氫燃料電池為什么比鋰電池更有前景？ 氫燃料電池和鋰電池分析
來源：寶鄂實業(yè)
2019-07-16 11:17
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氫燃料電池為什么比鋰電池更有出路，聽我說……
你知道國家為啥要推氫燃料電池嗎？我們不是現(xiàn)已有鋰電池了為啥還要氫燃料電池，他們兩個誰更好，誰可能是未來的動力方向？
氫燃料電池和鋰電池分析
近幾十年雖然各國都在大力推廣電動車，但其占比依然很低，尚缺乏1%，中心就在于過往的電動車都違反了能量密度進(jìn)步這個動力革新的主線邏輯。哪怕是最新一代的鋰電池車，其能量密度極值也只需汽油的1/40，職業(yè)天然遲遲無法出現(xiàn)10倍速的改進(jìn)。但燃料電池的出現(xiàn)卻徹底改變了這一現(xiàn)狀。其以氫氣為材料，基礎(chǔ)能量密度是汽油的3倍，電動機(jī)的做功功率仍是內(nèi)燃機(jī)的2倍，實踐密度是汽油的6倍，優(yōu)勢明顯。而且從人類曩昔百年的動力進(jìn)化史看，其本質(zhì)上就是碳?xì)浔鹊恼{(diào)整史，氫含量越高，能量密度越高，未來從碳動力轉(zhuǎn)向氫動力是大勢所趨，因此選用氫動力的燃料電池?zé)o疑更能代表歷史開展的方向，最有望成為下一代的基礎(chǔ)動力。
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氫燃料電池為什么比鋰電池更有出路，聽我說……
機(jī)動車功用首要為續(xù)航才干、充電/充氫時刻、輸出功率和安全性等。燃料電池能量密度遠(yuǎn)高于鋰電池，相應(yīng)電池容量，快充才干和續(xù)航路程就具有了天然的優(yōu)勢，即就是和鋰電池的頂級豪車Tesla相比也是大幅搶先。但其功率密度不高，最大輸出功率取決于輔助的動力電池系統(tǒng)，相應(yīng)最高時速和百公里加快目標(biāo)和鋰電池相差不大。為了便于比較，我們下文選取現(xiàn)在干流的2L排氣量汽油車，對應(yīng)45度鋰電池車和輸出功率100KW燃料電池車作為分析基準(zhǔn)。
能量密度比較
鋰電池作為蓄電池的一種，是個封閉系統(tǒng)，電池只是能量的載體，有必要提早充電才干運轉(zhuǎn)，其能量密度取決于電極材料的能量密度。由于現(xiàn)在負(fù)極材料的能量密度遠(yuǎn)大于正極，所以進(jìn)步能量密度就要不斷晉級正極材料，如從鉛酸、到鎳系、再到鋰電池。但鋰現(xiàn)已是原子量最小的金屬元素，比鋰離子更好的正極材料理論上就只需純鋰電極，但能量密度其實也只需汽油的1/4，而且商業(yè)化的技術(shù)難度極大，幾十年內(nèi)都無望打破。因此鋰電池能量密度進(jìn)步受制于理論瓶頸，空間非常有限，最多也就是從現(xiàn)在的160Wh/KG進(jìn)步至300Wh/KG，即便抵達(dá)也只需燃料電池的1/120，可謂輸在起跑線上。
體積能量密度比較
燃料電池的材料氫氣首要缺點就是體積能量密度不高，現(xiàn)在根柢上是選用加壓來處理這個問題。依照現(xiàn)行的700個大氣壓的加壓形式，其體積能量密度是汽油1/3。相同跑300公里，燃料電池儲氫罐體積為100L，重量為30KG，對應(yīng)汽油車油箱為30L，但電動機(jī)體積比內(nèi)燃機(jī)小80L，總體積相差不大。鋰電池車分為三元和磷酸鐵鋰兩種干流技術(shù)路線，代表企業(yè)為Tesla和比亞迪。三元能量密度更高，但安全性差，需求輔助的安全保護(hù)設(shè)備，跑300公里所需的兩種電池體積別離為140L和220L，重量為0.4噸和0.6噸，都遠(yuǎn)高于燃料電池。展望未來假設(shè)儲氫合金和低溫液態(tài)儲氫技術(shù)可以打破，燃料電池體積能量密度將別離添加1.5倍和2倍，優(yōu)勢會更為明顯。
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氫燃料電池為什么比鋰電池更有出路，聽我說……
功率密度比較
燃料電池本質(zhì)上可以理解為以氫氣為材料的化學(xué)發(fā)電系統(tǒng)，因此輸出功率比較穩(wěn)定，為了最大進(jìn)步放電功率有必要附加動力電池系統(tǒng)，如豐田Mirai就是配套鎳氫電池。但作為一個開放的動力系統(tǒng)，其能量來自于外部輸入，附加的鎳氫電池不需求考慮儲能的問題，只需5-8度就能滿意需求，對電池壽數(shù)的要求也不高，在真實工況下的運用約束很少。鋰電池雖然理論放電功率很高，但為了不損傷電池壽數(shù)，運用約束許多。在充滿電的情況下不能大倍率放電，快速放電只適用0-80%這個區(qū)間。即便如此，以5C倍率放電，實驗室中的電池循環(huán)壽數(shù)也會縮短到只需600次，真實工況下會進(jìn)一步降至400次，如Telsa即便最大功率可達(dá)310KW，但實踐放電倍率也只需4C。而且鋰電池作為能量密度不高的封閉儲能系統(tǒng)，高功率放電和高續(xù)航路程根柢很難兼容，除非大幅進(jìn)步電池重量。即便Tesla選用了現(xiàn)在能量密度最好的三元電池，其電池組件重量都挨近半噸。
安全性比較
除了上述目標(biāo)，安全性關(guān)于機(jī)動車來說無疑也非常關(guān)鍵。鋰電池作為封閉的能量系統(tǒng)，從原理上高能量密度和安全性就很難兼容，否則就等同于炸彈。因此現(xiàn)在干流工藝路線中，能量密度低的磷酸鐵鋰安全性卻較好，電池溫度抵達(dá)500-600度時才開始分解，根柢不需求太多的保護(hù)輔助設(shè)備。Telsa選用的三元電池能量密度雖高，但不耐高溫，250-350度就會分解，安全性差。其處理方法是并聯(lián)了逾越7000節(jié)電池，大幅降低了單個電池漏液，爆炸帶來的風(fēng)險，即便如此也還需求結(jié)合一套雜亂的電池保護(hù)設(shè)備。而且前期發(fā)生的幾次事端，雖然得益于Telsa的安全設(shè)計并沒有出現(xiàn)人員傷亡，但就事端自身而言，其實都是非常細(xì)微的磕碰，車身也沒有收到什么損傷，但電池卻著火了，也旁邊面反映了其安全性上天然的下風(fēng)。
燃料電池由于材料氫氣易燃易爆，市場廣泛擔(dān)心其安全性問題。但如我們下表的數(shù)據(jù)，相比汽油蒸汽和天然氣這兩種常見的車用可燃?xì)怏w，氫氣的安全性并不差，乃至還略好?，F(xiàn)在車用儲氫設(shè)備都選用碳纖維材料，在80KM/h速度多角度磕碰檢驗中都可以做到毫發(fā)無損。即便事故導(dǎo)致走漏，由于氫氣爆炸要求濃度高，在爆炸前一般就現(xiàn)已開始燃燒，反而很難爆炸。而且氫氣重量輕，溢出系統(tǒng)的氫氣著火后會靈敏向上升起，反而必定程度上保護(hù)了車身和乘客。而汽油為液態(tài)，鋰電池為固態(tài)，很難在大氣中上升，燃燒都在車艙底部，整車會靈敏著火作廢。氫氣儲運環(huán)節(jié)其實和LNG非常相似，只是所需壓力更大，跟著商業(yè)化推進(jìn)，其全體安全性也仍是可控的。
電池車的本錢首要分為整車本錢、材料本錢、配套本錢?，F(xiàn)在對燃料電池詬病最多就是本錢太高，但用開展的眼光看，跟著技術(shù)進(jìn)步和商業(yè)化程度進(jìn)步，其本錢下降的空間很大。而鋰電池假設(shè)考慮到電網(wǎng)端擴(kuò)容的本錢，其實概括配套本錢還高于燃料電池，詳細(xì)測算如下：
整車本錢比較
鋰電池、燃料電池和傳統(tǒng)汽油車，整車本錢的差異首要體現(xiàn)在發(fā)動機(jī)本錢，其他組件差異不大。2L汽油車發(fā)動機(jī)本錢在3萬元左右，未來也很難有太大的變化?，F(xiàn)有鋰電池的度電本錢為1200元/kWh，未來有望降至1000元/kWh，45度電動車，電池本錢為4.5萬元。燃料電池本錢首要是電池組和高壓儲氫罐，現(xiàn)在100kw電池組本錢為10萬元，預(yù)測年產(chǎn)50萬臺后，單位本錢將降至30美元/KW，即2萬元?，F(xiàn)有儲氫罐本錢為6萬元，未來有望降至3.5萬元，總本錢為5.5萬元。長時間看三種動力系統(tǒng)的本錢相差不大，可見整車本錢并不是中心問題。
材料本錢比較
2L汽油車百公里耗油為10升，5.8元/L的汽油價格，本錢為58元。鋰電池車百公里耗電量為17度，0.65元/度電本錢，本錢11元。燃料電池百公里消耗氫氣9方，制氫方式首要分為電解水或許化學(xué)反應(yīng)，如煤制氫、天然氣制氫等。電解水本錢首要是電，均勻5度電1方氫氣，本錢約為3.8元/方，但可以在加氫站直接電解，省掉運送費用。假設(shè)選用化石動力大規(guī)劃會集出產(chǎn)，國內(nèi)本錢最低的是煤制氫氣，約為1.4元/方，北美則可使用廉價的天然氣，本錢在0.9元/方。假設(shè)我們以煤制氣本錢作為標(biāo)準(zhǔn)，百公里材料本錢12.6元，和鋰電池不同不大。
配套本錢比較
加氫站、加油站、充電站本錢首要分為土地本錢、設(shè)備本錢、建造本錢，不同首要體現(xiàn)在設(shè)備本錢。加油站根柢在300萬元，充電站為430萬元，加氫站以日本現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)估計為1500萬元，全體上加氫站本錢要高1000萬元左右。依照15年折舊，每年銷氣量1000萬方，則折舊本錢為0.1元/方。小規(guī)劃時氫氣一般以槽罐車運送，估計運費為0.44元/方，規(guī)劃擴(kuò)展后則可選用管網(wǎng)運送，本錢會下降至0.23元/方。
雖然鋰電池現(xiàn)階段依托于現(xiàn)成的電網(wǎng)系統(tǒng)，配套本錢很低。但假設(shè)大規(guī)劃推廣，現(xiàn)有電網(wǎng)的容量冗余根柢都將被耗盡，未來有必要要大規(guī)劃擴(kuò)容。因此充電站本質(zhì)上是將配套本錢外部化給了電網(wǎng)，因此計算其全工業(yè)鏈本錢時還要添加電網(wǎng)端的本錢。一般商業(yè)化運營的充電站至少都要抵達(dá)1小時快充的標(biāo)準(zhǔn)，對應(yīng)10個充電樁組成的充電站的功率都要抵達(dá)600千瓦，相當(dāng)于上百戶家庭的用電負(fù)荷，對電網(wǎng)負(fù)荷的沖擊極大。對應(yīng)電網(wǎng)需求新增出資120萬元來擴(kuò)容負(fù)荷，但每年新增售電量只需93萬度，依照0.65元/度購電本錢，電網(wǎng)端15年回收出資測算，則價格要在本錢基礎(chǔ)上添加0.18元/度。
出售端本錢測算
加油站的出售網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)已非常成熟，其每小時的贏利水平可以作為加注站合理酬謝的測算基準(zhǔn)。對應(yīng)加氫站每方價差為0.51元，鋰電池每度電則為4.9元。該電價情況下，鋰電池車根柢無法推廣?，F(xiàn)在國家規(guī)定充電站服務(wù)費上限為0.4元/度，但其布景是給予了許多補(bǔ)助。但沒有任何工業(yè)可以長時間依托補(bǔ)助來開展，未來假設(shè)鋰電池的充電功率不顯著進(jìn)步，在加注站這個環(huán)節(jié)，企業(yè)的盈利水平會大幅低于加油站和加氫站。沒有合理酬謝，在現(xiàn)在寸土寸金的大城市，出資者根柢沒有任何鼓勵去推廣充電站，工業(yè)天然也無法開展。但鋰電池低能量密度過低，假設(shè)強(qiáng)行完結(jié)高充電功率，電池循環(huán)壽數(shù)面臨的工程挑戰(zhàn)就會非常巨大。而且即便能完結(jié)3分鐘快充，但對應(yīng)單個充電樁的功率要高達(dá)1200千瓦，每個充電站都要配套一個110千伏變電站。其出資高達(dá)5000萬元，占地5000平米，且周圍300米還不能有居民樓，關(guān)于現(xiàn)在沿海大城市在操作層面上挑戰(zhàn)也很大。
總計本錢
概括上述一切本錢，汽油車、鋰電池車、現(xiàn)階段和充分商業(yè)化后燃料電池車的百公里本錢為58、83、23和20元。由于出價格差占鋰電池本錢比重很高，我們考慮到充電樁設(shè)備出資是加氫站的1/3，將其小時贏利降至1.4元，概括本錢也還有37元，燃料電池車長時間本錢優(yōu)勢仍然非常明顯。其實這一切的本源還在于燃料電池能量密度最高，相等商業(yè)化情況下，本錢天然具有優(yōu)勢。
新動力車開展的一個重要邏輯就是節(jié)能環(huán)保，這對我國無疑更為重要?，F(xiàn)在我國不但空氣污染嚴(yán)峻，而且石油進(jìn)口依存度高達(dá)60%，其中85%還要通過美國控制的馬六甲海峽，動力安全已成為我們國家安全的最大軟肋。因此國家給予新動力車巨額補(bǔ)助，一個重要原因就是為了緩解對石油的進(jìn)口依存度。那么下文我們就從節(jié)能、環(huán)保和資源捆綁等方面臨兩者進(jìn)行比較，詳細(xì)如下：
節(jié)能環(huán)保比較
燃料電池材料氫氣在我國現(xiàn)在最經(jīng)濟(jì)的手段是煤制氫，鋰電池的材料電力，在我國也首要來自于煤炭發(fā)電。因此這兩者本質(zhì)上能量都來自于煤炭，碳排放只不過是轉(zhuǎn)移給了上游，因此是否節(jié)能，首要就是看能量轉(zhuǎn)化功率?，F(xiàn)在鋰電池車每百公里耗電17度，對應(yīng)6.8公斤煤炭;燃料電池每百公里耗氫9方，儲運環(huán)節(jié)損耗20%，對應(yīng)煤炭為7.3公斤;汽油車每百公里耗油10L，碳排放相當(dāng)于10公斤煤炭。其實新動力車的節(jié)能作用都不明顯，其中心價值仍是在于將一次動力消耗從石油轉(zhuǎn)化為我國儲量豐富的煤炭，緩解了動力安全問題。而從環(huán)?？?，燃料電池幾乎沒有尾氣排放，鋰電池也只需少量排放，全工業(yè)的污染首要會集在上游。但比起處理渙散的汽油車尾氣排放，上游的會集治
氫燃料電池
氫燃料電池是使用氫這種化學(xué)元素，制造成儲存能量的電池。其基本原理是電解水的逆反應(yīng)，把氫和氧分別供給陽極和陰極，氫通過陽極向外擴(kuò)散和電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)后，放出電子通過外部的負(fù)載到達(dá)陰極。
氫燃料電池特點無污染燃料電池對環(huán)境無污染。它是通過電化學(xué)反應(yīng)，而不是采用燃燒（汽、柴油）或儲能（蓄電池）方式－－最典型的傳統(tǒng)后備電源方案。燃燒會釋放象COx、NOx、SOx氣體和粉塵等污染物。如上所述，燃料電池只會產(chǎn)生水和熱。如果氫是通過可再生能源產(chǎn)生的（光伏電池板、風(fēng)能發(fā)電等），整個循環(huán)就是徹底的不產(chǎn)生有害物質(zhì)排放的過程。
無噪聲燃料電池運行安靜，噪聲大約只有55dB，相當(dāng)于人們正常交談的水平。這使得燃料電池適合于室內(nèi)安裝，或是在室外對噪聲有限制的地方。
高效率燃料電池的發(fā)電效率可以達(dá)到50%以上，這是由燃料電池的轉(zhuǎn)換性質(zhì)決定的，直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，不需要經(jīng)過熱能和機(jī)械能（發(fā)電機(jī)）的中間變換。
氫燃料電池和鋰電池分析
氫燃料電池和鋰電池比較分析
全球能源格局臨近大變革前夜
那么問題來了，氫燃料電池既然有如此多的優(yōu)勢，可到目前為止，為何遲遲不能全面普及？
首先，加氫站面臨的一些問題，阻礙了燃料電池的發(fā)展。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，目前加氫站的前期運營成本，僅加氫設(shè)備就需要投入一千萬左右。由于目前市面上氫燃料汽車數(shù)量較少，沒有一定數(shù)量的氫燃料電池汽車支撐加氫站經(jīng)營，加氫站想要盈利，極為困難。再加上前期投入大，回報周期又過長，配套設(shè)施的匱乏，審批流程的繁雜。這一系列的問題，直接導(dǎo)致了氫燃料電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
其次，氫氣的成本問題依舊是阻礙氫燃料電池發(fā)展的瓶頸。盡管目前我國制氫技術(shù)已經(jīng)相對成熟，但由于國內(nèi)市場需求量較少，氫氣的價格依然還很昂貴。據(jù)了解，目前氫氣的價格成本是40元。而汽油的價格是7元左右，鋰電池的價格是6元左右。
最后，產(chǎn)業(yè)鏈的不完善也是阻礙燃料電池發(fā)展的一個因素。行業(yè)的規(guī)?；?、健康化發(fā)展，除了生產(chǎn)領(lǐng)域能提供完整、安全的產(chǎn)品外，還需要市場的需求量提供“動力”，只有當(dāng)市民大眾接受氫燃料電池汽車，認(rèn)識到這種車的優(yōu)越性，自愿去購買使用這種車，才能讓生產(chǎn)方積極改善技術(shù)并大規(guī)模生產(chǎn)，這樣技術(shù)更新才會走上正軌，生產(chǎn)成本才能下降至合理區(qū)間，行業(yè)市場才能正常地運轉(zhuǎn)起來。
縱觀人類歷史，文明的進(jìn)步本質(zhì)上就是能量輸出強(qiáng)度的進(jìn)步。早期的農(nóng)業(yè)文明，動力以人畜、木柴等生物能為主，輸出功率非常有限，還受到土地承載能力的限制，經(jīng)濟(jì)只能在低水平不斷循環(huán);18世紀(jì)工業(yè)革命后，隨著蒸汽機(jī)和內(nèi)燃機(jī)的推廣，基礎(chǔ)能源變?yōu)橐悦禾俊⑹蜑榇淼幕茉?，能量密度提升了上百倍，GDP也終于突破了“馬爾薩斯陷阱”的束縛，呈現(xiàn)了指數(shù)型的增長。目前全球能源結(jié)構(gòu)為原油33%，天然氣24%、煤炭30%，核電4%、水電7%和新能源2%，化石能源居于絕對主導(dǎo)地位。但展望未來，我們判斷人類能源結(jié)構(gòu)已經(jīng)到了再次大變革的前夜，石油將有望在30年內(nèi)被全面替代，以燃料電池為代表的氫能源將成為新的主導(dǎo)能源！
