不懂就问:丰田全力投入的氢能源汽车到底敢不敢买?

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虽然全球汽车电动化的趋势愈演愈烈,但是特立独行的丰田却在新能源战略上更钟意氢能源,投入了多达二十余年的技术研发,从2014年开始正式了量产氢燃料电池轿车“Mirai”,并在2019东京车展上推出了它的第二代Mirai概念车型。为什么一线大厂丰田会选择氢能源?这项号称将为人类未来社会中“取代化石能源”的技术,到底离我们还有多远?

氢能源汽车是什么?

比纯电动汽车厉害吗?

作为已知最清洁的能源技术之一,氢燃料电池汽车(FCEV)的原理是将氢气在阳极通过催化剂作用分离成为氢离子和电子,氢离子通过质子交换膜后与氧结合,释放出的电子经过外在电路到达阴极,从而产生电能驱动车辆行驶,因此其供能“燃烧”反应之后的产物只有水。

氢元素的众多制备方式中属天然气制氢、电解水最为常见,尤其是电解水方法的反应原料和产物都很环保,制备过程也并不复杂。氢在宇宙中可谓是取之不尽用之不竭,排放的产物也只有水,如果制氢的能量源头来自于风能、太阳能、水势能,那整个氢元素循环利用绝对是最清洁环保的。

而当前纯电动(EV)汽车的发展其实遇到了一定的瓶颈,不仅动力电池能量密度迟迟得不到突破,而且充电时长的问题始终无法妥善解决,因此长途出行的续航能力与普通燃油车相比还是差得太远。与纯电动汽车相比,氢燃料电池技术本质上也是用电力驱动,但是它最大的优点是加氢时间短,加满一辆车的“燃料”仅仅需要几分钟的时间,续航里程轻轻松松就可以达到600公里以上,有些概念车甚至可以达到上千公里,轻松破解纯电动汽车的里程焦虑和充电焦虑,并没有说谁比谁一定更厉害,只是说氢能源是另一种备选能源技术方案。

丰田如此推崇氢能源技术,

这次日企又是点错了科技树吗?

毫无疑问,丰田是当今在氢能源领域投入最大、押注最多的汽车厂商。1992年,丰田启动了氢能源汽车项目,早在1996年,丰田就拿出了第一款燃料电池汽车FCHV-1,迄今已有20多年的研发历史。

2015年,丰田即推出了旗下的氢燃料电池车Mirai,曾寄希望于它能够像当年的普锐斯打开混动市场一样,为其在氢燃料电池汽车领域闯下一片天地,并同时向同行放开了5680项燃料电池研究专利,力推氢能源产业的整体发展。但是事与愿违,截止今日,初代Mirai的全球销量仍不足万辆,丰田为其疯狂砸下的资金至今并没有任何回本的能力。如果就此放弃,这些天量资金就将变成无可挽回的沉没成本,再算上机会成本,就算是丰田这样级别的企业也未必能够轻松承受。那就接着氢能源继续往下干吧!

(丰田第二代Mirai概念车)

2019东京车展,丰田在五年后推出了第二代Mirai的概念版车型,将其续航里程提升了30%,或将达到644公里,并希望在2020年正式上市后产销量都能突破3万辆。第二代Mirai概念版没有了第一代车型的“奇异”,而是向传统燃油车的造型靠拢,这说明在车内储氢空间占用的问题得到了妥善解决,这也是氢燃料电池汽车进化的显著标志。

丰田用了20多年的时间在“科技树”加技能点,在燃料电池电堆、高压储氢、燃料系统软件、氢气生成等方面积累了大量专利,其是在电池电堆和高压储氢技术方面处于世界领先的地位。为了不让前期巨额的研发资金打水漂,丰田正在“拉拢”更多的小伙伴们,比如一汽、广汽、宝马等,一起来推动FCEV事业,而且以FC电堆零部件供应商支持其他氢能源汽车厂商发展,这么看来是不是和现在到处转让5G专利技术的华为很像?都是高处不胜寒,但是又希望有更多的同行者一起开创新技术时代。

当然,当前世界范围内氢能源汽车并不只是有丰田一家独大,同为日系的本田在混动技术上成功追赶丰田,而在氢能源方面也不甘示弱,于2015年便已推出了氢能源汽车CLARITY,在氢能源科技树上的野心也是不小。

(丰田、本田和日产合作计划——在2020年之前于日本本土共建超过160个本土加氢站)

(现代汽车NEXO)

韩国总统文在寅在公开讲演时称氢能源为“国家未来的黄油和面包”,而韩国政府也将其确定为国家能源发展战略,韩系代表现代汽车不仅推出了第二代氢能源汽车NEXO,而且还将其成功量产化直接参与到北美市场的竞争。此外,现代还将与奥迪一起共享氢燃料电池的专利技术,而奥迪在此基础上计划2021年推出基于氢能源技术的全新h-tron车型。

自主品牌也有同样的敏锐嗅觉,这是一个全新的赛道。各自主品牌曾也先后推出了上汽荣威950车型、奇瑞艾瑞泽5氢燃料电池版实车,在2019年上海车展上也涌现了格罗夫氢能汽车这样专注于氢能源的造车新势力。此外,长城通过成功入股欧洲氢能源产业联盟H2Mobility,为未来氢能发展奠定基础。

(H2Mobility联盟计划在德国的铺设超过100家加氢站)

丰田现在并不是“一个人在战斗”,这颗“科技树”的技能点也没有点歪。可以这么说,全球范围内众多政府和跨国企业巨头都已经在氢能源发展战略上达成了一致——那就是氢能源的开发和利用,将成为未来全球产业和能源革命的发展方向。

为何还没有得到普及?

氢能源汽车到底难在哪里?

氢能源迟迟没有得到普及,其中最大的原因是加氢站建设成本极高(约2000万人民币)而数量稀少。另一方面,当前氢燃料电池技术采用的铂金属催化剂,微量杂质就很容易造成其“中毒”(催化剂的活性、选择性明显下降或丧失),而且铂属于稀有金属,成本高昂,目前尚未找到可靠的替代品,导致氢能源汽车的制造、养护成本一直居高不下,一个字就是贵!

(丰田初代氢能源汽车Mirai,售价约合42万人民币。)

然而,更难的地方还在于氢能源的储能和运输。氢能源目前主要是高压气态储氢,还有正在发展中的有机液态储氢,而这两种方式都不太容易。

高压气态储氢对于加压技术、密闭技术等要求非常高,众所周知氢原子是半径最小的元素,氢气是密度最小的分子,金属、涂装材料、橡胶都容易被氢元素侵入附着或打破分子聚合链结构,从而造成“氢脆”、老化脆裂等现象,再加上储氢压力目前已提升至70MPa,因而对储氢罐的防泄漏、碰撞安全、使用寿命、安全监测都有着比较严苛的要求。

(挪威加氢站爆炸现场)

(韩国民众示威抵制氢能源)

今年5月到6月间,先后连续在韩国、挪威、美国发生了三起储氢罐或加氢站爆炸的事件,让社会公众产生了极大的抵触心理,韩国甚至出现了大规模民众抗议。丰田在储氢罐这里积累有大量的专利,碳纤维、合金材料和闭锁技术都是其中的一部分,即使成功实现了储氢罐的小型化,但是对高速碰撞、泄漏爆炸和加氢站泄漏的风险也仍难以控制。虽然高压气态储氢是现在产业科技界的主要力攻方向,但是不能说这个技术已经是完全成熟的。

有机液态储氢则是利用环己烷、乙基咔唑等诸多有机化合物,通过可逆化学反应的方式与氢结合,在使用时再将“储藏”在分子键内氢释放出来,虽然可以像汽油一样将储氢化合物常温常压运输(储能能力强,最高可能达到58g/L),但是在汽车上实现氢分子的逆向“释放反应”,较小的空间内需要的催化剂、化学反应条件都比较高,而且以上这些有机化合物都存在较大的生理毒性,环境污染风险还比较大。简单来说,就是在汽车内做一个小型的脱氢化工厂,这样的难度需要化工专业的同学来攻坚克难。氢能源难在哪里?基础供氢设施、泄漏风险、爆炸风险、催化剂、脱氢技术……实在是太多了。

氢能源汽车的风口还有多远?

我国当前已经在商用、运输领域开展了氢能源技术的研发和试制,国家政策已经将氢能源提升到能源战略的高度,要求各地推动充电、加氢等基础设施建设。而国家相关部委也在诸多科技创新和产业规划中将氢能源和燃料电池汽车列为重点支持的领域。

但是,氢能源技术还难以称得上成熟,国内加氢设施的不完善、氢能源相关上下游企业的稀少都将制约整个产业的发展,据有关媒体统计当前全国加氢站仅有16座。而国家燃料电池汽车相关的补贴政策尚未明确,产品规模实在还是太小了。

从整个产业的角度来说,制氢和加氢都已不是问题,总结下来氢能源技术发展的难题,一是昂贵而易“中毒”的金属铂催化剂需要找到廉价而稳定的替代方案;二是高压气态储氢罐所需的金属合金、碳纤维材料的生产成本,加氢站建设成本都需要通过规模效应来降低;三是有机液态储氢的可逆化学反应在汽车狭小的空间内会比较棘手,同样需要相关脱氢技术难点的突破。纯电动汽车的发展卡在电池材料学上,而氢能源不仅被成本问题阻滞(这可以寄希望于规模效应来慢慢降低),最难的还是卡在化工科学的瓶颈上。

除了加氢站建设、氢气使用成本都贵之外,氢气的使用还没有达到像汽油那样常温常压方便地运输、存储,如果这几个方面技术难题将来被顺利攻克,氢能源汽车才可能引发真正的出行革命,当前并没有比纯电动汽车体现出太多优势。氢能源技术的推崇者丰田当前将希望寄托于政府和产业之间的协作,通过规模效应来降低氢能源汽车的边际成本,从而反向推动相关氢能技术的进步。说了这么多,这个氢能源的“风口”离我们远不远?答案是——其实还挺远的,喜欢的同学可以再等一等,其实……Model 3其实挺香的。

当然,对于我们这样对化石能源有着极大消耗和高度依赖的国家,氢能源无疑是一个前景光明、亟需投入的未来产业,但是当前遇到的技术难题还不少,大规模推广普及还需要待以时日。希望国内能源化工企业和造车企业们能够集中实现催化、储能、脱氢等技术上的突破,将氢能源技术真正地落地,更是不要急着再走当年新能源汽车恶意骗补的道路。氢能源技术的未来仍然还是道阻且长的,对于未来的“氢能源社会”,我们也需要对其保持长久的耐心。说了这么多,你喜欢氢能源汽车吗?对未来的氢能源汽车有怎样的期盼?

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