押注氢动力汽车

汽车行业正在重新审视氢燃料电池，但它们最终的发展取决于消费者需求、汽车制造商投资和基础设施建设的综合因素。

自剑桥大学工程学教授弗朗西斯·培根(Francis Bacon)演示了第一个实用的燃料电池系统以来，氢燃料电池技术在过去60年里稳步发展。这项技术本身可以追溯到1839年。从那时起，随着效率和效果的提高，氢燃料电池被广泛应用，但到目前为止，它还没有实现大规模部署。

随着汽车行业开始寻找纯电动汽车的替代品，这种情况可能会改变。

宝马集团高级氢动力技术工程师Monterey Gardiner表示:“使用氢能可以购买弹性。“储存电力比生产电力更昂贵，这给基础设施带来了挑战。使用插电式混合动力汽车(PHEV，插电式混合动力汽车)，你现在就可以做到，你可以行驶40到50英里。使用FCEV(燃料电池电动汽车)，你可以获得高性能和长距离。”

成本将是这个等式的关键。Gardiner表示:“我们一直在与丰田合作开发燃料电池，市场准备就绪。”“挑战在于额外的氢基础设施和高昂的系统成本。现在，你需要每年生产50万辆汽车才能达到有竞争力的成本。我们将在2020年推出X5燃料电池电动汽车，这将是小批量生产。我们预计在2025年后进入大众市场。”

这一日期与现代汽车集团(Hyundai Motor Group)旗下的现代MOBIS确定的时间表大致吻合。MOBIS电动动力总成部门高级副总裁Byung-Ki Ann在最近的一次演讲中表示，混合燃料电池汽车将在未来5到10年内实现商业化。他指出，一些技术仍在开发中，比如冷却系统。“我们可能需要一种不同的冷却剂，”他说。

其他公司也在研究氢燃料电池技术。近三年前，通用汽车(General Motors)和本田(Honda)宣布成立一家制造合资企业，大规模生产先进的氢燃料电池系统，该系统将用于两家公司未来的产品。根据通用汽车的网站，燃料电池系统制造将在通用汽车现有的电池组制造工厂内运行，该工厂位于底特律以南的密歇根州布朗斯敦。当时，两家公司表示，燃料电池系统的大规模生产预计将在2020年左右开始，并创造近100个新工作岗位。两家公司将在合资企业中各投资8500万美元。

双方通过2013年7月宣布的主合作协议进行合作，该协议确定了下一代燃料电池系统的共同开发安排。该协议还包括氢存储技术，整合开发团队和共享氢燃料电池知识产权，为燃料电池和氢存储系统创建更经济的商业解决方案。

在这一点上，氢燃料电池很可能会遵循类似的路径，采用电池电动汽车，根据Puneet Sinha，机械分析部门的新移动解决方案主管Mentor是西门子旗下的企业．“随着汽车行业在整个产品组合中更广泛地采用电气化，而不仅仅是乘用车，燃料电池绝对具有巨大的价值主张，特别是对于重型车辆，以及叉车和仓库应用，燃料充电时间对收入有很强的影响。”

Sinha表示，在乘用车领域，考虑到电池技术在过去5到10年的发展，氢燃料电池在一开始可能不会比纯电动汽车有太大的优势。随着自动驾驶汽车越来越多，这种情况可能会发生改变，自动驾驶汽车的收入是基于行驶里程而不是销量。氢燃料电池汽车的快速加油也有助于扭转局势。

辛哈说:“这并不是说他们会取代纯电动汽车，但如果是共享的自动驾驶电动汽车，他们可以在乘用车领域的日常交通中获得一些份额。”“这更有意义，因为没有人知道这一切将如何发展，但力量正在聚集在一起，可以使燃料电池在乘用车领域具有合理的价值，例如联网自动驾驶电动汽车模型，此外还有大量的可再生能源。据估计，我们平均损失了大约1太瓦的可再生能源，因为我们不能很好地储存这些能源。”

Tom Wong，营销总监，设计IP节奏表示同意。“十年前，很少有人真正相信纯电动汽车(bev)除了短途城市驾驶外，还有其他用途。对于主流用户来说，人们普遍认为电动汽车的续航里程永远不够，充电速度太慢，而且没有足够的公共充电基础设施。2017年，毕马威调查了1000名汽车高管，其中大多数人在一定程度上同意，由于基础设施的挑战，纯电动汽车将会失败。与纯电动汽车相比，燃料电池电动汽车(fcev)的主要优势是加油时间短。”

我们今天在哪里?
Wong说:“随着电池技术和制造规模的改进，许多国家的政府补贴，充电基础设施的投资，以及价格适中、驾驶有趣的纯电动汽车的出现，这些10年前的假设被证明是错误的。”“纯电动汽车现在很常见。2019年，美国将售出约100万辆纯电动汽车，其中特斯拉Model 3是单一车型中销量最高的电动汽车。在中国，由于终端市场有多家汽车制造商供应，单位出货量可能接近200万辆的目标。这是世界上最大的两个汽车市场。”

相比之下，氢燃料电池汽车。“本田、丰田和现代是世界上最知名的三家FCEV制造商，”Wong说。两家公司在美国总共只销售或租赁了不到1万辆氢燃料电池汽车，几乎是第二大市场日本的两倍。但与纯电动汽车的受欢迎程度相比，这些数字微不足道。”

在技术和生态方面，这两者可以而且应该共存，辛哈说。“他们有自己的技术，电池电动汽车和燃料电池电动汽车。他们有自己的优点和缺点。此外，汽车行业也不是单一的。有客运车辆，每辆客运车辆都有叉车，可以进入亚马逊和沃尔玛等各种仓库，还有远程货运卡车。所有这些都有不同的任务概况和不同的需求。当你看到各种各样的汽车需求时，燃料电池在某些领域可能有更好的价值主张。”

加油/充电
燃料电池的最大优点是加油时间短，与加汽油类似。“这有巨大的优势，”辛哈说。“即使有最好的增压器，对于一辆纯电动汽车来说，充满电行驶300英里也需要大约15到30分钟。对于氢燃料电池汽车来说，你最多需要5分钟来加满油箱。”

这在工业应用中尤其重要。对于电动汽车来说，充电时间较慢可能不会对日常驾驶构成太大挑战，但对于叉车来说，这对财务有直接影响。

“你可以有两种类型的叉车，”辛哈说。“假设你有一个电池叉车和一个氢燃料电池叉车。对于电瓶叉车来说，即使你要充电20到30分钟，你说的是停机时间。如果你有一个基于燃料电池的叉车，那么当然，不到5分钟的充电时间是一个巨大的价值主张。这就是为什么在叉车方面，已经有很多氢燃料电池驱动的叉车，这是最大的原因之一。”

在这个等式中，行驶距离是一个很大的区别。使用纯电动汽车，增加续航里程的唯一方法就是增加电池。在氢燃料电池汽车中，你只需添加更多的氢燃料，这可以通过一个更大的油箱或加气站来完成。这对长途卡车运输尤其重要，因为现在大部分卡车都是柴油驱动的。大型卡车在加油前通常可以行驶500到700英里。要想用电池达到类似的效果，需要大量的电池，这需要空间，还会增加重量。

这就解释了为什么尼古拉汽车公司(Nikola Motor Co.)正在为长途卡车开发氢燃料电池。通过加装更大的氢气罐，这些汽车可以轻松地行驶500至700英里。

燃料电池与电池
这些价值主张在今天的乘用车上不那么明显，因为燃料电池不如电池高效。来自电网的100千瓦时交流电在纯电动汽车的车轮上提供了大约69至70千瓦时的能量。Sinha说，对于燃料电池来说，它的能量下降到大约20到25千瓦时。

原因是燃料电池的能量转换从氢到电。一旦氢被放入燃料箱，它就会在燃料电池组中转换成电能，然后传递给汽车。燃料电池堆的效率只有50%左右，而电池的效率约为80%至85%。

“除此之外，如果你看看燃料电池动力系统和电池动力系统，唯一的区别是一个是燃料电池组，一个是锂离子电池组，”他说。否则，一切都是一样的。它们都需要电力电子设备，都需要电动马达。因此，电力和电机的能源效率保持不变。”

但他指出，从电池到车轮，电池电力系统的效率约为70%至75%，而燃料电池的效率约为45%。

成本障碍
如今，氢燃料汽车的初始价格和持续的氢燃料成本仍然过高，无法大规模采用。

Cadence的Wong表示:“尽管有资格获得政府退税，但氢燃料电池汽车仍然比电动汽车贵得多。”此外，FCEV的持续拥有成本也更加昂贵。根据汽油里程计算，燃料电池汽车的动力成本相当于每加仑汽油花费近6美元。是关于减少碳足迹的吗?或者取代内燃机?还是拥有和运营的成本?或者有更多的乐趣与即时扭矩?但在深入研究对氢燃料电池汽车进行更多投资的利弊，以及缺乏氢基础设施是否会成为氢燃料电池汽车增长和采用的结构性障碍之前，我们需要评估并重新审视十多年前发展氢燃料电池汽车的目标。”

氢燃料电池技术中最昂贵的东西是铂，它是将氢和氧转化为电能的电化学反应所需的催化剂。一个80千瓦时的燃料电池需要30到60克的铂。丰田2015年推出的氢燃料电池汽车Mirai的含碳量接近30克。

Mentor的Sinha说:“行业正在努力使铂的克数接近10克。”“如果你看看今天的IC发动机汽车，你仍然在催化转换器中含有大约7克的铂。如果在燃料电池堆中可以设置为10克铂，并且仍然可以获得所有的动力、性能和寿命，那么与IC发动机相比，铂就不在成本方程中了。整个行业都在朝着这个方向努力，这是降低成本的最大的工程研发方面之一。”

在这方面已经取得了很大进展。从2006年到现在，燃料电池的成本下降了70%，主要是由于铂的减少。

他说:“规模经济将进一步降低成本，此外，该行业已经进行了简化系统的改进，降低了工厂平衡的成本。”“就成本而言，它正朝着正确的方向前进。美国能源部的最新数据显示，根据目前的技术水平，如果你能大批量生产，也就是10万台，这种模式的成本将在每千瓦时50美元左右，这是非常好的。但同样，规模经济必须赶上才能达到这个数字。这些挑战使燃料电池距离商业化和大规模应用总是有五年的时间。”

氢燃料电池汽车的首要前提是找到拯救地球的解决方案，远离内燃机。

Wong指出:“如果我们努力推进这些技术，并建立政府激励机制，鼓励消费者采用这些新技术，那么人们相信氢动力汽车和电动汽车都是可行的选择。”“很明显，由于电池技术的进步和特斯拉等先锋公司的发展，以及丰田、大众、保时捷、通用汽车、比亚迪等公司对纯电动汽车的投资，纯电动汽车已经取得了很大的成功和普及。最大的问题是，“既然我们已经看到了纯电动汽车的成功，那么fcev还能带来哪些其他好处，使其在商业上取得成功?”’或者我们现在正在寻找一种FCEV解决方案，寻找一个在过去十年中已经被BEV解决的问题?”

氢基础设施
不过，这只是市场的一部分。氢现在被用作工业设备的燃料来源。根据FuelCellsWorks的数据，2019年3月，全球有超过2.5万辆装有燃料电池的电动工业卡车在使用，可持续巴士指出，目前有400多辆氢燃料巴士在美国、欧洲和中国运营。

氢能源已经使用多年，但容量极其有限。黄指出，目前加州有39个公共加氢站，另有25个正在开发中。其他州也在对氢基础设施进行投资，但规模要小得多。

幸运的是，汽车制造商正在与政府机构和公用事业公司合作，解决这个与氢基础设施有关的鸡生蛋还是蛋生鸡的问题。加利福尼亚州将投入超过25亿美元的清洁能源基金，以加速氢燃料和电池汽车的销售。其中9亿美元用于在2025年之前建成200个氢站和25万个充电站。

辛哈认为，这些基础设施问题肯定是一个瓶颈，但不一定永远是瓶颈。“电池已经指明了方向，”他说。“十年前，我也会对锂离子电池说同样的话，但现在我们不谈论它了。特斯拉已经展示了拥有自己的网络的价值，随着许多公司的投资，有希望一些公司也会投资氢基础设施。然后，缓慢但肯定地，这个瓶颈会消失。”

另一个推动氢燃料电池汽车普及的因素是消费者的需求。辛哈说:“消费者的需求将由出行体验以及未来交通生态系统的社会变化所引发。”“如果共享出行模式在未来20年接管世界，那么这个生态系统的消费者就不必担心加油、充电或能源效率。我们必须关心的是成本，这样也许你是通过电池还是燃料电池给我供电并不重要。这将取决于车队所有者以及成本效益。这两种技术都有各自的优势，好在它们都是电动汽车。”

结论
这件事最终会如何收场，谁也说不准。但就目前而言，纯电动汽车和氢燃料电池汽车都有健康的商业机会。

Wong表示:“在消费者对清洁汽车的采用方面，bev已经超过了fcev。”“燃料电池汽车很可能在卡车运输业和大都市公交服务中找到一个舒适的家。相比之下，消费者的驾驶/路线行为非常不可预测和随机。我们想随时随地去任何地方，而半卡车的路线和时间表相对稳定。只要起点和终点都有氢燃料，缺乏广泛的氢基础设施可能根本不是一个大问题。同样，大城市的公交车也表现出更可预测的使用行为，在那里，氢燃料补充基础设施可以轻松管理。我们可能需要重新定义未来燃料电池汽车的主要目标——减少碳足迹和减排。这似乎很适合半挂车和双层巴士。”

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