车东西(公众号:chedongxi)
文 | 吴垚

近日,氢燃料电池汽车再次获得国家政策“重点照顾”。

4月初,三款氢燃料电池车首次登上《新能源汽车推广应用推荐车型目录》,享受每辆车20万-50万的国家补贴,与部分地方政府的等额补贴,总额最高可达售价的70%,补贴力度至少会持续到2020年。

月底,工信部又在国务院新闻办发布会上明确表示:“氢燃料电池汽车将与纯电动汽车长期并存互补,共同满足交通运输和人们的出行需要。”

很明显,国家已将氢燃料电池车的地位提高到了与电动车并行的高度。

能享受如此待遇,是因为氢燃料电池车有着独特优势——氢能源取之不尽、加氢快续航长、完全零排放。

但尴尬的是,拥有如此多优点且又频频受到国家政策“点名照顾”的氢能源汽车,却始终没有发展起来。

据中汽协数据显示,2016-2018年,中国氢燃料电池车销量分别为629辆、1272辆、1527辆,而电动汽车销量分别达到32万辆、57.8万辆、125.6万辆,相较之下氢燃料电池汽车可谓惨不忍睹。

那么,这样一个好产品,为何一直发展不起来呢?

其原因涉及技术、产业、政策、市场等多个方面,但总结起来最核心的问题在氢燃料电池汽车面临的技术、制氢和使用三大困境。

一、氢燃料电池汽车再获重视 市场规模有望突破1万亿

国家大力支持的氢燃料电池汽车,其实是燃料电池汽车的一种,另外还有甲醇、天然气、乙醇燃料电池汽车等。

目前,占比最大、最有大规模量产前景的就是氢燃料电池车(也叫氢能源汽车)。甚至可以说,现阶段在全球范围内谈燃料电池汽车,基本就是指的氢燃料电池汽车。

自国家开始推广新能源汽车以来,燃料电池汽车就受到了高度重视。

单车最高补贴百万,去年只卖1527台 氢能源车惨淡现状背后

▲国内车企研发的氢燃料电池汽车

早在2009年出台的《节能与氢能源汽车示范推广财政补助资金管理暂行办法》中,就提出了由中央财政对燃料电池汽车进行6-60万不等的成本差价补贴。随后2011年的《中华人民共和国车船税法》又规定燃料电池汽车与纯电动汽车、插混车一样,享受免征车船税的优惠。

在纯电动汽车补贴不断退坡的当下,氢燃料电池汽车则仍是宠儿。

2018年,财政部、工信部、科技部、发改委联合发布了《关于调整完善新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》,规定燃料电池乘用车按搭载的电池额定功率进行补贴,补贴标准为6000元/kW,上限为20万/辆;客车、货车进行定额补贴,依据车型大小补贴上限为30-50万/辆。

单车最高补贴百万,去年只卖1527台 氢能源车惨淡现状背后

▲财政部对氢燃料电池汽车补贴标准

同年,《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书》指出,到2030年,中国燃料电池汽车保有量要达到200万台,加氢站数量达到1000座,产业产值将突破1万亿元。

在国家的大力号召下,地方政府也积极响应。

补贴方面,多地政府实施与国补1:1的补贴政策,以某价值130万的氢燃料客车为例,经过国家和地方各50万的补贴后,最终售价仅为30万。

加氢站建设方面,地方政府也成为了补贴的主力军。

4月22日,六安市人民政府发布《关于大力支持氢燃料电池产业发展的意见》,对不同加氢能力的加氢站进行最高200万-400万的补贴。据国内媒体报道,广东佛山南海区单个加氢站最高可拿到800万的补贴。

单车最高补贴百万,去年只卖1527台 氢能源车惨淡现状背后

▲安徽六安市《关于大力支持氢燃料电池产业发展的意见》

在国家与地方的共同扶持下,氢燃料电池汽车迎来了绝佳的发展机遇,国内企业们热情高涨。知名车企如长城、上汽、东风、金龙等,供应商如国鸿氢能、亿华通、大洋电机等纷纷入局。

重庆力帆此前发布公告称,与武汉秦歌、重庆地大签署《战略合作协定》,共同开发氢能源乘用车,随后力帆股份连获5个涨停,可见资本市场对其前景的看好。

据了解,在中央、地方政府、上下游企业的合力发展下,如今我国华南、华中、华东、京津冀等地区已形成了多个氢产业集群。

可以说,氢燃料电池车在中国已蓄势待发,有星火燎原之势。

二、发展潜力巨大 拥有三大独特优势

自国家推广新能源汽车起就被列为重点照顾对象,在电动车补贴退坡时仍享有高昂补贴,反复被中央政府点名照顾。那么燃料电池汽车,或者说氢燃料电池汽车,到底有何过人之处?

要了解其优势所在,还得从氢燃料电池的原理说起。

氢燃料电池的发电原理很简单,本质上就是氢气与氧气结合生成水的化学反应过程。

单车最高补贴百万,去年只卖1527台 氢能源车惨淡现状背后

▲氢燃料电池原理图

上图为氢燃料电内部原理图,只要不断地给阴极板通空气,给阳极板供应氢气,燃料电池就可以不断产生电流。具体到汽车上来说,就是让汽车背上一罐氢气,然后在车载的燃料电池中与氧气进行结合,从而产生电流驱动车轮,并给车载电池组充电。

单车最高补贴百万,去年只卖1527台 氢能源车惨淡现状背后

▲氢燃料电池汽车结构示意图

具体来说,氢燃料电池汽车有三大优点:

1、真正的零排放汽车 缓解车企减排压力

面对日益严峻的环保压力,全球各国都制定了日益严苛的排放法规。

美国加州颁布了ZEV零排放车辆法案,为每种车制定了“积分”系数。若未达标,车企必须要向加州空气资源委员会(CARB)支付每辆车5000美元(约3.3万人民币)的罚款,或是向其他公司购买积分。

在我国,号称史上最严的国六排放标准也已出炉,并且已有上海、山东、河北、陕西等省市宣布将提前实施。

要满足国六排放标准,汽车发动机技术和尾气处理装置需进一步更新换代,成本也会随之提升。例如柴油发动机就必须加装高压共轨系统,平均每套发动机成本会增加5000元以上,再加上其他尾气处理装置的升级,每辆车的生产成本会增加近万元。

相比之下,氢燃料电池汽车的排放却只有水,没有其他任何污染物质,不需要安装燃油车上的诸多高成本的尾气处理装置,当然也无需缴纳任何排放税、罚款。

单车最高补贴百万,去年只卖1527台 氢能源车惨淡现状背后

▲丰田Mirai

不仅如此,汽车巨头丰田公司还另辟蹊径,在美国用近乎于成本的价格卖车,利用氢燃料汽车零排放的特点赚取大量积分,再卖积分给其他车企,以此获得一笔收入。

2、续航长达1000公里 加氢仅需几分钟

虽然电动汽车也没有任何排放,但续航短、充电时间长两大核心问题一直困扰着电动汽车的发展。而这两个问题对于氢燃料汽车来说,都是小菜一碟。

目前已经实现量产的氢燃料电池汽车丰田Mirai和本田Clarity只需要三分钟即可加满氢气,并且两者的续航里程则分别能够达到600公里和750公里,而一些即将面世的车型还可能达到1000公里。

单车最高补贴百万,去年只卖1527台 氢能源车惨淡现状背后

▲本田Clarity

相较于目前电动车企们“充电30分钟,续航400公里”的宣传,氢燃料电池车在续航和加氢时间上,可以说还未起跑就已经获胜。

背后的原因在于氢气高达143MJ/kg的质量能量密度。

若要更直观地理解这个数据,可以换算成电动车里常用的Wh/kg能量密度单位。高能量密度的三元锂电池电芯单体约为300Wh/kg,汽油约为12000Wh/kg,而氢气达到了40000Wh/kg,是汽油的3.3倍、三元锂电池单体的133倍。

单车最高补贴百万,去年只卖1527台 氢能源车惨淡现状背后

▲能量密度对比

换言之,要跑同样的里程(比如500公里),电动车需要装上数百公斤的电池包,燃油车需要加几十斤的汽油,而氢燃料电池乘用车仅需加几斤氢气。

3、电池寿命7年以上 低温性能满足极寒地区使用

此外,氢燃料电池汽车还有电池寿命长、低温性能好的优势。

燃料电池本质是一个发电机,因此并不存在电池衰减问题。一般乘用车的燃料电池要求5000h以上的工作小时数,以平均每天2小时开车时间算,燃料电池可以工作7年,基本与燃油车的发动机寿命相当。

国外部分先进的氢燃料电池,工作时长可达10000h以上,可以用到车辆报废。

另一方面,燃料电池低温性能也很好,由于反应自身会放热,电池一旦启动后,电池堆栈的温度很快会稳定到80-90℃的工作温度范围,同时其冷启动温度可以达到-30℃,能满足世界大部分极寒地区的需求。

三、现状惨不忍睹 全球销量不足1万台

整体来看,氢燃料电池汽车既有三大独有优势,又有国家、各地政府大力扶持,理应能够迅猛发展,甚至盖过电动汽车的发展势头,但事实却并非如此,甚至让人大跌眼镜。

据中汽协数据,2018年燃料电池车销量仅为1527辆,且全是商用车,其中客车1418辆,货车109辆。而2018年全国商用车总销量为437.1万辆,燃料电池车的渗透率不足万分之3。

单车最高补贴百万,去年只卖1527台 氢能源车惨淡现状背后

▲2018年中国新能源汽车销量

在新能源车内部相比,2018年中国新能源汽车总销量达125.6万辆,其中纯电动汽车98.4万辆,插混汽车27.1万辆,氢燃料电池汽车占比不足0.12%,可谓是惨不忍睹。

单车最高补贴百万,去年只卖1527台 氢能源车惨淡现状背后

▲2016-2018年中国新能源汽车销量

从历史数据来看,2016年-2018年,中国氢燃料汽车销量分别为629辆、1272辆、1527辆。而今年,作为氢燃料电池车发展提到新高度的一年,其3月份销量仅为86辆,整个第一季度总计销售273辆。

如果不考虑某月销量大爆发等特殊情况(例如政府大单),今年总销量也难有质的突破。

在车东西看来,氢燃料汽车发展缓慢的背后,是其面临的技术研发困难、制氢成本高昂,以及用车不便三大困境。

四、技术研发困境:两大核心零部件技术研发难度大

1、高压储氢罐研发难度大

单车最高补贴百万,去年只卖1527台 氢能源车惨淡现状背后

▲丰田70MPa高压储氢罐

上文提到,由于“氢气很轻”,其质量能量密度很大。但反过来说,如果从单位体积燃气释放的能量来看,氢气的热值是常见燃料里最低的,仅为12.74MJ/Nm^3,是甲烷的1/3,汽油的1/10。

这就意味着,如果要释放同样的能量,汽车需要消耗巨量体积的氢气,因而氢燃料电池车上都有高压储氢罐来压缩储存氢气。

车载高压储氢罐一般可以储存6kg左右高压氢气,总体积在150L-200L上下,有些大的储氢罐甚至会挤压车内空间,比如丰田Mirai的后排就只能乘坐两人。

单车最高补贴百万,去年只卖1527台 氢能源车惨淡现状背后

▲丰田Mirai结构示意图

在储氢罐体积只能减小不能增大的情况下,储氢压力成为了重要的评价指标。同等体积下,储氢压力升高一倍,储氢量会增加50-70%,续航里程提升50%,但是成本会增加近7倍。

目前中外储氢罐技术差距主要集中在储氢罐材质上,包括内衬、纤维缠绕层和过渡层材料。

我国车载储氢罐主流是金属内胆纤维全缠绕气瓶(Ⅲ型瓶),内衬材料为金属铝,储氢压力为35MPa,质量储氢密度(氢气占储氢罐总质量的比重)在3%左右。

单车最高补贴百万,去年只卖1527台 氢能源车惨淡现状背后

▲全复合纤维缠绕瓶(IV型瓶)

而日、美、韩的头部企业已经量产了全复合纤维缠绕瓶(IV型瓶),内衬材料为塑料,有更好的气密性、耐腐蚀性、耐高温性,因此这种储氢罐储氢压力能达到70MPa,质量储氢密度在5.7%左右。

但需要指出的是,两种储氢罐都面临很大的安全问题。

内部来说,储氢压力本身很高,无论是35MPa还是70MPa,都是一个很危险的压力数值。要知道,20MPa的水压就可以用来切割石材了。其次,氢气在高压高温(30MPa,300℃以上)环境下,还会发生“氢脆现象”,腐蚀金属,引起裂纹导致储氢罐破裂。

外部来说,汽车行驶途中还可能发生碰撞事故,火灾事故、浸水事故等极端情况,让原本就比较危险的储氢罐增加了破裂、泄露,甚至爆炸的可能性。

由于以上三个问题存在,两种储氢罐都采用了大量的碳纤维材料,同时,为避免“氢脆现象”发生,金属内胆储氢罐还需额外配备液冷系统,以控制罐内温度。综合下来,一个储氢罐的成本达到了6万元以上。

另外,目前国内外采用的大都是气态储氢,如果要实现更大的储氢量,需要发展到低温液态储氢、高压液态储氢、有机液体储氢等。

但液态氢的密度更高,面临的爆炸、泄露风险也更大,同时还要耗费系统30%以上的能量来维持液氢状态,目前让汽车装载液氢可能得不偿失。

2、氢燃料电池多项关键技术还未突破

单车最高补贴百万,去年只卖1527台 氢能源车惨淡现状背后

▲本田氢燃料电池

正如前文所言,燃料电池是燃料电池车最核心、成本最高的零部件,其也有质子交换膜、铂催化剂、双极板三大部件需要突破。

质子交换膜被称为氢燃料电池的心脏,它处于燃料电池正负极板的中间,起到了隔离其他离子,仅允许质子通过的功能,同时还要隔离两极反应气体,支撑两侧催化剂层,性能要求非常高。

如此重要的电池“心脏”,却一直被握在国外公司手心里,我国研发氢燃料电池的核心材料几乎全靠进口。

质子交换膜技术从上世纪60年代起就被美国杜邦公司垄断,杜邦膜的价格约为 120 美元/kW,我国常用的燃料电池功率为35-50kW,以50kW燃料电池计算,一套燃料电池里,仅质子交换膜的成本就高达4万元人民币。

单车最高补贴百万,去年只卖1527台 氢能源车惨淡现状背后

▲燃料电池结构示意图

质子交换膜的两侧是铂(Pt)催化剂,氢气通到阳极板后,在铂催化剂的作用下,失去电子变成质子,再通过质子交换膜与另一侧的氧原子结合生产水。

难点在于催化剂只能用铂,而铂的价格非常昂贵,均价约200元/克,使用100克铂的情况下,一套氢燃料电池所用铂催化剂的成本近2万元。因此,降低催化剂中铂的使用量,是降低电池成本的一大关键手段。

而目前,我国的低铂催化剂技术尚处于实验研发阶段,离规模量产还有很长的距离。

单车最高补贴百万,去年只卖1527台 氢能源车惨淡现状背后

▲双极板

除此之外,作为燃料电池的“骨架”,双极板的工艺水平仍待突破。双极板(Bipolar Plate,BP)又叫流场板,与膜电极层叠装配成电堆,在燃料电池中起到支撑、收集电流、为冷却液提供通道等作用,其质量好坏直接决定了电池输出功率和使用寿命。

双极板的三种材质中,石墨板和复合板的技术已相对成熟,而金属板因为能大幅提高电池输出功率,近年来成为了燃料电池的一大突破方向,仍待解决掉问题是金属板在电池环境下易受腐蚀,导致电池寿命较短。

在燃料电池的零部件上,还有膜电极、膜加湿器、氢气循环泵等关键技术有待突破,篇幅有限,不再一一赘述。

3、零部件国产化程度低

一位氢燃料电池产业从业者告诉车东西,中国燃料电池产业在质子交换膜技术等核心技术层面与国外差距较大,进而产生了产业链配套难、产品价格高等问题。

据了解,我国目前70%的燃料电池零部件都依赖进口,许多关键技术要付大量专利费给国外公司,因此燃料电池的生产成本十分高昂。

2018年,我国燃料电池的实际生产成本约为740美元/kW,以功率为50kW的燃料电池来算,一套电池成本高达25万元,而要达到国外常用的80kW功率,一套电池成本接近40万元。

如果能够实现核心零部件、关键技术的国产化,并进行大规模量产,燃料电池的成本是有望降低到可接受的程度的。

单车最高补贴百万,去年只卖1527台 氢能源车惨淡现状背后

▲美国能源部测算的质子交换膜成本下降曲线

根据美国能源部(DOE)的测算,如果未来能达到50万套的批量化生产规模,燃料电池生产成本可下探到30-40美元/kW,以80kW的氢燃料电池来算,一套燃料电池成本仅2万5千元。

五、制氢成本困境和用车困境

单车最高补贴百万,去年只卖1527台 氢能源车惨淡现状背后

▲制氢工厂

1、规模制氢成本高

除整车和零部件的研发以外,氢气作为氢燃料电池汽车的能源,虽然来源丰富,但要低成本地大量制取也十分困难,一定程度上制约了氢燃料电池汽车的发展。

据相关研究,目前我国工业规模化制取氢气,主要有以下5种方式:

单车最高补贴百万,去年只卖1527台 氢能源车惨淡现状背后

▲5种制氢方式

其中,氯碱工业副产氢成本相对较低,加上气氢拖车运输的费用,氢气的成本在20-30元/kg左右。

但这种方式制取的氢气纯度不高,其本身是制取烧碱和氯气的工艺,反应过程中生成的大量氢气被直接排放到了空气中。收集这部分氢气虽然成本低,但有大量其他气体混杂其中,导致制取的氢气纯度不够,难以满足氢燃料电池的要求。

而化工原料制氢、石化资源制氢两种方式,都有很大的工厂排放,与氢燃料电池车的零排放理念相悖,并且制成的氢气需要脱硫、脱硝,成本也不低,不是未来长久的制氢方式。

目前,以水为原料的水电解制氢最被看好,其原理简单,工艺成熟,也完全清洁。但由于工业用电价格非常高,一度电在0.86-1.8元左右,电解水的成本也远高于其他制氢方式,达到了60-80元/kg以上。

同时,制取出的氢气还要经过二级压缩,一级压缩到12.5MPa,二级压缩到35MPa,以满足氢气的加注。另外,运输成本、设备折旧成本、工厂电力设施建设成本等,进一步提高了电解水制氢的总成本。

除开上述传统的制氢方式,近年也有些新制氢方式,比如膜分离制氢、生物质制氢、合氢物质制氢等,各有优势,但都面临技术不成熟,制氢成本高、制氢纯度低、规模小等问题,暂无法成为大规模制氢主力。

2、用车成本高 加氢不方便

消费者选购汽车时,日常使用的成本是一大重要因素,氢燃料电池汽车在这方面非常劣势。

因为氢气制取成本很高,导致加氢价格非常昂贵。据了解,在有国家补贴的情况下,加氢的平均价格仍在60元/kg以上,氢燃料电池车的实际使用价格近每公里1-3块钱,与燃油车使用成本相当,远高于电动汽车。

使用价格高的同时,加氢站的数量还少得可怜。据媒体报道,截止2018年底,我国已运行加氢站数量为23个,其中佛山4个,上海3个,北京、深圳、武汉、成都等城市均只有一个。

国内加氢站数量如此稀少,跟它的建设成本高达1500万/座,而收益几乎为零有关。

一位氢燃料电池产业从业者告诉车东西,加氢站建设速度滞后的原因还在于加氢站基础设施的相关标准、政策、规范以及归口管理单位不明确,进而制约了氢燃料电池汽车的推广发展。

单车最高补贴百万,去年只卖1527台 氢能源车惨淡现状背后

▲加氢站

用车不便只是后话,由于氢燃料电池车的生产、研发成本非常高,导致整车的售价也居高不下。就已规模化量产的三款车来说,本田Clarity售价39万,本田Mirai售价45万,现代ix35 FCV售价80万。

而对于那些还未量产的燃料电池车来说,价格就更高了,基本都在100万以上,因此我国卖出的氢燃料车大都是带有试验性质、示范性质的大巴、公交、物流车。

单车最高补贴百万,去年只卖1527台 氢能源车惨淡现状背后

▲上汽大通FCV80氢燃料电池客车

最后来讲,虽然加氢过程只需要几分钟,但加氢前的检查、静电释放流程却要10-20分钟。

加氢前,车要开到待检区,工作人员会全面检查车的外观、储氢罐、车身温度,经过测漏仪的监测后,再全方位地释放车内静电,随后才能开到加氢区加注氢气。

在不考虑排队的情况下,加一次氢气还是需要半小时以上。而这一过程中,手机需要关机或寄存在服务台,可以想象,这对消费者来说是多大的痛苦。

此外,上述从业者还表示,氢燃料电池汽车还面临市场教育不足,消费者对氢燃料电池汽车有不够了解的情况,例如有些人对其安全性存疑。

六、结语:氢燃料电池车在曲折中前行

如今,不可再生的化石燃料越来越少,同时全球对化石燃料的需求却越来越大,在电动汽车销量迅速增长,油耗、排放法规日益严格的情况下,全球化石燃料的总使用量不降反升。

也就是说,如今电动汽车的增长、可再生能源比例的增长,仅抵消了人口和经济增长所增加的能源需求。如果要进一步缓解全球能源短缺的现状,必须有更多的新能源汽车与可再生能源扛起重任,而氢燃料电池汽车与氢能源就是中国政府选择的方向。

中国政府选择氢燃料电池汽车作为国家战略发展目标,是因为其零排放、续航长、加氢快、低温性能好等优势,完全克服了燃油车和电动汽车的相应缺点,具有巨大的发展潜力,也被认为是新能源汽车的终极发展方向。

对此,中央与地方政府出台了一系列扶持政策,鼓励氢燃料电池汽车的发展,不仅对氢燃料电池车、加氢站进行了力度十足的补贴,还积极推动科研院所、车企、供应商、能源企业多方合作,形成产业配套。

同时,科研院所如清华、同济、中科大,车企如长城、上汽、宇通、福田,供应商如国鸿氢能、亿华通、氢璞创能、大洋电机等纷纷入局,在全国多地形成了氢产业集群。

但尴尬的是,氢燃料电池汽车却因为技术研发难度非常大,核心零部件国产化程度低,同时规模制氢成本非常高、购车门槛高、用车不方便等问题一直没发展起来,近几年的销量都十分惨淡。

不过,现在情况正变得越来越好。

据报道,目前国内已有企业成功研发了燃料电池质子交换膜,解决了氢燃料电池核心零部件的供给问题,而多家企业正在研发的70MPa储氢罐也即将具备量产的能力。

另有北京大学、中国科技大学的科研团队,分别研发出了不使用铂的燃料电池催化剂,极大降低了成本的同时有效提升了催化剂活性。

“现在氢燃料电池汽车面临的问题正在变得越来越好,政策越来越明晰,产业链企业实力大幅提升,地方政府积极性越来越高。同时,氢燃料电池汽车的市场认可度也在提升,推广步伐在加快,产业态势正在步入一个良性循环。”上述氢燃料电池产业从业者这样向车东西总结道。