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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:859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危化品,所以普通人接觸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。

正是由于這種延續自燃油車的“續命方式”,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;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變成水和電,并用生產出來的電來驅動車輛。

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中的汽油和發動機增程部分,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,韓國現代汽車的氫燃料電池車NEXO(下圖)的氫燃料電池組的功率設計為120kW,豐田Mirai和本田Clarity這兩款車的氫燃料電池堆的設計功率分別為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品所不能承受的。

但最重要的,提高氫燃料電池組性能導致的成本上漲,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,都嚴重依賴“鉑”這種貴金屬來讓氫氣和氧氣產生的化學反應。

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的燃油車和電動車,看起來更接近一個概念化產品。

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,鉑的工業應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。有來自于網絡的數據顯示,2010年全球售出的245噸鉑當中,有113噸(46%)用于汽車催化轉換器的生產制造;76噸(31%)用于首飾;其余35.5噸應用在了投資、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模推廣的話,那么只要基礎燃料電池技術沒有革命性的優化,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移到了對貴金屬礦產資源的依賴上。

而鉑礦在全世界的分布卻極不均衡,根據網絡數據顯示,南非占世界鉑的總儲量的82.3%(目前發現的),因此這對于那些礦產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,在和傳統燃油車與新興電動車面對面叫板時,它能給制造商、行業和消費者帶來的收益也是可以忽略不計的(事實上現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盈利)。

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

比如說,我們現在經常抱怨傳統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角度來說很難說服客戶,因為惜時如金的物流服務供應商,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品形態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策略;同時,加注氫燃料方便,不需要背負笨重的電池組的優勢,又使氫燃料電池拖頭、大巴車相比純電動車具有先天優勢。

與此同時,氫氣作為一種優秀的儲能介質的特性,也意味著它比電更適合分布式發電系統的儲能需求,畢竟如果保存技術得當,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,依靠氫作為能源儲存介質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(日本多發地震,很容易導致區域性的停電),氫燃料電池車可以作為一個小型能源站來使用,所發的電可以供應一個家庭應急一定時間。

事實上,對氫氣的直接利用在航天領域早已有了成熟案例。美國每次發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果來看足夠清潔的能源形式,在發展的過程中更需要關注前端生產環節、流通環節帶來的能源耗費和環境污染,如果是為了生產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,在氫燃料技術的推廣和迭代過程中,不能把它從傳統化石燃料體系與較新的電動技術體系中剝離出來,要尋找它能為傳統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已經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水平的新能源車——氫燃料電池汽車Mirai。

在當天的現場圖片中,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;李克強總理雙眼直視車內,滿臉寫著認真。

事后,有媒體解讀稱,總理面對日本領先的新能源技術,“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,不僅是量產車,而且已經迭代到了第二版,而國內尚無一輛投入量產的氫燃料電池乘用車。

同樣是在2018年,剛剛過去的11月,國內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展是極度滯后的。

而在十七年前,氫燃料電池汽車在中國發展新能源汽車的戰略中,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、電機及其控制系統和電池及其管理系統,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展頂層設計,是希望混動汽車、純電汽車、氫燃料電池汽車三者協同發展的。

但隨后因技術難度、產業配套、排放法規、基礎設施建設等種種原因,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,業界對氫燃料電池汽車的關注明顯增多。

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展時,萬鋼仍在不斷強調應適時發展氫燃料電池汽車。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“氫能產業創新發展論壇”和政協雙周協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文聲援。

在總理“關懷”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注的高峰。

截至今年12月,國內《新能源車推薦目錄》上共計出現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展。

而資料顯示,氫能源小鎮與產業園、氫燃料電池整車、上游原材料項目等等,今年國內面向氫能源的投資規劃已經超過了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,到底優秀在哪里?

續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,都采用了質子交換膜技術路線,通過一張電解質薄膜將氫氣分離為氫離子與電子,氫離子穿過薄膜與氧結合生成水,而電子則繞道形成定向運動,產生電流。

應用該技術推進的汽車,堪稱環保的典范,這種車排出的“尾氣”——實質是水,甚至可以直接飲用。

從萬鋼先生的工作經歷來看,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方向是內燃機),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聲,除了情感,還有諸多對技術與產業的深度思考。

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

眼下,國內最優秀的純電動汽車NEDC續航里程剛剛超過500公里,為了達到這一續航,車輛往往要搭載500-600公斤的電池組。并且,NEDC續航由于測試標準定得較松,在實際使用中續航里程常常會打個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,驅動1.8噸的車體,但EPA續航里程已經超過了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,純電動車面臨的續航里程(實質是電池能量密度問題)與充電時間問題,由于物理規律的限制,未來一段時間內都很難得到飛躍性的突破。

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

堅持發展氫燃料電池汽車,也就被賦予了搶奪新能源技術制高點的戰略意義。

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、現代的ix35(現已更新為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現,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濟型的純電動車——同樣是日本的新能源車,日產的純電動車聆風累計銷量就已經超過了20萬臺。

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

是豐田、本田們的技術不過硬?未必見得。

實際上,兩者所掌握的氫燃料電池技術已經完全可以滿足產業化的需求,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的車輛有沒有500車次都是問題,它們普遍處于虧損狀態。

建一個虧一個的加氫站,政府與企業自然不愿多建。

于是,一個典型的雞與蛋問題誕生了——相關方看不到加氫站的盈利預期,造成加氫站建設不足;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。

商用車優先——氫燃料電池汽車的中國道路

轉頭再看國內,雖然2001年就把氫燃料電池車的發展寫入了規劃中,但國內乘用車企在氫燃料電池汽車商業化上的成就目前為零。

在六月的一次論壇中,萬鋼從技術指出了國內與國外的差距:

1、國內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、氫燃料電池車的關鍵催化劑鉑金,國外最先進技術的用量只需要國內的五分之一。

3、最關鍵的膜電極,國外的產品壽命能做到國內的三倍——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,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。

結合國內早期借助公交推廣純電動車的經驗,一條發展中國式氫燃料電池汽車的路線出現在了眼前——從商用車開始切入。

此時,商用車已經開始了電動化的腳步——一方面排放法規愈發收緊,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,絕大多數都將被用于運載電池自身。因此,對續航里程有硬性要求的遠途運輸,目前是純電動車型的禁區。

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展需求。

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

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,對于集群的業務,還能以一個站滿足一支氫燃料電池商用車隊的需求。

目前,在國內的氫燃料電池汽車行業環境中,也確實是商用車企業在帶頭:宇通、福田已經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,國內累計的氫燃料電池商用車剛剛突破1200輛——這個數字看上去不值一提。但行業人士向車東西分析,氫燃料電池汽車當前的形勢,很像2011-2012年的純電動車發展,都是商用車領頭,背后基礎設施與產業鏈成熟速度加速。

2018年,國內投入使用的加氫站為13座,還有20座在建。根據《節能與新能源汽車技術路線》,2020年國內會建成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展的細則。業內人士預計2020年氫燃料電池汽車的推廣量將會超過5000輛這一目標。

因為在產業上游,主造商用車發動機的濰柴,今年正式宣布進入氫燃料電池車動力系統領域;上海重塑能源生產的動力系統,被應用于500多輛氫燃料電池車中;電堆關鍵的膜電極,國內企業鴻基創能新上了10萬平米的產能······

步入2018年,氫燃料電池汽車的產業化速度,明顯正在加快。

但這里需要提到的是,包括萬鋼在內的專家們,都不認為目前氫燃料電池汽車的發展會與純電動車發生矛盾。現任新能源車重大專項專家組組長歐陽明高就表示,“經過多方實踐,鋰離子電池系統更適合替代汽油機,氫燃料電池系統更適合替代柴油機。”

這也意味著,在今后的一段時間內,乘用車市場依然會是純電動車占主導,氫燃料電池汽車進入商用車領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,國內的新能源車發展路線出現大轉向,純電動車要被取代的現象。

結語: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展規劃以來,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計數據。

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

尤其是,當全球的節能減排法規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,國內的新能源車產品體系才健全,也能滿足消費者和社會的多種需求。

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