这篇文章告诉你,丰田氢燃料乘用车发展现状

作者: pk10最牛稳赚5码计划  发布:2019-08-22

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今年,燃料电池在国内形成一波热潮,眼看未来新能源汽车补贴将逐渐消退,而燃料电池路线作为一个补充技术方向,在补贴鼓励上并没有立即消减,并且会继续发展。反观海外,众多车企开始在燃料电池乘用车领域做选择题,放弃还是坚持?这是个问题。

氢燃料电池车零排放、续航里程长、燃料加注时间短等优点,促使许多上市公司布局这一领域。5月11日,氢燃料电池车再度引起国内广泛关注。从1992年开始,丰田就开始氢燃料电池研发,丰田高层一直认为氢燃料汽车是终极环保车,在电动车行业火热的当下仍然十分重视氢燃料汽车的研发投入。2014年12月15日,丰田汽车在日本发布氢燃料电池汽车Mirai,Mirai也是全球率先投入量产的燃料电池汽车。

最近,有不少车企做出了选择。6月初,福特汽车、戴姆勒以及加拿大巴拉德动力系统公司三方成立的燃料电池汽车合资公司宣布即将关闭。戴姆勒将业务重点转向电动汽车领域,未来将自主研发汽车燃料电池技术。

丰田Mirai占全球燃料电池汽车销量的九成

日产-雷诺-三菱联盟则将冻结2013年与戴姆勒、福特汽车签署的燃料电池车(FCV)商用化计划。日产-雷诺-三菱联盟指出,由于燃料电池汽车开发耗资巨大,难以同时开发多项技术,所以决定冻结三方计划,并将未来经营资源集中于纯电动汽车的研发。

截至2017年12月丰田Mirai全球共计销售5300辆,其中美国2900辆,日本2100辆,欧洲200辆,占全球燃料电池乘用车总销量的九成以上。2017年丰田Mirai美国市场份额占其全球销量的七成,2018年1月,美国加州Mirai汽车销量突破3000辆,这主要得益于加州政府积极的新能源政策,其政府已为加州加氢站投入了4800万美元资金支持。据悉,目前加州有31个零售加氢站在运行,此外该州还有12个加氢站即将在2018年开放。

实际上,各个车企在技术路线上往往采取跟随态度,在并不是很看好的情况下,就会缩减资源投入,而之前的结盟运作分摊开发费用,已经是小成本运行。但是,如今纷纷散伙的架势可不像是形势一片大好的样子。

图表1 2015-2017年丰田Mirai全球销量分布对比

例如在大众汽车集团,奥迪就是在燃料电池领域开始节流的代表。6月20日,现代汽车与奥迪宣布,双方就氢燃料电池汽车(FCEV)组件和技术签订多年期专利交叉许可协议,共同努力发展FCEV,现代汽车将授予合作方获得基于现代汽车专有技术零部件的权利,包括ix35氢燃料电池车和NEXO积累的技术。

数据来源:OFweek产业研究院

图片 1全球车企燃料电池汽车合作联盟

丰田深耕燃料电池领域 降低燃料电池成本

一、燃料电池汽车发展现状

燃料电池汽车中最核心的是燃料电池动力系统。截至2017年,丰田汽车已在21个国家和地区、2个国际知识产权组织申请了15867件与燃料电池相关的专利。丰田汽车在燃料电池及其制造领域的专利数量占到了专利总量的61%,可以看出这是丰田技术研究的重点领域。丰田燃料电池动力系统主要包括高压氢气存储罐、驱动电池、燃料电池堆、升压转换器、能量控制单元。

据Information Trends的研究结果,自2013年氢燃料电池车商业化到2017年底,全球总计售出6475辆氢燃料电池乘用车。2016年之前一共销售3000辆,2017年销售3382辆,其中丰田Mirai就卖出3000辆,占比为75%,本田和现代汽车分别占13%和11%。

图表2丰田Mirai燃料电池动力系统

丰田在推动燃料电池车商业化方面不遗余力,主要在美国市场和日本市场同步大力推动。丰田燃料电池车的开发时间已经非常长,但是从实际增速效果来看,情况不是特别理想,发展速度还是受到了很大制约。

对于燃料电池使用的质子交换膜燃料电池来说,由于使用昂贵的铂族金属作为催化剂,其价格一直居高不下。可以说,催化剂是燃料电池价格的决定性因素之一,按照每年1000个系统的生产能力,催化剂的成本将占到燃料电池堆总成本的21%,每年系统生产能力达到500000个,成本比例将上升至45%。由于采用钴和铂的合金的材料来当作催化装置,Mirai的铂金使用量降低至几十克,比例只有2008年车型的三分之一左右。

图片 2丰田Mirai在美国的销售情况

图表3 催化剂占燃料电池成本比例

燃料电池汽车的加氢站分布,在美国比较集中,主要在加州旧金山湾区、洛杉矶及奥兰治县,对应超过50%的氢燃料电池车也在加州售出。

数据来源:OFweek产业研究院

图片 3美国燃料电池加氢站

Mirai的燃料电池最大输出功率为114千瓦,由370片电池组成,作为世界上第一款商业化燃料电池汽车,采用了世界首发的紧凑型三维晶格结构。和丰田在2008年推出的燃料电池系统相比,Mirai的燃料电池系统成本降低了95%。目前售价约为57500美元,整车成本价格为504美元/kW。随着产量的扩大,其燃料电池堆的生产成本将进一步降低。根据美国阿贡实验室的预测,在年生产能力到达500k时,燃料电池堆成本将趋近于50-63美元/kW。

图片 4德国燃料电池加氢站

表4 80-kWnet汽车燃料电池堆/系统成本预算

从全球范围来看,燃料电池汽车商业化进程正在加快,不过推动力主要源自于日本和韩国两个相对地域狭小的国家。

数据来源:OFweek产业研究院

2018年6月,韩国政府同意在未来五年内投资约20亿欧元用于氢燃料电池以及加氢站的补贴。目标到2022年为15000辆燃料电池汽车和1000辆燃料电池公交车提供资金。最重要的是,资助计划包括310个新的加氢站

此外加氢站的建设也是制约氢燃料汽车发展的主要因素之一,由于没有实现规模化生产,目前加氢站建设和运营成本还大大高于传统加油站。加氢站投资成本为150-250万美元,其建设成本主要由核心设备采购费用、设备安装费用、土木工程费用组成,由于设备安装、土木工程费用相对固定,其中设备采购成本占建设投资的70 %。

日本则致力于氢气站网络的发展和完善。2020年前,日本计划推广4万辆氢燃料电池汽车上路,并在2025年和2030年之前分别达到20万辆和80万辆。另外,加氢站也将在2020年之前发展到160个,在2025年和2030年前分别发展到320个和720个。

目前日本的氢气站的成本约为240万美元,日本政府为企业提供50%的安装费用补贴。为了推动燃料电池的普及,日本包括丰田、日产、本田在内的11家企业于2018年3月5日宣布共同创建一家负责燃料电池车加氢站建设和运营的H2 Mobility,以推动燃料电池车普及。项目第一期工程计划到2021财年完成约80座加氢站建设。这11家创始公司联手创建了世界上第一个氢燃料框架,不仅是基础设施开发商和汽车制造商,而且投资者都参与了合作,投资者将通过财务手段为未来扩大氢气站的布局做出贡献。

从某种层面来看,燃料电池的战略选择和地域有着密不可分的联系,在韩国和日本,如果能有效的替代部分石油的功能,比推广纯电动汽车更有意义。

根据丰田汽车于2015年10月14日公布的“丰田环境挑战2050”目标,提出在2050年前实现仅靠发动机行驶的汽车的“零”销售。该计划旨在提高混合动力车和燃料电池车的比率,使新车的二氧化碳排放量比2010年削减90%。上文分析发现,丰田在燃料电池技术和加氢站市场布局等方面的投入都是不断在践行这一目标,不断增加燃料电池汽车的市场份额,预计到2020年,Mirai年产量将在30000台左右。按照各国燃料电池汽车发展规划,2020年主要国家氢燃料汽车拥有量总和将超过470000辆。

图片 5日本和韩国的加氢站

《中国氢燃料电池汽车产业发展报告》

因此,丰田汽车面向2020年东京奥运会和残奥会,预计将会以东京为中心投放100多辆氢燃料电池巴士。在产业链方面,日本汽车制造商丰田合成株式会社在日本员弁市新建了一家工厂,生产高压氢气罐。

图片 6丰田FC巴士SORA

二、燃料电池成本预估

对于燃料电池技术,目前最大的问题是需要从能源供给转换全局考虑,如果没有实现从石油能源往氢气的整体转换,并在较大地域范围覆盖,就没办法进行大规模化应用。对于整车企业而言,市场规模就比较有限,需要较大的量才能有效降低成本。

据美国能源部最新数据显示,以80kW质子交换膜燃料电池系统为例,2017年,每生产1000套燃料电池,燃料电池系统(包括燃料电池电堆、高压储氢罐、升压变频器、电动机、动力控制单元等)的成本达到179美元/kW,其中电堆成本为118美元/kW;每生产1万套燃料电池,燃料电池系统成本为79美元/kW,其中电堆成本为39美元/kW。

以丰田Mirai为例,2015年该车产量已达到700辆,2016年提升至2000辆,到2020年将达到3万辆,这是2017年的10倍。如果按照上述数字折算,丰田Mirai的续航超过600公里,燃料电池组最大功率为114kW,核算其电堆成本为1.1~1.3万美元,整套燃料电池系统超过2万美金。而同等的电池系统大约需要70-80kWh,电池系统成本为1.4-1.6万美金。

图片 7燃料电池系统成本和年产量的关系

燃料电池寿命不需要解决充电问题,其持续寿命主要是发电和行驶工况,现阶段核心的难点之一就是解决燃料电池寿命,这个目标是5000-10000小时。目前国际先进水平的燃料电池寿命是5000小时,部分电堆的寿命可能更高一些,而国内水平只有2000-3000小时。

氢燃料发电的过程中,需要用到含铂催化剂,但铂金是贵金属,价格高昂。丰田的燃料电池车Mirai每辆车用铂20g,约合0.17g/kW。根据美国能源部的规划,到2020年燃料电池汽车用铂量预计会下降到0.125g/kW。在这个层面,持续的技术投入对于原料的依赖还有持续的工作要做。

小结

从国际上来看,商业化进程正在加快,但是发展燃料电池乘用车需要更多的政府层面的支持。当前,丰田、本田和现代汽车公司是主要的技术输出和投资者,通用、宝马、奥迪,甚至是奔驰都会转型成为合作者,把更多的精力投入到当前纯电动汽车在欧洲和中国这种较大地理尺度的市场去部署。

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