關(guān)于氫燃料電池汽車和氫氣傳感器的深度探討

2020 年的納博會上，筆者有幸在官方直播間（納博會和與非網(wǎng)合辦）中，與蘇州納格光電的副總經(jīng)理張克棟先生來了一場關(guān)于氫燃料電池汽車和氫氣傳感器的深度探討，以下是對討論結(jié)果的一種記錄，與小伙伴們分

什么是終極清潔能源汽車？

現(xiàn)下我們對新能源汽車已經(jīng)不再陌生，以豐田普銳斯為代表的油電混合動力車，以比亞迪秦為代表的插電式混合動力車，以 BMW i3 為代表的增程式電動車，還有以尼桑聆風(fēng) LEAF、特斯拉為代表的充電式純電動車都在不斷滲透進(jìn)千家萬戶。但新能源汽車可不止以上四類，比如氫燃料電池電動車、甲醇汽車。

以氫燃料電池電動車為例，國外技術(shù)已相當(dāng)成熟，它是一種使用電動機(jī)驅(qū)動，以氫燃料經(jīng)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電能為動力源的新能源汽車。由于化學(xué)反應(yīng)后只生成水，排放接近于零，對比鋰電池類新能源汽車，消費(fèi)者沒有續(xù)航焦慮問題，無需改變使用習(xí)慣，加氫過程只需 5 分鐘，長期使用后也沒有大容量電池報廢后帶來的污染問題，因此被稱為終極清潔能源汽車。

我國將在氫燃料電池汽車布局上面拉近與國外的差距？

在討論差距之前，我們先來了解一下歷史。如果說電動汽車的歷史可以追溯至 1834 年 Thomas Davenport 在美國制造出第一輛直流電機(jī)驅(qū)動的電動車的話，燃料電池汽車歷史也是相當(dāng)悠久的。1838 年，德國化學(xué)家克里斯提安·弗里德里?！ど邪嗵岢隽巳剂想姵卦?，20 世紀(jì) 60 年代，首次應(yīng)用在美國航空航天管理局的阿波羅登月飛船上，但受到技術(shù)與成本的限制，發(fā)展速度緩慢，一直停留在演示階段。

直到 2014 年，燃料電池技術(shù)有了長足的進(jìn)步，在以豐田等日本公司的大力推進(jìn)下，部分燃料電池汽車已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，比如豐田 Mirai（4 座，續(xù)航里程 500 公里）。率先布局氫燃料電池汽車這一點(diǎn)，或許與日本資源匱乏不無關(guān)系，此外日本這幾年也出臺了不少政策，來鼓勵發(fā)展先進(jìn)的傳統(tǒng)燃油發(fā)動機(jī)和電動發(fā)動機(jī)，簡單來講就是雙管齊下，而中國在政策端，雖然科技部的萬鋼部長在 2002、03 年歸國之時就開始推行氫燃料電池汽車，但總補(bǔ)貼的角度來看，還是以鼓勵純電動為主的布局，直至 2017、18 年，國家開始大力發(fā)展氫能源，并在 2020 年 11 月 2 日國務(wù)院出臺的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035）》中特別提到要“有序推進(jìn)氫燃料供給體系建設(shè)”，但總的來說，對比日本或者歐美，我們是落后的。

但是，從另外一個方面講，當(dāng)年我國在燃油汽車方面落后很多代，包括現(xiàn)在的燃油車發(fā)動機(jī)都不是很好，但在氫燃料電池汽車方面，我們有很多自主知識產(chǎn)權(quán)，能生產(chǎn)目前世界上最高效率的電堆，不能說是世界領(lǐng)先，但在某些關(guān)鍵技術(shù)方面，與國外發(fā)達(dá)國家處于并駕齊驅(qū)的態(tài)勢，這一點(diǎn)還是值得肯定的。

為什么氫燃料電池汽車上要安裝氫氣傳感器？

氫氣資源非常好，清潔、可再生，但它容易泄露，且爆炸范圍非常寬，是目前波浪范圍最寬的一種氣體，只要和空氣混合，達(dá)到 4%~75%的比例，就會發(fā)生爆炸，屬于一級爆炸氣體。所以，從制氫站、儲氫站、運(yùn)輸車、加氫站，到氫燃料電池汽車都需要對氫氣進(jìn)行檢測，盡早發(fā)現(xiàn)泄露，立馬關(guān)掉閥門并發(fā)出警報，降低安全隱患。

此外，對于氫燃料電池汽車而言，氫氣傳感器不僅能用于監(jiān)測氣罐和電堆端氫氣的泄露，還能用于檢測排放尾氣中的氫氣濃度。燃料電池汽車也就能根據(jù)這些監(jiān)測的信息來實(shí)時分析電堆的性能和反應(yīng)程度，從而及時調(diào)整相關(guān)輸入指標(biāo)或數(shù)據(jù)配置來實(shí)現(xiàn)車輛的安全、高效運(yùn)行。

車規(guī)級氫氣傳感器市場規(guī)模有多大？

以氫燃料電池汽車為例，一般需要配置 3~5 個氫氣檢測模塊。

此外，要研究車規(guī)級氫氣傳感器市場，我們就要與氫燃料電池汽車落地情況與趨勢關(guān)聯(lián)起來。根據(jù)國務(wù)院發(fā)布的新能源汽車產(chǎn)業(yè)藍(lán)皮書顯示，到 2025 年，中國的氫燃料電池汽車總量要達(dá)到 5 萬輛，到 2030 年，這個數(shù)字將上升為 100 萬輛。因此，假設(shè)以 2030 年為時間節(jié)點(diǎn)，每輛車配置 3 個氫氣檢測模塊的話，只是汽車方面的用量就要達(dá)到 300 萬個，再加上整個產(chǎn)業(yè)鏈上氫氣傳感器的配套情況，保守估計將有 500~1000 萬個的量。

單個模組價格方面，由于目前車規(guī)級氫氣傳感器處于被日本 FIS 和日本理研壟斷的狀態(tài)，日本理研的單價約為 5000 元左右，而日本 FIS 的單價則在 1500 元以上，如果是小批量則可能在 2000 元左右。

因此，假設(shè)以 2000 元作為單價計算的話，到 2030 年，中國氫燃料電池汽車對氫氣傳感器的需求價值約在 100 億~200 億元之間。

擺脫依賴進(jìn)口局面，國產(chǎn)突破在即？

上面也提到了氫氣傳感器目前處于壟斷市場狀態(tài)，這也意味著目前中國對氫氣傳感器進(jìn)口的依賴程度非常大。這一方面是車用級氫氣傳感器需隨整車一起經(jīng)歷更為嚴(yán)苛的高低溫、抗外力、抗電磁干擾和防護(hù)等級高等考驗(yàn)，另一方面也源于國內(nèi)研發(fā)起點(diǎn)較晚，確保產(chǎn)品全面性、可靠性和安全性的設(shè)計、分析、驗(yàn)證和整車測試迭代還不到位。

如何解決上述問題呢？其中值得一提的是目前采用的傳感器廠商聯(lián)合車廠研發(fā)的機(jī)制。像國字號的東風(fēng)、長安、上汽、廣汽，央企一汽，以及民企奇瑞、吉利、長城、比亞迪等都在制定規(guī)劃并有序推薦。整車廠層面來講，上汽是走在比較前面的，比如已經(jīng)發(fā)布的榮威 950 和大通商務(wù)車，都是屬于氫燃料電池汽車。而在車規(guī)級氫氣傳感器層面，國內(nèi)主要有蘇州的納格光電和河南日立信在做，兩家的檢測原理不同，蘇州納格光電采用的是納米材料批量印刷技術(shù)與 MEMS 工藝，而河南日立信采用的則是鈀合金薄膜吸附原理。就響應(yīng)速度而言，日本 Fis 可以做到 1s 以內(nèi)，我國本土廠商蘇州納格光電目前可以做到 2s，而河南日立信的稍慢，需要 10s 左右。根據(jù)美國 SAE 標(biāo)準(zhǔn)，對車規(guī)級氫氣傳感器的響應(yīng)時間要求是 2s 左右，因此蘇州納格光電經(jīng)過嚴(yán)格車規(guī)測試的產(chǎn)品已具備進(jìn)入主流市場的資質(zhì)。

寫在最后

目前豐田 Mirai 在日本、美國加州和韓國等地都賣得很好，經(jīng)過補(bǔ)貼后大概三四十萬的價格，同等級的 B 級車凱美瑞則只要 20 多萬，價格上還是沒有優(yōu)勢。但從價格趨勢來講，就電堆層面，兩年前 10000 元 /Kw，每輛車要配上 30kW，就要花上 30 萬元，而今天這個價格已經(jīng)降到 1000 元 /Kw，降了整整 10 倍，同樣的其他層面的價格也都在往下降，這對于整車推廣是十分有利的。

只是目前除了價格層面，氫燃料電池汽車的發(fā)展還面臨制氫轉(zhuǎn)化效率較低、加氫站配套不足等生態(tài)鏈發(fā)展問題。氫氣傳感器作為其中的一顆螺絲釘，也面臨非常多的挑戰(zhàn)。蘇州納格光電副總經(jīng)理張克棟向與非網(wǎng)吐露：“我們做車規(guī)級氫氣傳感器已經(jīng)有兩年多時間了，目前面臨最大的問題是，這個行業(yè)還沒有出臺標(biāo)準(zhǔn)細(xì)則，比如整車氫氣檢測模組安裝數(shù)量、響應(yīng)時間、回復(fù)時間、使用壽命等等，這些都是需要國家層面來制定的。如此，我們企業(yè)才會有看齊標(biāo)桿，產(chǎn)品也會更加規(guī)范化。”
編輯：hfy