氫燃料電池和鋰電池未來前景及優(yōu)缺點對比
來源：寶鄂實業(yè)
2020-02-27 11:25
點擊量：次
你知道為什么這個國家正在推廣氫燃料電池嗎?如果我們沒有鋰電池，為什么我們需要氫燃料電池呢?哪一個更好?其中哪一個可能是未來的權(quán)力方向?
氫燃料電池和鋰電池分析
近幾十年來，盡管各國大力推廣電動汽車，但電動汽車的比例仍然很低，不到1%。其核心是過去所有的電動汽車都違背了提高功率密度的主要邏輯。即使是最新一代的鋰離子汽車，其能量密度低至汽油的1/40，也慢了10倍。但是燃料電池的出現(xiàn)從根本上改變了這一點。以氫氣為原料，底座的能量密度是汽油的3倍，發(fā)動機的功功率是內(nèi)燃機的2倍，實際密度是汽油的6倍，具有明顯的優(yōu)勢。,從一百年人類昨天包的動態(tài)演化,其實質(zhì)是烴的歷史比調(diào)整,氫含量越高,能量密度越高,未來動力轉(zhuǎn)向氫從碳是時代的潮流,所以選擇氫燃料電池更能代表歷史的方向進行之前,的根底有望成為下一代的能力。
汽車的功能包括續(xù)航能力、充電/充氫時間、輸出功率和安全性等。燃料電池的能量密度遠遠高于鋰電池，而相應的電池容量、快速充電能力和續(xù)航里程都具有天然的優(yōu)勢，甚至可以與擁有鋰電池的尖端豪華車特斯拉相比。但其功率密度不高，最大輸出功率取決于輔助動力電池系統(tǒng)，相應的最高速度和100km加速目標與鋰電池并無不同。為了便于比較，我們選擇當前主流的2L排量汽油車、相應的45度鋰電池車和輸出功率為100KW的燃料電池車作為分析基準。
能量密度比較
鋰電池作為電池的一種，是一個封閉的系統(tǒng)。電池只是一個能量載體，所以必須提前充電才能運行。它的能量密度取決于電極數(shù)據(jù)的能量密度。由于負數(shù)據(jù)的能量密度遠高于正數(shù)據(jù)的能量密度，提高能量密度需要正數(shù)據(jù)的不斷發(fā)展，如鉛酸、鎳、鋰電池等。但是鋰現(xiàn)在是金屬元素中最小的原子。一個更好的正極理論上需要一個純鋰電極，但它的能量密度只有汽油的四分之一。因此，鋰電池能量密度的提高受到理論瓶頸的限制，空間十分有限。從目前的160Wh/KG到300Wh/KG，最多也就是燃料電池的1/120，而燃料電池在起跑線上就已經(jīng)丟失了。
體積能密度比較
氫燃料電池的主要缺點是它的能量密度不高。在目前700個大氣壓的壓力模型下，按體積計算的能量密度是汽油的三分之一。還可運行300公里，燃料電池儲氫罐容積為100L，元件為30KG，相應的汽油罐容積為30L，但電動機的容積比內(nèi)燃機的80L，總體容積差異不大。鋰電池汽車分為三元和磷酸鐵鋰兩種主流技術道路，代表企業(yè)為特斯拉和比亞迪。三元能量密度較高，但安全性較差，需要輔助安全維護設備，兩種電池之間的距離需要運行300公里是140L和220L，組件是0.4噸和0.6噸，遠遠高于燃料電池。展望未來，如果儲氫合金和低溫液氫儲存技術能夠突破，燃料電池體積能量密度將分別增加1.5倍和2倍，優(yōu)勢將更加明顯。
功率密度比較
燃料電池本質(zhì)上可以理解為一種以氫為基礎的化學發(fā)電系統(tǒng)，因此輸出功率相對穩(wěn)定。為了最大限度地提高放電功率，必須增加電源電池系統(tǒng)。例如，豐田Mirai是一款配套的鎳氫電池。然而，作為一個開放的電力系統(tǒng)，其能量來源于外部輸入。附加的鎳氫電池不需要考慮儲能問題。可滿足5-8度的需求。雖然鋰電池的理論放電功率很高，但是為了不損害電池的使用壽命，有很多限制。在充分充電的情況下不能有大的放電率，快速放電僅適用于0-80%的范圍。即便如此，當電池以5C的速度放電時，實驗室的電池周期壽命將縮短至600倍，在實際工作條件下進一步縮短至400倍。例如，即使Telsa的最大功率可以達到310KW，但實際的放電率只有4C。此外，鋰電池是一種低能量密度的關機儲能系統(tǒng)，除非電池組件大幅增加，否則很難與高功率放電和高量程基極兼容。即使特斯拉選擇了能量密度最高的最佳三元電池，其電池組件的重量也接近半噸。
安全的比較
除了上述目標，汽車安全無疑也是非常關鍵的。鋰電池是一個封閉的能源系統(tǒng)，由于其高能量密度和安全性，在原理上很難操作，否則就相當于一顆炸彈。所以現(xiàn)在在主流工藝道路上，磷酸鐵鋰具有較低的能量密度，具有較好的安全性，電池溫度在開始分異前達到500-600度，基礎不需要太多的維護輔助設備。ternals Telsa的能量密度很高，但不能抵抗高溫。它們在250度和350度之間有差別，因此不太安全。解決辦法是將7000多塊電池并聯(lián)起來，大大降低單個電池泄漏和爆炸的風險，即使這樣也需要一個雜亂的電池維護包。另外，在之前的事故中，雖然由于Telsa的安全規(guī)劃沒有造成人員傷亡，但事故本身其實是非常輕微的敲打，汽車沒有損壞，只是電池著火了，這也體現(xiàn)了安全上的自然順風。
燃料電池由于其易燃易爆的特性，充滿了安全隱患。然而，如下表所示，與汽車使用的兩種常見可燃氣體汽油蒸汽和天然氣相比，氫氣并不差，甚至稍好一些。目前，碳纖維材料已被用于汽車儲氫裝置中，這些裝置可以在時速80KM/h的多角度碰撞試驗中安然無恙。即使事故導致泄漏，由于氫氣爆炸需要高濃度，爆炸前已經(jīng)開始燃燒，但很難爆炸。另外，氫氣成分較輕，從系統(tǒng)中逸出的氫氣在火災后會迅速上升，從而在一定程度上維持了身體和乘客。汽油是液體，鋰電池是固體，難以在大氣中上升，在客艙底部焚燒，會使車輛迅速燃燒成碎片。儲氫運輸與液化天然氣非常相似，只是需要更大的壓力，而且隨著商業(yè)推廣，整體安全還是可控的。
電池車的成本分為第一輛車的成本、材料成本、配套成本?，F(xiàn)在對燃料電池最批評的是成本太高，但是隨著遠景的發(fā)展，隨著技術的進步和商業(yè)的進步，成本下降的空間是非常大的。而如果鋰電池考慮電網(wǎng)終端擴容的成本，實際上匹配成本之和高于燃料電池，具體計算如下:
車輛成本比較
鋰電池、燃料電池和傳統(tǒng)的汽油汽車，汽車成本的主要差異體現(xiàn)在發(fā)動機成本上，其他部件的差異不大。2L汽油車的發(fā)動機成本約3萬元，未來很難有太大的變化。鋰電池的kWh成本是1200元/kWh，預計未來會降低到1000元/kWh。45度電動車的電池成本為45000元。燃料電池的成本是電池組和高壓儲氫罐，現(xiàn)在100千瓦的電池成本是10萬元，預計年產(chǎn)50萬后，單位成本將降低到30美元/千瓦，即2萬元。現(xiàn)有儲氫罐的成本為6萬元，預計未來將降至3.5萬元，總成本為5.5萬元。長期來看，三種動力系統(tǒng)的成本差別不大，可以看出，整車成本并不是核心問題。
材料成本比較
2L汽油車100公里耗油10升，5.8元/升汽油價格，成本為58元。鋰電池車100公里耗電17度，0.65元/KWH的電費，11元的費用。燃料電池每100公里消耗9立方米氫氣。制氫主要包括電解水或化學反應，如煤制氫和天然氣制氫。電解水的成本首先是電，均勻的5度電1平方的氫氣，成本大約是3.8元/平方，但可以在氫氣站直接電解，節(jié)省運輸成本。假如選擇化石能源集中大規(guī)模生產(chǎn)，國內(nèi)成本最低的是煤制氫，大約為1.4元/方，北美可以使用廉價的天然氣，成本在0.9元/方。假如我們以煤制氣成本為基準，100公里材料成本為12.6元，與鋰電池相差不大。
匹配成本比較
加氫站、加油站和充電站的成本主要分為土地成本、設備成本和建設成本。加油站基地300萬元，充電站430萬元，氫氣站按照日本目前的標準預計為1500萬元，氫氣站總成本高出約1000萬元。按15年折舊，年銷售1000萬平方米，則折舊費用為0.1元/平方米。氫一般采用罐車小規(guī)模運輸，預計運費為0.44元/方，擴大規(guī)模后可選擇管網(wǎng)運輸，成本降至0.23元/方。
雖然鋰離子電池目前依賴于現(xiàn)成的電網(wǎng)系統(tǒng)，但它們的成本很低。但如果大規(guī)模實施，現(xiàn)有的電網(wǎng)容量冗余基礎將被耗盡，未來需要大規(guī)模擴容。因此，充電站本質(zhì)上是將支持成本外部化到電網(wǎng)中，因此整個產(chǎn)業(yè)鏈的成本都要加到電網(wǎng)中。一般情況下，商業(yè)運行的充電站應至少達到1小時快速充電的標準，10個充電樁組成的充電站功率應達到600 kw，相當于數(shù)百戶家庭的電力負荷，對電網(wǎng)負荷影響較大。對應于網(wǎng)格的需求追加投資120萬元擴大產(chǎn)能負荷,但每年增加電力銷售只要930000度,根據(jù)0.65元/千瓦時購買電力成本,網(wǎng)格的最后15年回收投資計算,然后價格增加0.18元/千瓦時的基礎上的成本。
銷售終端成本計算
加油站的銷售網(wǎng)絡已經(jīng)非常成熟，每小時的利潤可以作為加油站合理退貨的基準。相應加氫站每平方米的差價為0.51元，鋰電池每千瓦時的差價為4.9元。這種價格情況下，鋰電池汽車基地無法實現(xiàn)。國家現(xiàn)在將充電站的費用限制在每千瓦時0.4元，但這是在慷慨補貼的背景下。但長期以來，沒有哪個行業(yè)能夠依靠補貼來開展。未來，如果鋰電池的充電功率沒有明顯提高，企業(yè)的剩余水平將明顯低于加油站和加氫站環(huán)節(jié)。沒有合理的回報，在土地稀缺的大城市，投資者就沒有動力去推廣充電站，工業(yè)性質(zhì)也無法發(fā)展。但鋰電池低能量密度過低，如果力完成高充電功率，電池周期壽命面臨的工程戰(zhàn)將十分巨大。即使是3分鐘后
總資本
綜上所述，汽油車、鋰電池車、現(xiàn)階段純商用燃料電池車100公里后的成本分別為58、83、23和20元。因為鋰電池成本的差價銷售比例非常高,讓我們考慮一下,充電樁設備投資是1/3的加氫站,每小時利潤減少到1.4元,成本之和也37元,燃料電池汽車長時間成本優(yōu)勢仍然非常明顯。其實，這一切的根源都是燃料電池的能量密度最高，同樣商業(yè)化的情況下，成本自然優(yōu)勢明顯。
發(fā)展新汽車的一個重要邏輯是節(jié)能環(huán)保，這無疑對中國更重要?，F(xiàn)在中國不僅空氣污染嚴重，對石油進口的依賴性高達60%，其中85%還通過美國控制馬六甲海峽，電力安全已成為我國國家安全的最大弱點。對新車給予巨額補貼的主要原因之一是為了減輕對石油進口的依賴。然后從節(jié)能、環(huán)保、資源約束等方面對兩者進行比較，如下:
節(jié)能與環(huán)保的比較
燃料電池材料制氫在我國目前最經(jīng)濟的方法是煤制氫，鋰電池材料制氫，在我國也主要是從煤發(fā)電。因此，這兩種能源本質(zhì)上都是來自煤炭，碳排放只轉(zhuǎn)移到上游，所以無論是否節(jié)能，首先要看的是能源轉(zhuǎn)換動力。目前，鋰電池汽車每百公里耗電17千瓦，相當于6.8公斤煤。燃料電池每100公里消耗9立方米氫氣，儲運損耗20%，相當于7.3公斤煤。汽油車每100公里消耗10L的燃料，排放相當于10kg的煤。事實上，這款新車的節(jié)能效果并不明顯，其核心價值仍然是將電力消耗從石油轉(zhuǎn)化為中國豐富的煤炭，緩解電力安全問題。從環(huán)保角度來看，燃料電池幾乎沒有尾氣排放，鋰電池只有少量排放，整個行業(yè)的污染將集中在上游。但是，與處理分散的汽油汽車尾氣排放相比，上游污染控制無疑要容易得多。綜上所述，燃料電池是整個產(chǎn)業(yè)鏈中污染最低的，是最佳的綠色汽車動力。
