆则更适合由FC替代,而且其应用场景不仅限于车辆,还可应用于轮船、火车头等等,这是目前行业比较认可的方向。
Bramble Energy的COO——Vidal Bharath在近期的一篇文章中指出,真正可持续的运输部门「必须包含氢燃料电池」。他以英国现状举例,表示使用FC不仅可以大大缩短补能时间,节约运输成本,还能减少电网负担。
「假设英国注册的495,000 辆卡车全都过渡为BEV,并且每辆卡车平均每天充电一次,其产生的能源消耗将相当于每天为 4700 万个家庭供电,而英国目前只有 2900 万个家庭。」
那么,为什么中国也需要FC呢?
目前,中国还是以火力发电为主,而随着「3060政策」的提出,中国需要进一步扩大可再生能源。
「虽然国内商用车的年销量份额只占20%,但是商用车的总排放却占总量的50%以上,所以控制商用车的排放是咱们蓝天保卫战中一个非常重要的环节。」该研究者表示。
另外,由于纯电动重卡续驶里程较短、充电时间较长,若要提升续航里程还必然面临载重量的降低。而氢燃料电池的自重更低,有助于增加有效荷载,同时还不受低温天气影响,并能快速补能提高运营效率。
在国内, FCEV的使用场景也还是以运输型车辆为主。不过,对于像丰田这样的企业来说,如果首先拿下FC乘用车场景,那其他场景就都不是问题了。
「乘用车的劣势就在于它对基础设施依赖太强,如果不建设足够的加氢站,是跑不起来的;但如果没有足够的车去养加氢站的话,它也活不下去,这有点类似于鸡与蛋的关系。」丰田相关人士向Auto Byte说道。
乘用车本应是氢燃料电池做到最后一步的形态,但丰田还是先做出了Mirai。不得不承认的是,这款车不仅克服了技术壁垒,证实了FC的可拓展性,还对C端消费者起到了一定推广作用。
2015 年开始,丰田 Mirai 就已经开始在日本、欧洲等地作为出租车运营。至今,Green Tomato Cars还在伦敦运营着一支由27 辆 Mirai 组成的车队,其2019 年行驶里程超过 100 万英里,每辆汽车在这段距离内减少了相当于 7.6 吨的二氧化碳,并且氮氧化物排放为零。
那么,为何Mirai和其他类似的FCEV至今在国内还几乎见不到踪影呢?这就要提到「技术和标准」这两个层面问题。
开放专利也难解决的技术难题
8月14日,百辆未势能源氢能重卡示范线投运仪式在保定市徐水区容易路驿站举行。长城汽车从2016年就已开始进行FC研发,并于2019年成立未势能源科技有限公司,专门从事氢能技术开发。
如今,该公司已经实现「电堆及核心组件、燃料电池发动机及组件(控制器等)、Ⅳ型储氢瓶、高压储氢阀门、氢安全、液氢工艺」六大核心技术和产品的知识产权完全自主化。
但是,这百辆投运的氢能重卡,其使用的储氢瓶却仍然只是35MPa的Ⅲ型瓶,这对比日本与欧洲早已开始量产装车的70MPa IV型瓶,显然落后了一截。
Ⅲ型瓶是铝内胆纤维缠绕瓶,其结构为金属内衬外缠绕多种纤维固化后形成增强结构;而Ⅳ型瓶被称作全复合塑料储氢容器,其塑料内胆能够在降低成本的同时,进一步减轻高压储氢容器的自重,并提高系统储氢密度。
以被视作标杆的丰田70MPa IV型瓶为例,其采用三层结构复合材料内衬,内层是密封氢气的塑料内衬,中层是确保耐压强度的碳纤维强化树脂层,表层是保护表面的玻璃纤维强化树脂层。
「储氢罐的压力需求比天然气更高,同时,由于氢气要考虑氢脆现象,所以这对材料的要求较高。」丰田方面对Auto Byte介绍道。
在丰田研制的IV型瓶中,也将轻量化和降本做到了极致:它的中层采用了对含浸树脂的碳纤维施加张力,使之卷起层叠的纤维缠绕工艺,并通过特殊的缠绕方法减少了纤维的缠绕圈数,使碳纤维强化树脂层的用量比原来减少了40%。同时,该高压储氢罐的质量储氢密度达到5.7%,体积储氢密度约40.8kg/m³。
必须全行业环环相扣