请百度搜索合肥宝发动力技术股份有限公司关键词找到我们!

行业动态

电动车和燃料电池车谁更有前途?揭秘日企研发燃料电池车的原因

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2015/11/16     浏览次数:    

2015-11-13 新能源Leander

本文来源:第一电动网(www.d1ev.com,微信号:d1evwx),作者:闻岩

在2015年10月-11月举办的第44届东京国际车展上,燃料电池车(以下简称为“FCV”)成为一大亮点。不仅最早上市的丰田公司的MIRAI推出了后继型号“FCV PLUS”、日本三大汽车厂家的本田也推出了该公司最初的上市产品“CLARITY”(预定于2016年3月开始销售)、梅赛德斯-奔驰推出欧洲厂家最初的FCV概念车“Vision Tokyo”。一时间,FCV呈现出百花齐放的态势,大有占领未来的汽车市场的势头。

大家知道,在目前新能源汽车中,各种混合动力车及插电式混合动力车正处于黄金时代,无论是市场认知程度,还是节能效果都备受赞誉。但是,从新能源汽车具有停止使用传统化石燃料的天然属性这一点看,无论是混合动力车还是插混车,由于仍旧部分使用化石燃料,因而都是不彻底的,只能是在当前一段长时间内承先启后的存在。而真正具备了不使用化石燃料可能性的,只有电动车(以下简称为“EV”)和FCV这两种。

那么,EV和FCV孰优孰劣,哪一种更具有发展的可能性?是否存在着其中一种车型取代另一种车型的可能性?

本文就此作一探讨。

作为两种投放市场不太长时间的新型环保车辆(EV以三菱的MiEV于2009年投放市场计算,至今为6年;FCV以丰田的MIRAI于2014年12月投放市场计算,至今为1年),评价其优劣性,至少需要从以下几点进行考虑:

一、社会普及的难度;

二、大量生产的难度;

三、关键零部件的制造难度;

四、社会基础设施的建设难度;

五、能量充填的难度;

六、环保程度。

另外,因为本田公司生产的FCV的具体资料并没有公布,所以,本文中所讨论的FCV的状况,均以丰田公司生产的FCV“MIRAI”为准。

一、社会普及的难度

某种技术在其他替代技术的环伺中脱颖而出,不仅取决于该技术的先进性,还取决于是否能够获得较多的厂商利用这种技术进行生产、扩展性研发。因为技术只有在进入市场后仍能不断地进行扩展性研发,才能不断地获得新的生命力。也只有这样,才能获得更多的消费者,使该技术能够占领市场并延续下去。

这一点,当年家用录像机市场上,VHS和Betamax的规格之争、近年智能手机操作系统中,Android OS对Windows Phone之争,莫不暗示着这一道理。

另一方面,即使某种技术“先进”、技术含量高,充其量也只能是阳春白雪。如果不能获得大量厂家的支持,或拥有满足社会需要的产能,就无法摊薄研发成本。而价格居高不下的话,也只能导致消费者的敬远,最后导致该技术的消亡。

将EV和FCV相比较,也会发现这个问题。

EV的优势是结构简单,研发成本低,在改进传统汽车的驱动系统等之后,就有可能取得成绩,因此新兴厂家入行容易。现在世界范围内,不仅传统的汽车厂商,新兴厂商也纷纷进入EV研发领域,很多新兴厂商已经取得辽不凡的成绩。如美国的特斯拉,中国的比亚迪,都是属于非传统汽车行业的厂商。仅在中国国内,据《百度知道》介绍,这样的厂商数量很多,品牌也有几十个。

FCV是近几年新发展起来的新能源汽车。其特点是从能量发生原理到燃料储存方式等,都是需要新研发的技术,因此技术起点高,开发周期长,成本高,新兴厂家的进入很难。在世界范围内,目前进入实际销售阶段的,只有日本的丰田公司生产的MIRAI一种车型。其他的日本厂家中,本田公司预定于2016年3月开始面向政府机关销售(以收集数据为目的,面向个人的销售预定于2017年);日产公司正处于研发阶段。欧洲的厂家中,梅赛德斯-奔驰公司仅推出了概念车。而拥有Big three的汽车大国——美国,没见到其厂家推出FCV的报道。

从以上的介绍看,在市场规模的形成能力上(即社会普及的难度),FCV是无法和EV相比的。

二、大量生产的难度

2015年2月24日,丰田公司对媒体公开了其FCV——MIRAI的组装现场。

一般提到车辆的组装现场,人们都会在眼前浮现出这样的光景:在不停地向前运动的传送带上,现场的工人使用各种工具在迅速地将各种零部件组装到车体上。在整个组装作业中,每个人只进行组装作业中的一小部分,作业本身是一种简单的重复性操作。

100多年前,福特汽车公司导入流水线作业方式,将整个的汽车制造工程分为许多细小的部分,每个工人仅从事其中一个部分的加工。这种做法简化了当时需要专业技能和能力的汽车制造工程,从而摆脱了工业生产对专业工匠的依赖,使大量生产和降低成本成为了可能。从那时开始,整个汽车行业都是以这种方式进行生产。虽然出现了丰田发明的“看板方式”这种在同一条流水线上同时制造不同型号汽车的组装方式,但本质上整个汽车工业仍然在福特公司开辟的道路上前进。丰田公司的流水生产线,曾经创造过50秒一台车下线的速度。

可是,当人们进入MIRAI的组装现场,却吃惊地发现,MIRAI的组装完全没有使用流水线式作业!在现场,由13名工人,通过手动操作来组装FCV!平均每名工人所需安装零部件的数量,约为在普通组装流水线上工作的工人的40倍!

也许正是由于这个原因,丰田的FCV2015年的产量预定为700台,2016年2,000台,2017年扩大到3,000台。2015年每天生产FCV3台左右!

和FCV“磨洋工”式的量产速度相对应的,是EV的生产和销售状况。

据日本民间研究机构株式会社富士经济的发表的市场调查报告:纯电动轿车的世界销售台数2014年为19万台;而到2035年,这个数字将增长到435万台,20年间增加24倍以上。而株式会社海野世界战略研究所的《世界战略报告》中则预测:2020年,中国企业生产的纯EV数量将达到2,000万台!

从目前丰田的生产体制上看,FCV的产能是无论如何无法与EV相提并论的。

三、关键零部件的制造难度

FCV在生产方面的另一个问题,是关键零部件的供给难度。

EV的零部件供应,基本上是既存工业产品生产的延伸;而FCV的零部件生产,则完全需要在全新的领域进行研发。

燃料电池的核心装置——燃料电池堆,是由数百枚高分子电解膜叠加而成,在制造上要求非常高。虽然燃料电池堆制造的具体信息并没有公布,但从目前MIRAI那极低的生产台数上看,或者零部件的加工工艺性太差,或者丰田公司现在还没有解决量产加工工艺问题。

另外,能够承受700个大气压的高压氢气储罐,其制造工艺也非常复杂。

氢气因为体积很小,因此在高压下氢气分子会渗入到金属的晶体之间,使金属变脆。所以,FCV的氢气储罐必须使用高分子树脂材料。

从丰田公司所公开的资料来看,氢气储罐使用多层树脂制造:在内层,使用高分子致密性材料阻止氢气泄露;在外层,使用高强度碳纤维及纳米尼龙材料保持强度。当然,罐体材料还要具有保温性能,同时还要保持低温环境下(罐内的氢气温度为-40摄氏度)的强度。

在使用吹塑成型的内层外侧,一层层地缠绕用碳纤维加固的高分子材料扁片。缠绕方式分沿圆周方向、轴向和螺旋方向三种,反复缠绕直符合要求为止。因随着储罐内氢气的放出,罐内压力下降导致储罐缩小,故外层材料除要求有足够的强度之外,还要具备一定的伸缩性能。

在极端的使用状况下,氢气储罐要承受接近常压~700大气压的反复变化,罐体材料容易产生疲劳。所以日本规定罐体材料必须具备能够承受22,000次压力变化的耐久性。

需要这样复杂的制造工艺,FCV的制造成本恐怕会一直居高不下。

四、社会基础设施的建设难度

新能源车的普及所需要面对的一个重要的问题是:无论EV还是FCV,其普及推广都需要社会基础设施的跟进。那么,目前充实EV用充电桩和燃料动力车用“加氢站”的成本如何?

从国内电动汽车电商宝工商城可以了解到:家用充电桩分为“壁挂”式和“埋地”式两种,价格为从两千多元到万元,设置所需时间为一两个小时之内。而设置商用充电站(备有复数的重点桩),总投资(不含地价),为500万元至几千万元之间。但因国内没有配套于燃料动力车的加氢站,下面我们看看同时拥有这两种设施的日本的状况。

在日本,EV充电分为普通充电和快速充电两种。和普通充电需要8小时相比,快速充电只需要30分钟就能充满80%的电力,名为“CHAdeMO”。“CHAdeMO”是一个日语组合词,包含着“CHArge de MOve”(为运行而充电)、“在饮茶时即可充电”等意思。具有快速充电能力的充电桩较贵,每台200~500万日元,算上安装工程费用为300~1,200万日元。考虑到在日本建设一座汽油加油站约需1亿日元这一状况,建设充电占的成本应该说是很低的。根据日本CHAdeMO协议会的发表,截至2015年11月9日,日本国内共设置了EV充电设施5,484座,而全世界对应日本充电规格的充电设施共设置了9,197座。

在日本,建设一座中规模的FCV加氢站,需要4.5亿日元。为缓解建设加氢站所需的巨额建设成本,日本政府设立了“氢气供给设备整备事业费辅助金”制度,为每座加氢站提供2.5亿日元的补贴。

在这种条件下建设的加氢站出售的氢气价格为每公斤1,000日元(免除燃料税等)。充满一罐氢气约需4,300日元。综合MIRAI最大行驶距离650千米这一指标,上述氢气价格和一台混合动力车的燃料成本相近。

但是,即使日本政府对加氢站提供了高额的财政补贴,日本国内加氢站的建设速度仍远远落后于政府目标。按照日本政府发表的“氢气及燃料电池战略路线图”,2015年日本国内以四大都市圈(东京、大阪、名古屋及福冈)为中心,应建设100座加氢站。可是,截至于2015年10月下旬,日本全国仅建成加氢站28座,不及计划的1/3。

加氢站的建设,需要投入天文数字的社会资本。就连直接利益者——丰田公司自身都不准备建设加氢站,这一事实从侧面说明了普及加氢站的难度。

从这个角度看,丰田的FCV“MIRAI”续航距离为650千米,本田的FCV“CLARITY”续航距离为750千米,与其说是表明了车辆的性能优异,不如说是厂家应对加氢站数量过少的一种无奈之举。

从争夺社会资源建设基础设施的角度看,同为新能源车的EV与FCV在某种意义上,是一种互为竞争对手的关系。而从中央政府有效利用社会资源的角度看,应该是全力促进其中一种产业的发展,而不应“脚踩两只船”。这种做法,将会使目前捉襟见肘、入不敷出、寅吃卯粮的日本政府的财政状况变得更加雪上加霜。同时,这种“一心二用”的做法,也会阻碍相关行业的健全发展。

五、能量充填的难度

在EV和FCV补充燃料方面,EV远逊于FCV。

目前日本国内最快的充电方式,为“CHAdeMO”方式。据介绍,使用这种快速充电方式,可在30分钟内,为日产聆风(Leaf)EV充满80%左右的电力。使用这些电力,EV可以行驶180千米。

而FCV在加氢站用3分钟时间即可装满氢气。使用这些氢气,MIRAI可以行驶650千米。

造成这种现象的原因,是目前人们还没能找到一种高效、高能量密度的蓄电池。但是,这个问题并不是没有解决方法。

首先,可以通过建设社会技术设施来解决EV续航距离短的问题。

比如,可在EV的巡航里程之内建设充电站,同时在公共停车场内建设充电设施。如果在EV乘客进行购物和娱乐的同时在停车场为EV充电,那么EV充电时间长的问题就会迎刃而解。而如果充电设施的分布能够达到随停随充的程度,蓄电池容量低的问题也就不显得突出了。南方很多城市的公交系统采用的“换电”方式,也是解决这一问题的重要途径。

其次,根据车辆用户的日常用车规律来选择车型。

目前状况下,EV最适用于类似于市内交通的短途驾驶。实际上,除需要长途行驶的用途之外,绝大多数用户都是每天行驶距离较短的。据日产汽车公司对该公司生产的聆风(Leaf)车用户的追踪调查,绝大多数用户每天的行驶距离为30千米。远远达不到该车250千米的续航里程。

本项结论:虽然FCV充能速度优于EV,但并非无法解决。

六、环保程度

同为新能源汽车,以环保为卖点的两种车辆,其环保型能如何?

在评测某一款汽车的环保型能时,国际上通行的做法,是进行“Well to Wheel”评价。即从井(Well)开始,直到汽车(Wheel)行驶为止,整个过程所产生的二氧化碳总量。

比如,汽油车的场合,需要计算从油田抽出石油,在化工厂提炼出汽油,装填到汽车的油箱中驱动车辆行驶,同时考虑在油田的石油运输到各个结点的运输过程中所产生的二氧化碳总量。

FCV的效率则和如何制取氢气有很大的关系。

氢气是宇宙中最轻的物质,即使地球的引力也无法束缚。所以,单质的氢气在地球上并不存在。获得FCV所需要的氢气,需要花费能量(一般是电力)从化合物中提取。也就是说,氢气和电力一样,都属于二次能源。

从原理上讲,FCV是一种混合动力车,其驱动方式和混动车中的“串联”方式相近。即发动机(在这里,是燃料电池)发电,带动驱动用电动机运转,使车辆行驶。无论通过何种途径获取氢气,在车内都存在着一个化学能转换为电能的能量转换过程。在这个过程中,会产生能量的消耗,即使不考虑在燃料电池中氢-氧化合反应的效率,也存在着一个产生大量的反应热的能量消耗(因此FCV的散热器要大于普通汽油车)。

为实现用氢气驱动车辆行驶的目的,需要进行多次的能量形式转换。考虑到效率问题,能量转换的次数越多,则损失的能量越多,环保性能就越差。

和FCV相比,EV需要的是电力本身。所以,在“Well to Wheel”的整个过程中,EV减少了能量形式的转换过程,所以在整个过程中排放的二氧化碳总量要少。

所以,FCV的环保性低于EV。

从上面的分析看,几乎在所有的因素中,和EV相比,FCV都处于竞争的劣势地位。

七、为什么丰田公司会在EV和FCV之间选择后者?

一个原因恐怕是在主观上的倾向性。

大家知道,燃料电池的原理最早可以追溯到20世纪60-70年代美国实施的阿波罗登月计划。当时,NASA为兼顾飞船用电和宇航员生活,使用了燃料电池技术。这样,在获得电力的同时,解决了宇航员生活用水等问题。

阿波罗计划实行的时期,正是日本社会处于经济高速成长的时期,对外界信息非常敏感。尤其阿波罗计划是人类文明史上的壮举,日本人对此几乎是耳熟能详。所以,从感觉上,燃料电池比较高大上。

另外一个原因,恐怕是没有預料到车用燃料电池技术的复杂程度,没有经过充份的技术论证而匆匆上马。

燃料电池的原理,可以说在任何一个高中化学课上都可以简单地进行演示实验。氢气+氧气通过化合反应生成水的过程,可以说所有的合成反应中最为简单的一种。在看过这种演示之后,没有人会去怀疑燃料电池的可行性。但是,实验室的演示和工业生产是完全两码事。

比如说,在实验室制氯气,可以用浓盐酸(HCl)与二氧化锰(MnO2)进行反应。但是,如果工业制氯也用这种方式,其成本就太高了。

据说,目前市场上的FCV的登场,开始于一个简单的日常对话:2002年,当时的日本首相小泉纯一郎问其好友丰田总裁奥田硕:“在汽车业界有什么可以推动日本成长战略的新技术?”奥田回答说:“FCV马上就可以搞起来!”

于是,这随口说的一句话,引出了日本政府全力支援FCV技术发展的政策。当时的日本汽车厂家将正在研发过程中的燃料电池技术进行改良,使其达到了能够装上汽车,上路行驶的程度。但当时汽车厂家所推出的,也只是起示范作用的、供短途行驶的大型公共汽车。因此,不需要考虑行驶距离,也不注重小型化,甚至运行成本及燃料补充等社会基础设施也不重要。

那时,恐怕只有很少的人意识到,在那个技术水平下,继续研发家用FCV系统(即小型化和高容量化),将会遇到一些多么大的坑!

比如,为了储氢气,需压缩到700个大气压。可是,气体在压缩过程中会产生大量的热,会将氢气的温度升高到3,752摄氏度!且不说有哪些可用来制造氢气储罐的材料可以承受这个高温(最常用的钢材——45#钢熔点为1,535摄氏度,沸点为2,750摄氏度),就是连接加氢设备和FCV的那根“橡皮管子”,就没有办法制造!所以在压缩氢气(也就是装填氢气的过程中)必须同时进行冷却!

再如,大家都知道燃料电池在工作中只产生水,却没有考虑到氢氧化合反应所生成的水会附着在电池的反应装置上,从而阻止反应的连续进行,因此燃料电池中必须建立某种机制,将生成的水吹离。

……燃料电池的开发真的是一步一个坑!

真不知道如果当年奥田总裁知道前途如此的坎坷是不是还会说那样的话!

日语中没有“坑爹”这个词,但恐怕这个想法会不止一次地出现在研发人员的脑中!

据美国媒体Think Progress报道:特斯拉的CEO Elon Musk评价FCV是“极其愚蠢的”(are extremely silly),“氢气是个非常愚蠢的替代燃料”(hydrogen is an incrediblydumb alternative fuel)。EV厂家的主管自然不会对竞争对手说好话,但也反映了美国主流媒体的观点。

八、为什么在这种情况下,日本厂家仍然积极研发FCV?

其中一个主要的因素,恐怕是由于FCV技术方面的门槛很高。通过继续研发,日本厂家可以保持对美国厂商和中国厂商的技术优势,同时阻止这些厂商涉足燃料电池领域吧?

日本文化中有一种“一条道跑到黑”、“不撞南墙不回头”的固执因子。几十年前的第二次世界大战后期是这样;近十年来的经济活动也是这样:日本国产翻盖手机坚持走老路,而被海外智能手机夺走市场;某著名家用游戏机厂家坚持不走网游路线,最后业绩凋零;某著名液晶电视厂家坚持走高端路线,最后不得不将液晶电视工厂卖给中国的竞争对手……

近年,日本媒体上一个热词频频显现:“加拉帕戈斯化”。其原意是指在太平洋的加拉帕戈斯小岛上,因于大陆之间有海洋的隔绝,因而形成了独自的物种进化系统(据传当年达尔文正是在这里得到启发而写出了《进化论》)。现在引申为特指日本电器厂家不顾国际潮流独自发展,而形成了与世界格格不入的产品系列这一现象。

如果FCV技术不能推广到世界的汽车业界,而仅仅满足于在日本国内“闭门造车”,很可能成为一个新的“加拉帕戈斯化”产品的例证。

九、从宏观经济的角度看EV与FCV之争

要想使FCV获得与目前EV同样的地位,需要政府组织、民间能源经济实体以及车辆生产厂商作出巨大的努力。否则,FCV比较难于形成市场规模。起码难于形成和EV进行竞争的市场规模。而一件商品如果不能形成足够的、能够支撑其存续和发展的市场规模,那结局只有一个:走向没落。

需要注意的是在进行这种努力的过程中,时刻存在着或多或少地与EV争夺社会资源的状况。

从国家对宏观经济的操控层次上看,EV和FCV都属于新能源车,都能够解决在不远的未来世界陷于化石能源,尤其是石油资源枯竭的困境。但是必须认识到:合理的宏观经济思想不能容忍社会基础设施中同时存在“汽油/柴油”供应系统、“EV用电力”供应系统和“FCV用燃料”供应系统这三种系统,这是一种对社会经济资源的浪费。

一般来说,在使用最少的社会资源来实现特定目标时,从经济合理性的角度看,各种经济实体会倾向于选择更容易实现目标的手段,而不是倾向于选择技术上更复杂的手段。

所以,在EV和FCV争夺社会经济资源,前途并不明朗化的情况下,不论是各国政府还是各种相关经济组织,都面临着一个“站队”的问题:即在“汽油/柴油”供应系统已经存在的前提下,是选择发展EV还是FCV?如果“站队”出错,就会浪费社会资源。

当然了,事情也许没有这样的严重。从目前世界上EV和FCV的发展、普及状况看,与EV相比,FCV研发、销售有一个较大的滞后期。对FCV来说,这个“时间差”也许是致命的。

FCV起源于日本,现在世界上其生产厂家只有日本厂家。其中,丰田公司的FCVMIRAI已上市销售,本田公司的FCV预定于2016年3月开始面向政府机关等销售(用于收集数据),而面向民间的销售则要等到1年后的2017年。其他厂家的状况,或者是处于研发阶段(如日产、三菱、刚从丰田得到专利的马自达以及和丰田有着共同研发历史的BMW);或者是仅仅推出了概念车(如梅赛德斯-奔驰)。

也就是说,目前在市场上面向民间销售的,只有丰田的MIRAI一种车型。考虑到该车近乎于0的产能,即使丰田有扩大市场的意愿,实现的可能性也是非常低的。

而与此同时,EV的市场却在日新月异地发展着。

很可能当FCV形成生产能力,产能足以供应市场需求时,EV不仅已经站稳脚跟,甚至已经获得了较大市场占有率。如果出现这样的状况,FCV的发展将会受到很大的限制。

退一步说,假设未来某个时期FCV的技术得到普及,产能、价格以及社会基础设施等因素具备了与EV一争高下的程度。即使这样,也并不意味着EV会被FCV所排挤。

实际上,EV和FCV由于其原理的不同,在适用的车型方面是各有所长的。特别是如果出现EV与FCV分庭抗礼的状况,在移动工具业界恐怕会出现分化现象,即各种驱动原理的车型,分别适用于不同的使用目的。用户根据自己的主要用途来决定选择EV、FCV或者是化石燃料车。

如果一定要进行一个“势力划分”,似乎应该是这样一幅图景:

1. EV结构简单,加速快,适合于轿车、跑车、摩托车、城市内的公共汽车;

2. 化石燃料车及各种混合动力车用于高档轿车、SUV、轻型及中型载重汽车;

3. FCV的小型化和高容量化比较困难,因此在长途及大型载重车、长途客车上更有用武之地。

在对比EV和FCV着两种新能源车型时,令人感到有趣的是:这两种车型在争取社会资源方面呈现出竞争关系,同时,在能源的搭载能力上、研发难度上则互有长短。

EV的研发比较简单,而电池的容量较小;FCV的研发很困难,而氢气的单位体积能量是汽油的3倍。

通过使用新能源汽车达到节能和摆脱传统化石燃料这一目的,是全世界各国政府的共识。而具体采用那一种车型,则需要综合考虑当地的车辆研发技术水平、社会需要、能源供应状况、工业生产状态以及社会基础设施的状况,才能作出适合本地特色的决断。

返回上一步
打印此页
0551-63892300
浏览手机站