你知道燃料電池汽車應(yīng)用難在哪嗎？燃料電池歷史及分類解讀！
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-03-31 09:41
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燃料電池是和太陽(yáng)能電池齊名的新興電池技術(shù)領(lǐng)域，它是一種將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，那么燃料電池如何分類，燃料電池汽車應(yīng)用難在哪？
1、燃料電池歷史及分類？
燃料電池最早由英國(guó)Grove在1839年發(fā)明，他用以鉑黑為電極催化劑的氫氧燃料電池點(diǎn)亮倫敦演講廳的照明燈，燃料電池名稱則是由Mood和Langer在1889年首先采用，燃料電池按照工作溫度不同，可分為低溫燃料電池和高溫燃料電池，低溫燃料電池又分為堿性燃料電池（AFC=100度）、固體高分子型質(zhì)子膜燃料電池（PEMFC<100度）、磷酸堿性燃料電池（PAFC=200度），高溫燃料電池則分為熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC=650度）和固體氧化型燃料電池（SOFC=1000度）。
其中AFC最早應(yīng)用于美國(guó)航天局太空計(jì)劃當(dāng)中，用于生產(chǎn)航天器中的電力和水，PAFC則是第一代商用的燃料電池，MCFC是第二代商用燃料電池，當(dāng)前研發(fā)及使用的是第三代燃料電池技術(shù)SOFC，可用于氫動(dòng)力汽車，其化學(xué)電能轉(zhuǎn)化可達(dá)65%，功率輸出為100KW/T，續(xù)航里程可達(dá)480公里以上。
2、燃料電池優(yōu)勢(shì)在哪？
燃料電池由科研走向商用，主要源于以下三大優(yōu)勢(shì)，首先是化學(xué)能轉(zhuǎn)化效率高，當(dāng)前利用碳?xì)淙剂匣瘜W(xué)能轉(zhuǎn)化率為40%,若直接利用氫氣則可達(dá)到50%以上，若發(fā)電設(shè)施與燃?xì)鉁u輪機(jī)并用，則可超過(guò)60%，若再將電池排放廢熱回收利用，則燃料能量利用率可達(dá)85%；其次是無(wú)電力傳輸?shù)目煽啃裕?a href="http://www.pdszhhs.com">燃料電池可獨(dú)立于國(guó)家電網(wǎng)之外，既能提升電力覆蓋區(qū)域，又能降低敵人癱瘓國(guó)家供電系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn);再者是燃料多樣性，既能以氫氣為主要燃料，又能從碳?xì)浠衔锘虼碱惾剂现休腿〕鰵湓丶右允褂茫瑫r(shí)還能利用太陽(yáng)能及風(fēng)能等可再生能源提供電力，將水電解成氫氣，再供燃料電池使用。
3、燃料電池汽車應(yīng)用難在哪？
燃料電池汽車是日本車企主推的技術(shù)路線，其應(yīng)用難主要體現(xiàn)在三個(gè)方面，首先是燃料電池成本高，其制造使用的交換隔膜及鉑觸媒均為貴重材料，由此會(huì)拉高燃料電池制造成本;其次是氫氣儲(chǔ)存及使用的安全性，氫氣高度易燃易爆，尤其是應(yīng)用于汽車行業(yè)，更像是掛著定時(shí)炸彈在出行;再者是基礎(chǔ)措施薄弱，因大自然無(wú)現(xiàn)成氫氣，碳?xì)浠衔锍思状纪舛夹枰囟ㄔO(shè)備來(lái)分解后才能獲取氫氣，以供燃料電池使用，它無(wú)法利用現(xiàn)有的電網(wǎng)體系，需要投入巨額資金，新建發(fā)氣裝置及充氣裝置等基礎(chǔ)設(shè)施。
在剛剛過(guò)去的2017年，蔚來(lái)、小鵬、車和家、威馬等多家新造車勢(shì)力紛紛推出了自家的首款量產(chǎn)車型或接近量產(chǎn)車的工程樣車，上汽、廣汽、比亞迪、北汽等傳統(tǒng)汽車廠商也不斷豐富著自己的新能源產(chǎn)品，新能源汽車領(lǐng)域可謂是風(fēng)起云涌。
經(jīng)過(guò)這一年的醞釀，在加上將會(huì)在今年4月1日正式實(shí)施的雙積分政策助力，2018年的新能源汽車市場(chǎng)注定廝殺慘烈。
當(dāng)然了，繁榮的景象掩蓋不了新能源汽車所面臨的階段性問(wèn)題，最大的問(wèn)題便是動(dòng)力電池的續(xù)航以及充電問(wèn)題，這也是目前制約新能源汽車銷售的主因。某種程度上講，我們談?wù)撔履茉雌嚕举|(zhì)上就是在談?wù)撾姵?。新年伊始，我們就?lái)全方位的聊一聊現(xiàn)階段的動(dòng)力電池，種類有哪些？有什么優(yōu)缺點(diǎn)？電池安全如何來(lái)保障？各家車企如何來(lái)選擇？哪些電池供應(yīng)商讓人放心？你想知道的都會(huì)在這里。
一、我們?cè)摪央姵財(cái)[在怎樣的高度？
同內(nèi)燃機(jī)在傳統(tǒng)能源汽車上的作用一樣，電池是新能源汽車的動(dòng)力源，其重要意義不言而喻。
在純電動(dòng)汽車上，電池除了提供動(dòng)力來(lái)源外，電空調(diào)、電制動(dòng)、電轉(zhuǎn)向三小電系統(tǒng)等也全部由動(dòng)力電池來(lái)供應(yīng)能源。
在成本方面，現(xiàn)階段，電池成本占比達(dá)到了整車的 30%-40%，是三大電系統(tǒng)（電池、電控、電機(jī)）中占比最高的部分。作為對(duì)比，傳統(tǒng)能源汽車上的發(fā)動(dòng)機(jī)大概占整車成本15%左右。綜合來(lái)看，電池是決定電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航、價(jià)格、駕乘品質(zhì)的關(guān)鍵所在，每一點(diǎn)都是影響消費(fèi)者購(gòu)買意愿的重要因素。
二、動(dòng)力電池的種類以及優(yōu)缺點(diǎn)
不同電動(dòng)車的續(xù)航、價(jià)格以及充電時(shí)間不同，其中很重要的一個(gè)原因就是車輛的動(dòng)力電池種類不同。至于種類是如何劃分的，各自種類有什么特點(diǎn)，稍后再說(shuō)，我們先來(lái)看看車輛動(dòng)力電池的組成。
動(dòng)力電池常被稱作是電池包，本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，電池包就是靠一個(gè)個(gè)單個(gè)的電池芯組成的。首先，一定數(shù)量的電池芯會(huì)被組合到一起形成電池模組，然后多個(gè)電池模組再被組合到一起形成電池包。這樣的組成形式有利于對(duì)電池進(jìn)行統(tǒng)一管理與監(jiān)控，同時(shí)具有不錯(cuò)的安全性。
電池芯、電池模塊與電池包三者之間的關(guān)系。
對(duì)動(dòng)力電池有了大概的認(rèn)識(shí)之后，我們?cè)倭碾姵氐姆N類就比較清楚了。說(shuō)是電池種類，其實(shí)嚴(yán)謹(jǐn)一些應(yīng)該說(shuō)是電芯的種類。前面講到電池包是由一個(gè)個(gè)電池芯組成的，電池芯的種類就決定了電池包的形態(tài)、續(xù)航能力、充放電效果等。
首先，按照結(jié)構(gòu)劃分，電池芯可以分為圓柱電池、方殼電池以及軟包電池。目前這三種結(jié)構(gòu)電池芯在新能源車型上都有應(yīng)用，比如特斯拉旗下車型都采用圓柱電池，日產(chǎn)Leaf（聆風(fēng)）
則采用的是軟包電池。
圓柱電池、方殼電池與軟包電池典型形態(tài)。
圓柱電池應(yīng)該是我們最容易想象到的結(jié)構(gòu)，因?yàn)槿粘Ｉ钪形覀冏畛＝佑|的電池形式就是這種圓柱形。同我們常見(jiàn)的5號(hào)、7號(hào)電池類似，車用圓柱電池也具有特定的規(guī)格型號(hào)，比如18650、21700型號(hào)等，其中前兩位數(shù)字表示圓柱電池的直徑，18即代表18mm。三四位表示圓柱電池的高度，最后一位“0”則表示電池為圓柱形態(tài)。
這種圓柱電池最早是由索尼（SONY）公司設(shè)立標(biāo)準(zhǔn)并制造的，如今這種電池已經(jīng)廣泛應(yīng)用在了新能源汽車領(lǐng)域。
因?yàn)閳A柱電池具有統(tǒng)一的規(guī)格，因此設(shè)計(jì)打包成模組非常方便，但是其能量密度因?yàn)橐?guī)格限制會(huì)受到影響。
方殼電池通常指具有鋁制或鋼制外殼方形電池，這種電池沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)格限制，可以根據(jù)客戶要求進(jìn)行定制，相對(duì)來(lái)說(shuō)，這種電池能量密度較高，重量較輕，但是長(zhǎng)時(shí)間使用后其邊角處電解液化學(xué)性能退化會(huì)比較明顯，影響電池性能。
軟包電池，顧名思義其電池外殼是由一層鋁塑膜包裝而成，因此設(shè)計(jì)較為靈活，可以隨意改變形狀、薄厚，打包成模組較為靈活方便。另外，這種電池重量輕、能量密度高、循環(huán)性好。安全方面也要比方殼電池和圓柱電池要高，是目前發(fā)展?jié)摿^大的一種電池結(jié)構(gòu)。
采用軟包電池的日產(chǎn)Leaf電池組，可以看到其電池模塊并不統(tǒng)一，擺放方向也不一致，電池包呈現(xiàn)出來(lái)的形態(tài)呈現(xiàn)不規(guī)則形。
上面是按照電池的形態(tài)劃分，如果按照電池材料劃分的話，電芯有磷酸鐵鋰、鎳鈷錳三元鋰等不同類型，這里的材料指的是電池的正極材料，負(fù)極材料目前主要以石墨為主，硅碳負(fù)極因?yàn)槟軌驑O大拓展電池能量密度因此具有很高的關(guān)注度，是目前電池發(fā)展方向之一。
拿目前常見(jiàn)的磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池對(duì)比，兩者屬于優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，一方面磷酸鐵鋰具有較高的安全性，但是其循環(huán)壽命以及能量密度都較差一些。另一方面，三元鋰電池具備較高的能量密度、循環(huán)壽命以及抗低溫衰減能力，但是其安全性相對(duì)要低一些，至今我國(guó)仍然規(guī)定三元鋰電池不能應(yīng)用在大巴等商用車上。
不過(guò)也不用擔(dān)心，無(wú)論是磷酸鐵鋰電池還是三元鋰電池，應(yīng)用之前都會(huì)經(jīng)過(guò)火燒、碰撞、穿刺等安全測(cè)試。通過(guò)合理的電池管理系統(tǒng)以及溫度控制系統(tǒng)，三元鋰電池的安全性還是可以得到保障的。
三、電池供應(yīng)商的崛起
要說(shuō)新能源汽車發(fā)展最大的受益者是誰(shuí)，那無(wú)疑是電池供應(yīng)商了。在此之前，這些電池供應(yīng)商的主要客戶是消費(fèi)電子類廠商，相比汽車廠商而言，這些客戶的需求量只能算是九牛一毛。目前全球電池供應(yīng)商主要集中在中日韓美四國(guó)，其中松下、三星SDI、LG、AESC、比亞迪、寧德時(shí)代等電池供應(yīng)商年出貨量都呈現(xiàn)逐年遞增態(tài)勢(shì)。其中寧德時(shí)代等電池供應(yīng)商更是從名不見(jiàn)經(jīng)傳的“小廠”躋身行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者。
華晨寶馬首款高端純電動(dòng)車“之諾1E”的動(dòng)力電池系統(tǒng)由寧德時(shí)代和寶馬共同開(kāi)發(fā)，由寧德時(shí)代制造，與寶馬的合作讓寧德時(shí)代聲名鵲起，隨后大眾、北汽、上汽等汽車廠商紛紛尋求合作。
面對(duì)崛起的電池供應(yīng)商，大部分汽車廠商都抱以扶持和合作姿態(tài)，以謀求共贏。比如特斯拉和松下合作投資在美國(guó)建立Gigafactory超級(jí)電池工廠、上汽與寧德時(shí)代合作共建工廠、比亞迪與國(guó)軒高科合作共建工廠等，車企與電池廠商聯(lián)姻的例子舉不勝舉。
特斯拉位于內(nèi)達(dá)華州的Gigafactory工廠計(jì)劃產(chǎn)能是35GWh，這一數(shù)字相當(dāng)于2013年全球電池產(chǎn)量總和，最大產(chǎn)能實(shí)現(xiàn)之后電池成本預(yù)計(jì)可以削減30%。
在合作浪潮中也有不少例外，比如日產(chǎn)便拋售了自己控股的AESC電池公司。日產(chǎn)表示隨著電動(dòng)汽車的普及，電池行業(yè)將告別高利潤(rùn)，格局可能面臨洗牌。而從整車企業(yè)角度來(lái)看，開(kāi)放采購(gòu)而不是把控一兩家電池供應(yīng)商，技術(shù)路線上風(fēng)險(xiǎn)更低，也有利于降低成本。
