燃料电池车来势凶猛 纯电动车如何接招?

中国青年报 马连华

1月6日,丰田汽车公司宣布,作为促进燃料电池汽车(FCV)普及的措施之一,将无偿提供丰田独有的约5680项燃料电池相关专利(包括正在申请中的专利)的使用权。在知识产权的管理上,丰田一直采取开放的政策,在收取一定费用的基础上提供专利的使用权。而此次在燃料电池相关的专利方面,丰田更是在此基础上更进一步,无偿提供相关专利的使用权。

无独有偶。日前,有海外媒体报道,雷克萨斯新一代LS将于2016年正式发布,新车除了将推出普通燃油版车型外,还将采用丰田最新的燃料电池技术,推出燃料电池版车型,预计未来采用该技术的新一代LS将拥有384公里的零排放续航里程。丰田最新研发的燃料电池系统(TFCS)已经在丰田Mirai上进行量产。

这是丰田在燃料电池车推广方面的两记重拳。此前,丰田已经宣布,在2015年年初推出燃料电池车FCV。如今,凭借在燃料电池领域多年的技术积累,丰田拉开了推广燃料电池车的序幕。与推广混动车不同的是,这次丰田希望通过免费专利拉更多小伙伴一起玩。

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本田燃料电池车

虽然电动车已然成为全球媒体的焦点。但很多厂家像丰田一样对燃料电池车充满期待和乐观估计。阿斯顿·马丁首席执行官安迪·帕尔默在接受媒体采访时表示,燃料电池汽车将在2015年获得长足的发展,其将凭借着出色的性能表现成为更多消费者的选择。有海外媒体甚至称,2015年将成为燃料电池车爆发年。

最近,一则有关燃料电池车的技术革新也让业内兴奋不已。去年12月,有媒体报道,日本研究人员开发出一种新型电极,利用特制的石墨烯材料替代铂作为催化剂制造燃料电池车所需的氢燃料,可大幅降低成本。

资料显示,燃料电池车的成本居高不下,原因之一就是电池中需要使用“白金”——铂作为催化剂。科学界一直在研发用其他廉价材料作为替代催化剂。石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构新材料,价格较低。如果在石墨烯催化剂中再加入镍,其制氢能力就可以超越铂催化剂,预计此技术可以大大降低燃料电池成本。一则利好消息纷至沓来,仿佛是燃料电池车给电动车在下战书。

燃料电池车亮剑

去年12月15日,丰田宣布,开始在日本销售新型燃料电池车Mirai,裸车价格预计723.6万日元,折合人民币约37.77万元。2015年夏季前后,丰田将在美国和欧洲发售该车。

这款燃料电池车功能强大。丰田称:其续航里程能达到700公里,充氢所需时间仅为3分钟,和汽油发动机车的加油时间基本相同。此外,该车在行驶过程中排放只有水,它是氢和氧发生化学反应后的产物。

相反,电动车目前续航里程多数集中在150公里左右,充电时间最快也要半小时充满80%。丰田为燃料电池车总结的优势是:兼备“符合汽车燃料多样化的需求”、“行驶过程中不排放二氧化碳和环境负荷物质”、“与目前的汽油发动机车具有同等便利性”。

丰田希望通过降低成本来迅速打开市场。《日本经济新闻》报道称,丰田希望将燃料电池汽车售价降至300万日元(约3万美元)至500万日元(约5万美元)之间。除了轿车,丰田与日野汽车也在联合开发燃料电池巴士,计划2016年上市。在氢能的有效利用方面,丰田正致力于研发家用燃料电池、燃料电池叉车等产品。

本田也有类似计划。本田现在正与通用汽车做联合开发,计划在5年内制造5000部燃料电池汽车,并在日本、美国、欧洲销售,本田表示这类车型最初的价格会在1000万日元(约10万美元)之内。《日本经济新闻》则称,本田正在开发5座的燃料电池轿车,计划在2015年11月上市。该车采用的液氢将放在碳纤维容器中,一次充满可以行驶500公里,是纯电动汽车的两倍。

但燃料电池车并不是日系车唱独角戏。2014年洛杉矶车展期间,奥迪和大众品牌集体在燃料电池领域集中发力,一共展出了三款氢燃料电池车——插电式混合动力燃料电池汽车奥迪A7 Sportback h-tron quattro、高尔夫SportwagenHyMotion混合动力燃料电池汽车以及Passat HyMotion。

三款产品都采用了大众集团研发的第四代的100千瓦低温质子交换薄膜技术(PEM)的燃料电池堆栈。虽然目前还没有投放量产市场,但大众此举暗示出,其燃料电池技术储备相当丰富,已经做好了大批量推广燃料电池技术车型的准备。

韩国现代汽车已经在美国加利福尼亚地区推出了燃料电池版途胜,首批推出了100辆,其外观延续了传统途胜汽车的外观,内饰装载智能车载系统、中控屏和多功能按钮等,空间比较宽敞。该车得到了美国国家能源及空气质量管理官员的赞赏,因汽车尾气污染占了加州温室气体排放的三分之一,氢燃料电池车的到来对其限制汽车尾气排放具有里程碑意义。

此外,通用、福特等汽车厂商均表示计划推出旗下燃料电池汽车。国际各大汽车厂商都将2015年视为氢燃料电池汽车的市场化元年,将2020年看作市场启动年,届时将大规模生产氢燃料电池汽车。

从政策层面看,燃料电池车也迎来了各种利好。去年日本政府已经发布声明,计划向日本国内每一部售出的燃料电池汽车提供200万日元(约合1.955万美元)的补贴。丰田生产的氢能源汽车单部售价约700万日元,扣除日本政府高达200万日元的补贴后只有500万日元,这将极大地刺激日本国内的氢能源汽车消费。

在国内,国务院发布的《节能与新能源汽车产业发展规划(2012—2020年)》提出,“燃料电池汽车、车用氢能源产业与国际同步发展”。北京和上海的地方政策也对燃料电池车提供补贴。上海市政府发布的《上海市鼓励购买和使用新能源汽车暂行办法》显示,购买燃料电池商用车的补贴高达50万元/辆。

纯电动车接招

大众集团负责燃料电池研发的乌尔里希·哈根伯格直言:燃料电池最大的劲敌是续航里程较长的纯电动车,目前还没法确定究竟哪种技术更适合大规模普及。这意味着,燃料电池车和纯电动车将在很长一段时间内展开生死搏斗。

燃料电池车独特的优势源自燃料电池。燃料电池是一种通过氧或者其他氧化剂进行氧化还原反应,把燃料中的化学能转化成电能的电池。氢燃料电池就是采用氢气作燃料,利用电解水的逆反应产电的一种燃料电池,是目前发展最好的燃料电池。

氢燃料电池有三大优势:一是零污染,由于其反应过程就是无污染的水反应,反应过程不会产生污染物。二是高效的能量转换效率。在各种发电方式中,传统火力发电效率在30%左右,远低于燃料电池平均的40%~60%效率。

三是易于获得燃料。氢是宇宙中最常见的元素,氢及其同位素占到了太阳总能量的84%,宇宙质量的75%都是氢。此外,加注氢气跟加油类似,加满氢气只需3分钟的时间,比纯电动车的充电时间快数十倍。由于这些优势,氢燃料电池车被认为是未来锂电池汽车的理想替代方案之一。

比较而言,尽管电动车排放为零,但业内经常指责煤碳发电造成的污染,而燃料电池的能源来源却更加干净。氢能可以利用各种一次能源,包括太阳能和风能等自然能源制造,与电能相比,氢能能量密度大、便于储存和运输,可广泛用于家庭、汽车燃料等用途,是未来极为重要的能源。这些优势都让燃料电池车更有竞争力。

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当然,燃料电池车也不是没有缺点。降低制氢成本和建设足够多的加氢站都是车企面临的重要难题。氢气储存也是个难题,目前即使是气密性最佳的燃料容器,充气后长时间放置也有可能即漏完。在制氢过程中也会产生一定数量的CO2排放,与燃料电池车的节能环保诉求相矛盾。此外,制作燃料电池需要使用一定量的贵重金属(主要是铂),这也提升了购车成本。电动车领域专家王秉刚认为,燃料电池车比蓄电池汽车续航里程长,问题在于氢气的来源,如果用电解办法,效率比蓄电池低。另外,建设加氢基础设施也比充电设施难。

燃料电池车还有别的劣势。例如,外媒猜测,由于雷克萨斯新一代LS采用了燃料电池系统,新车必须拥有更大的进气口,以保证为该系统带来足够的空气用来降温,所以新一代LS在外观设计上或将妥协。此外,由于配备燃料电池系统,新一代LS的车身重量预计将增加2100公斤。这个重量相比纯电动车而言是个劣势。

那么,采用充电电池的电动车和采用加氢燃料电池车相比,谁会笑到最后?目前,多数跨国车企都在电动车和燃料电池领域双管齐下,但国内车企专注燃料电池车研发的并不多。国内新能源车领头羊比亚迪明确了押宝电动车的战略方向。除了已经推出的新能源公交车、出租车之外,比亚迪还将推出包括城际营运、城市环卫、电商物流、城市建筑物流、私家车以及矿山、码头(港口)、机场、仓储等多种特殊领域在内的城市电动化整体解决方案。

目前,电动车企业应对燃料电池车挑战的手段主要是提升电池能量密度、增加续航里程、研发快充技术、建设充电设施等。例如特斯拉电动车续航里程达到500公里,比亚迪与奔驰合资的腾势电动车续航里程超过300公里。随着电池技术的革新,电动车的续航里程有望更长,充电时间也将进一步缩短。诚如乌尔里希·哈根伯格所言,如果电动车的续航里程问题和充电问题得到解决,燃料电池车的比较优势就会下降,电动车与燃料电池车谁能笑到最后还不一定。

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