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如何突破氫燃料電池車的“性能瓶頸”

鉅大LARGE  |  點擊量:839次  |  2019年06月12日  

對氫燃料電池車來說,它也需要固定的氫燃料加注場所,這就跟燃油車需要加油站一樣,由于氫在中國屬于受管制的?;罚云胀ㄈ私佑|氫的方便程度其實比接觸汽油還要低。之所以對氫管制的如此嚴厲,是因為氫氣在空氣中的體積濃度只要介于4.0%~75.6%之間,遇火源就會爆炸——遠遠比汽油危險多了。

正是由于這種延續(xù)自燃油車的“續(xù)命方式”,使氫燃料電池車不能像電動車那樣,讓消費者自己在家就可以完成充電過程,而且加注燃料的過程也不能離開人在一旁監(jiān)督,這無疑相比較于電動車有了一些不“新”的地方。

其次,氫燃料電池車本質(zhì)上還是一輛電動車,它與電動車相同的地方,是二者都需要成熟的三電系統(tǒng);不同的地方是,它把電動車掛在底盤下邊的那個大大的扁扁的電池組,變成了若干不同體積的高壓氫氣罐,并依靠一個燃料電池組,把氫氣通過化學反應(yīng)變成水和電,并用生產(chǎn)出來的電來驅(qū)動車輛。

所以,從工作原理上來說,氫燃料電池車特別像一個增程式電動車,只是這輛車的動力系統(tǒng)中的汽油和發(fā)動機增程部分,分別變成了氫燃料電池車上的氫氣罐和燃料電池組。

這也意味著,氫燃料電池組的性能成為了這輛氫燃料電池車的“性能瓶頸”,眼下,韓國現(xiàn)代汽車的氫燃料電池車NEXO(下圖)的氫燃料電池組的功率設(shè)計為120kW,豐田Mirai和本田Clarity這兩款車的氫燃料電池堆的設(shè)計功率分別為114kW和100kW。

事實上,這個功率水平也就是眼下氫燃料電池車所能允許的性能極限了,如果想把氫燃料電池組的功率提高,那么隨之而來的重量和體積增加都是這些產(chǎn)品所不能承受的。

但最重要的,提高氫燃料電池組性能導(dǎo)致的成本上漲,將成為壓垮氫燃料電池車的“最后一板磚”,因為眼下的氫燃料電池組技術(shù),都嚴重依賴“鉑”這種貴金屬來讓氫氣和氧氣產(chǎn)生的化學反應(yīng)。

所以眼下提供給私人用戶的氫燃料電池車,是沒有所謂的高性能版本的,這一點就讓它相比于傳統(tǒng)的燃油車和電動車,看起來更接近一個概念化產(chǎn)品。

既然談到了“鉑”,我們就可以聊聊氫燃料電池車對這種金屬的依賴,將要帶給它的不確定性。

眼下,鉑的工業(yè)應(yīng)用主要來自于汽車尾氣凈化劑、燃料電池汽車、平板玻璃等行業(yè)。有來自于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)顯示,2010年全球售出的245噸鉑當中,有113噸(46%)用于汽車催化轉(zhuǎn)換器的生產(chǎn)制造;76噸(31%)用于首飾;其余35.5噸應(yīng)用在了投資、電極、抗癌藥物、氧傳感器、火花塞和渦輪引擎等方面上。

所以,如果燃料電池車開始大規(guī)模推廣的話,那么只要基礎(chǔ)燃料電池技術(shù)沒有革命性的優(yōu)化,那就勢必推高鉑在國際市場上的售價(和燃油車爭奪鉑),從而把我們對石油的依賴轉(zhuǎn)移到了對貴金屬礦產(chǎn)資源的依賴上。

而鉑礦在全世界的分布卻極不均衡,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)顯示,南非占世界鉑的總儲量的82.3%(目前發(fā)現(xiàn)的),因此這對于那些礦產(chǎn)資源稀缺的國家來說,確實不是一個好消息。

所以,眼下氫燃料電池車確實無力作為一個能獨當一面的新能源解決方案,在和傳統(tǒng)燃油車與新興電動車面對面叫板時,它能給制造商、行業(yè)和消費者帶來的收益也是可以忽略不計的(事實上現(xiàn)在還沒有誰可以在不依賴補助的前提下,通過制造和銷售氫能源車實現(xiàn)盈利)。

但是,如果把它看做是介于傳統(tǒng)燃油車和新興電動車之間的一個“補缺”型產(chǎn)品,它的存在意義就比較清晰明了了。

比如說,我們現(xiàn)在經(jīng)常抱怨傳統(tǒng)燃油客車和貨車帶來的污染嚴重,但是想把這些污染大戶全部換成電動車又從技術(shù)角度來說很難說服客戶,因為惜時如金的物流服務(wù)供應(yīng)商,可沒有那個公益心讓你把寶貴的時間花在給拖頭充電上。

但是如果讓氫燃料電池技術(shù)來解決這個,理論上就可以取得比較好的效果:一方面大型商用車輛的產(chǎn)品形態(tài)意味著它對氫燃料電池組的體積和重量不敏感,因此可以考慮采用對貴金屬不那么依賴的技術(shù)策略;同時,加注氫燃料方便,不需要背負笨重的電池組的優(yōu)勢,又使氫燃料電池拖頭、大巴車相比純電動車具有先天優(yōu)勢。

與此同時,氫氣作為一種優(yōu)秀的儲能介質(zhì)的特性,也意味著它比電更適合分布式發(fā)電系統(tǒng)的儲能需求,畢竟如果保存技術(shù)得當,氫氣可以像化石燃料一樣可靠儲存,但是電池就沒法做到這一點(會自然而然地跑電)。

因此,在那些偏遠地區(qū),依靠氫作為能源儲存介質(zhì)便是一個非常好的解決方案。事實上,豐田和本田在自己的氫燃料電池車的說明書中都會加這么一條——在必要的時候(日本多發(fā)地震,很容易導(dǎo)致區(qū)域性的停電),氫燃料電池車可以作為一個小型能源站來使用,所發(fā)的電可以供應(yīng)一個家庭應(yīng)急一定時間。

事實上,對氫氣的直接利用在航天領(lǐng)域早已有了成熟案例。美國每次發(fā)射航天飛機時用的火箭,使用的就是液氫液氧燃料(1:6的比例),這種燃料相比于液氧煤油、偏二甲肼等傳統(tǒng)火箭燃料,熱值更高,提供的比沖也更大,所以這也是氫能源吸引我們的一個重要因素。

基于以上所說的,車云菌想表達的意思是:氫能源作為一種從結(jié)果來看足夠清潔的能源形式,在發(fā)展的過程中更需要關(guān)注前端生產(chǎn)環(huán)節(jié)、流通環(huán)節(jié)帶來的能源耗費和環(huán)境污染,如果是為了生產(chǎn)足夠清潔的氫而浪費了大量的化石燃料則是非常不足取的。

同時,在氫燃料技術(shù)的推廣和迭代過程中,不能把它從傳統(tǒng)化石燃料體系與較新的電動技術(shù)體系中剝離出來,要尋找它能為傳統(tǒng)能源體系進行升級的機會,以及為電動體系彌補不足的可能,比如說像之前吵的沸沸揚揚的蔚來“奶媽車”,其中的燃油車角色如果換成燃料電池車,或許整件事看起來就不會那么違和了。氫燃料電池汽車在國內(nèi)已經(jīng)有相當長的研究歷史,但極其小眾——去年,中國賣出近了2900萬臺汽車,而氫燃料電池汽車的在國內(nèi)的總推廣量,還不到2900臺,可謂萬中無一。

真正讓氫燃料電池汽車引起廣泛關(guān)注的,源于今年年中總理的一次訪日行程。今年5月11日,李克強總理造訪豐田北海道工廠,中途,豐田特別展示了一款代表其最高技術(shù)水平的新能源車——氫燃料電池汽車Mirai。

在當天的現(xiàn)場圖片中,豐田掌門人豐田章男扮演主講人角色;日本首相安倍晉三手扶Mirai尾箱,得意之情若隱若現(xiàn);李克強總理雙眼直視車內(nèi),滿臉寫著認真。

事后,有媒體解讀稱,總理面對日本領(lǐng)先的新能源技術(shù),“表情凝重”。雖然不乏夸張的成分,但也不是沒有道理——豐田此次展出的Mirai,不僅是量產(chǎn)車,而且已經(jīng)迭代到了第二版,而國內(nèi)尚無一輛投入量產(chǎn)的氫燃料電池乘用車。

同樣是在2018年,剛剛過去的11月,國內(nèi)純電動汽車一個月銷量達到了13.8萬臺。對比如火如荼的純電動汽車大勢,中國的氫燃料電池汽車發(fā)展是極度滯后的。

而在十七年前,氫燃料電池汽車在中國發(fā)展新能源汽車的戰(zhàn)略中,其實地位并不比純電動汽車低。

2001年,國家“863”計劃電動汽車重大專項啟動,科技部聘任了十三位專家組成重大專項專家組,為中國新能源汽車的發(fā)展,提出了意義重大的“三縱三橫”總體路線。

其中,“三橫”指多能源動力總成控制系統(tǒng)、電機及其控制系統(tǒng)和電池及其管理系統(tǒng),而“三縱”指的是便是混合動力汽車、純電動汽車、燃料電池汽車。

可以看出,十七年前的新能源車發(fā)展頂層設(shè)計,是希望混動汽車、純電汽車、氫燃料電池汽車三者協(xié)同發(fā)展的。

但隨后因技術(shù)難度、產(chǎn)業(yè)配套、排放法規(guī)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等種種原因,純電動汽車脫穎而出,獲得了政策和市場的進一步支持,在國內(nèi)走上了巔峰。最沒有根基的氫燃料電池汽車,基本上被打入了冷宮。

而在今年李克強總理視察豐田Mirai一事后,業(yè)界對氫燃料電池汽車的關(guān)注明顯增多。

有一位專家肯定會為此感到興奮。新能源車重大專項當初十三個專家中,有一位主事氫燃料電池汽車研究,他便是當時專家組的組長,前科技部部長萬鋼。在重大專項中,萬鋼作為第一課題負責人承擔了氫燃料電池轎車項目。

萬鋼

在純電動汽車迎來飛躍式的發(fā)展時,萬鋼仍在不斷強調(diào)應(yīng)適時發(fā)展氫燃料電池汽車。今年三月卸任科技部部長后,萬鋼更是頻繁在公開場合露面——六月、十一月,萬鋼在“氫能產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展論壇”和政協(xié)雙周協(xié)商座談會上都為氫燃料電池站臺。

而最近的一次,則是萬鋼親自在人民日報上發(fā)文聲援。

在總理“關(guān)懷”與前科技部長不遺余力的支持下,氫燃料電池在2018年獲得了多次媒體關(guān)注的高峰。

截至今年12月,國內(nèi)《新能源車推薦目錄》上共計出現(xiàn)70余款氫燃料電池車型,相比去年增長超過200%。

與此同時,上海、廣州、武漢、西安、杭州等十余座城市都已出臺政策支持氫燃料電池汽車發(fā)展。

而資料顯示,氫能源小鎮(zhèn)與產(chǎn)業(yè)園、氫燃料電池整車、上游原材料項目等等,今年國內(nèi)面向氫能源的投資規(guī)劃已經(jīng)超過了2000億元!

一時間,氫燃料電池汽車走出冷宮,走向臺前。那么,“逆襲”的氫燃料電池汽車,到底優(yōu)秀在哪里?

續(xù)航充電吊打純電動車但銷量尷尬了

如今市面上見得著的氫燃料電池汽車,都采用了質(zhì)子交換膜技術(shù)路線,通過一張電解質(zhì)薄膜將氫氣分離為氫離子與電子,氫離子穿過薄膜與氧結(jié)合生成水,而電子則繞道形成定向運動,產(chǎn)生電流。

應(yīng)用該技術(shù)推進的汽車,堪稱環(huán)保的典范,這種車排出的“尾氣”——實質(zhì)是水,甚至可以直接飲用。

從萬鋼先生的工作經(jīng)歷來看,他對氫燃料電池汽車顯然是有感情的(值得一提的是,他在學校期間的專業(yè)方向是內(nèi)燃機),但讓萬鋼在洶涌的純電動大潮中堅持為氫燃料電池汽車發(fā)聲,除了情感,還有諸多對技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的深度思考。

眾所周知,純電動汽車雖然環(huán)保,但其續(xù)航里程與充電時間成為現(xiàn)今燃油車車主普遍詬病的問題。

眼下,國內(nèi)最優(yōu)秀的純電動汽車NEDC續(xù)航里程剛剛超過500公里,為了達到這一續(xù)航,車輛往往要搭載500-600公斤的電池組。并且,NEDC續(xù)航由于測試標準定得較松,在實際使用中續(xù)航里程常常會打個7-8折,如果面對的是高速工況,則里程衰減更多。

而在充電時間上,大部分純電動車即使使用快充,理想情況下也需要40分鐘才能將電池充到一個高容量(80%),更不用提,中國新能源車的車樁比剛剛突破4:1,無自有樁車主常常遭遇找樁難。

而氫燃料汽車能夠很好地解決這兩個問題。

在續(xù)航問題上,氫燃料的能量密度遠高于鋰電池——目前在單位體積下到達了后者的7倍。

以豐田的Mirai為例,它用兩個共130L容積的圓瓶只裝載了5公斤氫,驅(qū)動1.8噸的車體,但EPA續(xù)航里程已經(jīng)超過了500公里,效率遠超鋰離子電池。

在充電問題上——對氫燃料電池汽車來說是加氫,其整個過程與加油大致相同,只需3-5分鐘。而對于純電動車來說,特斯拉的超充要滿電需要近1.5個小時,就算是拼速度的換電路線,在蔚來的實際操作中,也被證明實際需要10-20分鐘。

需要注意的是,純電動車面臨的續(xù)航里程(實質(zhì)是電池能量密度問題)與充電時間問題,由于物理規(guī)律的限制,未來一段時間內(nèi)都很難得到飛躍性的突破。

而氫燃料電池汽車相當于結(jié)合了燃油車的長續(xù)航、補能便利與純電動車的零排放優(yōu)點,可謂完美。因此,在很多業(yè)界人士看來,氫能源汽車是新能源車的終極路線。

堅持發(fā)展氫燃料電池汽車,也就被賦予了搶奪新能源技術(shù)制高點的戰(zhàn)略意義。

然而,即便放眼全球,氫燃料汽車在乘用車市場上,其份額也小得可憐。市面上真正的氫燃料電池汽車只有豐田的Mirai、本田的Clarity、現(xiàn)代的ix35(現(xiàn)已更新為NEXO),去年一年的總銷量不超過6000臺。

可以說,到目前為止,全球車企在氫燃料電池乘用車上的商業(yè)探索,是失敗的。原因無他——氫燃料電池轎車帶來的好處,不足以抵消其購置成本與使用成本。

豐田Mirai在日本售價約35萬人民幣,本田的Clarity補貼前售價也超過了40萬人民幣——甚至害怕因為太貴賣不出去,本田對部分車輛采用了只租不賣的推廣方式。

而在需要加氫的時候,日本的氫燃料電池車主會發(fā)現(xiàn),分布在全日本的加氫站,沒有超過100個,這意味著其開車的活動半徑是高度受限的。而氫燃料電池乘用車用氫的長期成本,也不如純電動車低廉的電價。

比便利性,氫燃料電池乘用車不如燃油車或者混動車——本田自家的雅閣銳混動車型,可是開出了一箱油1000公里的極限續(xù)航,而且還能隨處加油;比長期用車成本,氫燃料電池車又比不過經(jīng)濟型的純電動車——同樣是日本的新能源車,日產(chǎn)的純電動車聆風累計銷量就已經(jīng)超過了20萬臺。

原本是想結(jié)合燃油車與純電動車優(yōu)點的氫燃料電池乘用車,反而體現(xiàn)出了相對兩者的劣勢,被夾在中間艱難求生。

是豐田、本田們的技術(shù)不過硬?未必見得。

實際上,兩者所掌握的氫燃料電池技術(shù)已經(jīng)完全可以滿足產(chǎn)業(yè)化的需求,但一上場就選擇進入乘用車市場,并非一個明智的選擇。

氫燃料電池乘用車補充氫氣,不可能像充電樁一樣安裝在家中,因此它對加氫站的需求,如同加油站一般,要足夠多、足夠密集。

然而,氫氣的運輸與存儲成本一直居高不下,建設(shè)一個加氫站的成本是一個加油站成本的5倍。而全球一年氫燃料電池汽車銷量不足6000臺的情況下,目前一個加氫站一年服務(wù)的車輛有沒有500車次都是問題,它們普遍處于虧損狀態(tài)。

建一個虧一個的加氫站,政府與企業(yè)自然不愿多建。

于是,一個典型的雞與蛋問題誕生了——相關(guān)方看不到加氫站的盈利預(yù)期,造成加氫站建設(shè)不足;消費者在承受昂貴車價的同時還面臨加氫的麻煩,拿不出動力購買氫燃料電池車型。

豐田Mirai、本田Clarity們銷量上不去,便可以理解了。

商用車優(yōu)先——氫燃料電池汽車的中國道路

轉(zhuǎn)頭再看國內(nèi),雖然2001年就把氫燃料電池車的發(fā)展寫入了規(guī)劃中,但國內(nèi)乘用車企在氫燃料電池汽車商業(yè)化上的成就目前為零。

在六月的一次論壇中,萬鋼從技術(shù)指出了國內(nèi)與國外的差距:

1、國內(nèi)車企在氫燃料電池電堆體積功率上平均水平為2KW/L,Mirai已超過3KW/L。

2、氫燃料電池車的關(guān)鍵催化劑鉑金,國外最先進技術(shù)的用量只需要國內(nèi)的五分之一。

3、最關(guān)鍵的膜電極,國外的產(chǎn)品壽命能做到國內(nèi)的三倍——9000個小時。

4、國外的空氣壓縮機效率更高,而這直接影響到電堆的效率與功率輸出。

顯然,在氫燃料電池乘用車上追趕日本的技術(shù),難度很大,并且就算追上了,面臨的也是慘淡的市場。因此,技術(shù)不成熟的情況下,不如把乘用車推廣氫燃料電池的腳步緩一緩。

結(jié)合國內(nèi)早期借助公交推廣純電動車的經(jīng)驗,一條發(fā)展中國式氫燃料電池汽車的路線出現(xiàn)在了眼前——從商用車開始切入。

此時,商用車已經(jīng)開始了電動化的腳步——一方面排放法規(guī)愈發(fā)收緊,高排放的柴油機需要被替換;另一方面電價低廉,又有助于降低運營成本。

然而,動力電池的低能量密度卻成為了商用車們的心病。以國內(nèi)某款30座的8米純電動大巴為例,在搭載95KWh電池的情況下,其續(xù)航里程僅為115公里。

并且,在電池能量密度沒有飛躍式突破的時候,堆電池是無效的——增加的電池容量,絕大多數(shù)都將被用于運載電池自身。因此,對續(xù)航里程有硬性要求的遠途運輸,目前是純電動車型的禁區(qū)。

而這恰恰是氫燃料電池的用武之地,商用車的兩個特性完美契合了其特點與發(fā)展需求。

1、商用車體積更大,可以裝載更多的氫,最大限度發(fā)揮氫能量密度高的優(yōu)勢,獲得超長的續(xù)航里程。

2、商用車的運營路線與時間通常比較固定,對加氫站的密度沒有要要求,對于集群的業(yè)務(wù),還能以一個站滿足一支氫燃料電池商用車隊的需求。

目前,在國內(nèi)的氫燃料電池汽車行業(yè)環(huán)境中,也確實是商用車企業(yè)在帶頭:宇通、福田已經(jīng)有小批量的氫燃料電池公交車進入市場,上汽大通的商用車開啟了載人試運營,而東風、一汽、陜汽也在打造自家的氫燃料電池車型。

今年,國內(nèi)累計的氫燃料電池商用車剛剛突破1200輛——這個數(shù)字看上去不值一提。但行業(yè)人士向車東西分析,氫燃料電池汽車當前的形勢,很像2011-2012年的純電動車發(fā)展,都是商用車領(lǐng)頭,背后基礎(chǔ)設(shè)施與產(chǎn)業(yè)鏈成熟速度加速。

2018年,國內(nèi)投入使用的加氫站為13座,還有20座在建。根據(jù)《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線》,2020年國內(nèi)會建成100座加氫站,投放5000輛氫燃料電池車,2025年投放5萬輛,2030年投放100萬輛。

與此同時,上海、廣州、武漢等地則出臺了鼓勵氫燃料汽車發(fā)展的細則。業(yè)內(nèi)人士預(yù)計2020年氫燃料電池汽車的推廣量將會超過5000輛這一目標。

因為在產(chǎn)業(yè)上游,主造商用車發(fā)動機的濰柴,今年正式宣布進入氫燃料電池車動力系統(tǒng)領(lǐng)域;上海重塑能源生產(chǎn)的動力系統(tǒng),被應(yīng)用于500多輛氫燃料電池車中;電堆關(guān)鍵的膜電極,國內(nèi)企業(yè)鴻基創(chuàng)能新上了10萬平米的產(chǎn)能······

步入2018年,氫燃料電池汽車的產(chǎn)業(yè)化速度,明顯正在加快。

但這里需要提到的是,包括萬鋼在內(nèi)的專家們,都不認為目前氫燃料電池汽車的發(fā)展會與純電動車發(fā)生矛盾?,F(xiàn)任新能源車重大專項專家組組長歐陽明高就表示,“經(jīng)過多方實踐,鋰離子電池系統(tǒng)更適合替代汽油機,氫燃料電池系統(tǒng)更適合替代柴油機?!?br/>
這也意味著,在今后的一段時間內(nèi),乘用車市場依然會是純電動車占主導(dǎo),氫燃料電池汽車進入商用車領(lǐng)域來補充純電動車和混動車型的不足。并不存在外界所解讀的,國內(nèi)的新能源車發(fā)展路線出現(xiàn)大轉(zhuǎn)向,純電動車要被取代的現(xiàn)象。

結(jié)語:邁出新能源車的另一條腿

從十七年前被列入國家新能源車三縱發(fā)展規(guī)劃以來,氫燃料電池汽車可謂命途多舛。

2018年11月,中國新能源車銷量中,純電動車銷售13.8萬臺,混合動力車型銷售3.8萬天,你甚至看不到氫燃料電池汽車的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

不過,純電動汽車在發(fā)展過程中,已經(jīng)暴露出了明顯的短板,需要其他品類的新能源車型發(fā)展起來予以補足。事實上,這也是十七年前“三縱三橫”規(guī)劃的用意。

尤其是,當全球的節(jié)能減排法規(guī)在進一步壓榨混合動力車型的生存空間,混動新能源車前途愈發(fā)不確定的情況下,需要有另一條新能源汽車的“大腿”成長起來,并且立得住。如此,國內(nèi)的新能源車產(chǎn)品體系才健全,也能滿足消費者和社會的多種需求。

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