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双田领军 日本氢动力未来社会启示录

2020-06-22 来源:T慧生活   |   浏览(169)
虽然过去高昂的製造成本阻碍了氢动力车辆的普及,但近两年内已发生改变:Toyota首款量产燃料电池车型Mirai陆续在全球发表,而今年东京车展上,两大日系品牌同步推出氢动力概念车,日本市场上的家用氢燃料电池也早已开始商用化。经过了将近20年的努力后,「氢动力」离我们还有多远?请看我们的分析。

双田领军 日本氢动力未来社会启示录 

文 许鸿德

氢动力(燃料电池)由理论走向商用化的过程,远比你我熟知的其他石化燃料要崎岖得多!早在1839年英国科学家William Robert Grove就提出「氧气与氢气反应有可能逆转电解过程而产生电」的构想,但一直到了太空时代、燃料电池才真正走出实验室:美国航空太空总署(NASA)认为氢氧燃料电池特别适合作为载人太空船与登月探险车的主要电源,而且燃料电池化学反应所产生的水也可供太空人饮用。在太空领域证实了可行性之后,美国企业家Roger Billings于1991年研发出世界首款用于汽车的氢燃料电池,也拉开了汽车产业探索「氢动力」可能性的大幕。

双田领军 日本氢动力未来社会启示录2000年推出的BMW 750hL可说是BMW展现氢动力技术的代表作,BMW并安排全球巡迴展示,图为在米兰的活动留影。

多数专家都同意「氢动力」的种种优点看似是完美解答,但即使各大车厂倾全力研发(BMW已投入超过10亿欧元、还準备再投入10亿欧元),至今似乎仍有几大障碍无法克服。多数人相信氢动力车改变世界的那一天应该在20到30年后,而体认到类似氢动力的全新动力来源无法在几年内改变世界,几年前多数车厂也收起幻想与不切实际,审慎考虑以现有技术为基础,提供消费者面对油价危机的立即解答;包括Hybrid油电混合动力、先进柴油引擎与使用改良燃料(包括植物油或氢气)的内燃机引擎是目前檯面上的选择。

双田领军 日本氢动力未来社会启示录除了BMW之外,Daimler集团过去亦积极投入资源在氢动力、并推出多种概念与路试车型。

日系车厂探索最为积极

氢燃料电池拥有电动车与氢气动力来源的优点,却没有氢气直接燃烧的相关技术限制,可说是目前最具可行性的氢动力技术。燃料电池的最大优势就在于转换效率高出内燃机引擎近三倍!工作过程不涉及燃烧、无机械损耗,比蒸汽机、内燃机等能量转换效率要高得多。由Toyota等车厂的实验得出结论,汽油引擎效率从油箱到车轮为16%、而氢燃料电池车为60%!燃料电池也很少需要维修,因为氢气未含腐蚀性杂质,也没有积碳阻塞燃烧室。与纯电池动力车辆相比,电动车的充电效率低、时间长,一般充电流程需要好几个小时(快充也需要1小时左右),与传统动力车型加油的体验差别太大,容易造成使用障碍以及潜在消费担心;而FCV(Fuel Cell Vehicle,燃料电池动力车)在3分钟内就能迅速充满液态氢。

双田领军 日本氢动力未来社会启示录由于优势明显,为数不少的汽车製造商从未放弃使用「氢能源」作为未来的零排放能源,并视为车用燃料的终极解决方案。

由于优势明显,为数不少的汽车製造商从未放弃使用「氢能源」作为未来的零排放能源。Daimler集团主席Dieter Zetsche在2011年法兰克福汽车展对全球媒体大谈特谈「氢能源的好处」,他还表示将氢能源转化为电力的燃料电池是唯一能保留驾驶者之前习惯的续航里程、动力输出和行驶舒适度的替代性能源:「除了没有废气排放,氢动力提供了消费者过去驾驶车辆所习惯的一切!氢是宇宙中最常用的元素,每个国家都可以製造氢能源(而不必仰赖中东石油巨头)并且永不枯竭。」

双田领军 日本氢动力未来社会启示录除了民用车辆使用,亦有专门开发为比赛用途的氢动力车型。

正是前述原因,90%能源供应来自国外进口的日本境内业者对氢能源的探索最为积极,两大日系车厂Toyota与Honda从未放弃过氢能燃料电池的研究也不让人意外。坚持创新研发的Honda工程团队从上个世纪80年代末就开始着手研发氢动力燃料技术,并于2002年推出了最早一代FCV燃料电池车型、世界上首款量产燃料电池车型:Honda FCX Clarity于2008年夏天问世、并提供给美国洛杉矶的特定顾客贷款购买并吸引许多名流大亨预定。虽然在之后6年内,Honda FCX Clarity车型只限量提供了不到百部,大量的路试资料却非常有价值?p>>双田领军 日本氢动力未来社会启示录Toyota计画开放氢能燃料电池相关专利给其他同业,以加速氢动力车型的普及。

而Toyota研发氢能燃料电池的时间亦将近20年,历经了三代技术磨练之后的3D立体微流道技术大幅提昇模组发电效率(体积功率密度达到了3.1千瓦/升,比2008年上一代产品整整提昇了2.2倍)。製造成本降低95%(成本约5万美元)的氢燃料电池系统已用于以日语「未来」为名的Toyota Mirai燃料电池车型,并于2015年开始以约6万美元的车价先后于各市场发表(受限于产能,目标是在2017年底达到3千部、2020年东京奥运会之前达到3万部)。

双田领军 日本氢动力未来社会启示录Honda FCX Clarity于2008年夏天问世,虽然至2014年仅限量提供不到百部,路试资料却极具价值。

氢动力车型与家用燃料电池结合

本次东京车展Toyota又发表了採用燃料电池的全新FCV Plus概念车以展示其新能源技术,该款车的造型前卫,燃料电池堆设置在前轮之间、氢气罐放在车后,并配备四轮电动马达驱动,官方宣称这款车最大的特点就是可以将氢燃料产生之电能分享给周边汽车及其他设备使用。不让Toyota专美于前,Honda车厂本次东京车展也发表了即将于2016年3月上市的新一代量产版本FCV燃料电池车型──Clarity并立刻受到外界瞩目。

双田领军 日本氢动力未来社会启示录Toyota研发氢能燃料电池的时间亦将近20年,才终于发表了首款量产氢动力车Toyota Mirai。

与前身Honda FCX Clarity相比,Clarity车身内马达最大输出功率可达到130kW(提昇30%),更重要的是这套氢动力燃料系统的成本却只有之前的10%、尺寸也缩小了33%。新版燃料电池模组大约与V6引擎体积相当,如此一来其动力总成可像传统汽油车型一样置入引擎室空间之内(可以应用于Honda其他各车型系列),而不必如同Toyota Mirai甚至Tesla Model S车型必须得将电池模组放在车辆中部、也大幅改善内部乘用空间。续航距离达到700公里的氢气罐则设有两个:大号罐体在汽车后隔板后面,小号罐体在后座之下。大号氢气罐虽然佔据一些行李厢空间、但还仍留出足够的空间可放置高尔夫球袋或行李。

双田领军 日本氢动力未来社会启示录透过3D立体微流道技术大幅提昇模组发电效率,Toyota电池製造成本更降低95%。

值得一提的是,Clarity还配有专用电压逆变器,能够输出电力为其他设备供电,当外接配套的Honda Power Exporter 9000发电模组时,一个氢气罐就能转化出足以支持一户日本家庭一星期的用电量。这也与日本政府正在大力推动的「家用燃料电池」趋势吻合!

双田领军 日本氢动力未来社会启示录Honda于本次东京车展发表了即将于2016年3月上市的新一代量产版本燃料电池车型Clarity,车内马达最大输出功率可达到130kW,成本只有前身的10%、尺寸也缩小了33%,整个电池模组大约与V6引擎体积相当。

日本已经花费数十年企图降低燃料电池的製造成本,2011年311福岛核灾之后,日本社会更深刻体认燃料电池符合减少二氧化碳排放,也是对抗全球气候变迁的目标。目前日本已经成为全球第一大家用燃料电池市场,技术领先世界所有国家。2009年家用燃料电池「ENE-FARM」率先于日本问世,这种电池利用天然气重组法提取氢气后注入燃料电池中发电,发电时产生的废热还可用来烧水供泡澡和地暖使用,能源使用效率超过90%,约1000W的发电规模可满足家庭用电量的80%左右。

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这套约冰箱大小的系统主要製造商为Panasonic、Toshiba、东京瓦斯及长府製作所,可让燃料电池、热水机组与备用热能同时储存在一般公寓大楼的管线当中。家用燃料电池模组的价格在2016~19年度预估将由过去的新台币约70万到75万降至新台币13万到21万左右,对日本民众而言,届时燃料电池系统的价格仅比热水器高出新台币约8万,而且每年可节省新台币约1.3到1.8万的电费,所以用大约5年时间即可收回多付出的成本。燃料电池系统保修10至20年,因此在剩余时间内还可节约新台币8至16万左右的电费,这样一来便很有可能迅速得到普及。日本政府也以「2016年突破50万户装机量」作为推广目标。

双田领军 日本氢动力未来社会启示录于东京车展Toyota又发表全新FCV Plus概念车,可以将氢燃料产生之电能分享给周边汽车及其他设备使用。

储氢技术成为未来普及关键

面对快速上昇的氢能源需求,全球龙头化学集团BASF正进行一项改良製造氢气製程的研究计画,过去在超高温製程的成本过高,但BASF致力于研发废热回收系统以将热能保留在系统内,让製造氢燃料成本比目前的甲烷水合法降低50%。新製程可在超高温下让甲烷直接脱氢,产生氢气与碳,固体碳很容易与氢气分离而且可直接卖给炼钢厂供炼钢使用,预估未来氢燃料电池车的成本优势将逐渐显现。

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虽然燃料电池的量产成本逐渐降低,但氢动力车辆距离真正商用化还有两个最大障碍:氢气的储存技术障碍与加氢站严重不足。氢气储存技术的问题在于:在室温与室压下,氢是以气体状态存在、而气体状态的氢元素有着「能量密度太低」(即每单位体积的氢气所含能量低于石油太多)问题,就算冷却到零下253度,每单位体积的液态氢所含的能量密度仍只是相同体积石油的25%、这意味着氢动力汽车必须搭载比传统汽车大上2~4倍的油箱(还有维持低温状态的技术瓶颈)才能拥有相同的续航距离,过去研发人员的首要课题就是如何在车上保存低温液态氢并儘可能缩小油箱体积,另一个难题是如何确保液态氢在冷冻储存槽输送到引擎燃烧室的过程中没有洩漏或是蒸发。

双田领军 日本氢动力未来社会启示录2009年家用燃料电池「ENE-FARM」率先于日本问世,这种电池利用天然气重组法提取氢气后注入燃料电池中发电,发电时产生的废热还可用来烧水供泡澡和地暖使用,能源使用效率超过90%,约1,000 W的发电规模可满足家庭用电量的80%左右。

Toyota工程师在Mirai内设计了一大一小两个储氢罐,通过高压的方式尽可能多充入氢气。两个储氢罐的容量共122.4升以700Mpa(700个大气压)高压储存、也只能容纳约5公斤的氢气。所以实际上燃料的重量并不大,反而是储氢罐体积特别笨重。储氢罐被设计成四层结构以增加结构强度:铝合金的罐体内部衬有塑料内胆,外面包裹一层碳纤维强化塑料的保护层,保护层外侧再增加一层玻璃纤维材料的减震保护层,并且每一层的纤维纹路都根据所处罐身位置不同而做了额外的优化,使纤维顺着压力分布的方向以提昇保护层的效果,目的就是为了在承受700个大气压的前提下仍旧保持行驶安全性。

双田领军 日本氢动力未来社会启示录就算冷却到零下253度,每单位体积的液态氢所含的能量密度仍只是相同体积石油的25%,这意味着氢动力车须搭载比传统汽车大上数倍的油箱才能拥有相同的续航距离。

由政府带头 补助建立加氢站

过去燃料电池车主最大的抱怨就是「加氢站数量不够」,由于加氢设施缺乏是发展燃料电池车最大的阻碍。Toyota车厂由子公司丰田通商株式会社(Toyota Tsusho Corp.)与法国液化空气公司Air Liquide SA合资在日本打造三座商业化的氢燃料电池加氢站,最快今年底就能正式启用。一座加氢站造价为6~7亿日圆(约新台币1.6~1.9亿),日本政府将补贴约1.9亿日圆(约新台币5千万)。目前日本已经有12座营业中的加氢站,而日本政府为推动能源政策,计画在2016 年3月底前将加氢站的数量增加为100座,2016年度补贴加氢站的预算更高达400亿日圆(约新台币107亿)。

双田领军 日本氢动力未来社会启示录Toyota工程师为Mirai设计了一大一小两个储氢罐,通过高压的方式尽可能多充入氢气;共122.4升的容量以700Mpa高压储存,也只能容纳约5公斤的氢气。

另一个积极发展氢燃料汽车的地区是美国加州,美国加州已投入超过2亿美元兴建氢燃料补给站,目前加州有座专为轿车设计的加氢站、其他2座则为巴士设计,还有69座则还在建设当中。若车主仍觉得不方便,Honda提供了另一个解决方案:他们正在开发一种小巧的智慧加氢站(Smart Hydrogen Station),车主可家中通过高压电解自产氢气;目前尚不清楚它将于何时上市,但若价格经济实惠,燃料电池车辆的加速普及可能因此实现突破。

双田领军 日本氢动力未来社会启示录加氢设施缺乏是发展燃料电池车最大的阻碍,未来Toyota子公司丰田通商株式会社与法国液化空气公司将合资在日本打造三座商业化的氢燃料电池加氢站。

为了加速燃料电池车辆普及,日本政府也将提供购车补助制度,虽然Toyota Mirai售价达700万日圆(约新台币188万)、比起市售其他一般车款价格高出不少,但若消费者购买燃料电池车型,每部最少将获得日本政府200万日圆(约新台币54万)的补助金,对于氢燃料电池车推广是一大利多。日本政府已制定了燃料电池车的普及时间表,除了在2015年祭出购车补贴制度,更计划于2025年结束前将燃料电池车价格压低至300万日圆(约新台币81万)以下水準,价格将媲美现在日本盛行的油电混合车。

根据研究机构Fuel Cell Today统计,近三年来燃料电池的出货量都有超过50%的成长率,预估燃料电池市场规模将从2013年的6.3亿美元成长至2018年的25.4亿美元左右。和燃料电池车相比,锂电池电动车赢在起步及商业化的时间较早,但燃料电池电动车的支持者持认为,燃料电池车比锂电池车拥有更多优势。

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燃料电池车加满氢只要短短3~5分钟,就跟传统车辆加油一样快,便利程度远高于需要充好几个小时电的锂电池车;而且燃料电池车加满氢后可行驶的里程数几乎等同于汽车。预计在2017年时,氢燃料电池每千瓦(kW)成本可降低至30~50美元,在2020年之前,氢燃料电池车辆的成本将可与汽油车辆抗衡,台湾与日本同样属于能源进口国,看到日本积极推动氢能源产业,我们也可评估推动燃料电池的优点、让「非核家园」不只是口号。

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氢是宇宙中最常用的元素,每个国家都可以自行製造氢能源并且永不枯竭;其中,90%能源供应来自进口的日本业者探索最为积极,两大车厂Toyota与Honda从未放弃过氢能燃料电池的研究。

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在2020年之前,氢燃料电池车辆的成本将可与汽油车辆抗衡,台湾与日本同样属于能源进口国,看到日本积极推动氢能源产业,我们也可评估推动燃料电池的优点、让「非核家园」不只是口号。

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