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。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，基礎能量密度是汽油的3倍，電動機的做功功率仍是內(nèi)燃機的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化史看，其本質(zhì)上就是碳氫比的調(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無疑更能代表歷史開展的方向，最有望成為下一代的基礎動力。
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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高于鋰電池，相應電池容量，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)，相應最高時速和百公里加快目標和鋰電池相差不大。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45度鋰電池車和輸出功率100KW燃料電池車作為分析基準。
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)在負極材料的能量密度遠大于正極，所以進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進步至300Wh/KG，即便抵達也只需燃料電池的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，對應汽油車油箱為30L，但電動機體積比內(nèi)燃機小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設備，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，都遠高于燃料電池。展望未來假設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發(fā)電系統(tǒng)，因此輸出功率比較穩(wěn)定，為了最大進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，真實工況下會進一步降至400次，如Telsa即便最大功率可達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，安全性關(guān)于機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500-600度時才開始分解，根柢不需求太多的保護輔助設備。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，爆炸帶來的風險，即便如此也還需求結(jié)合一套雜亂的電池保護設備。而且前期發(fā)生的幾次事端，雖然得益于Telsa的安全設計并沒有出現(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。
燃料電池由于材料氫氣易燃易爆，市場廣泛擔心其安全性問題。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氣體，氫氣的安全性并不差，乃至還略好?，F(xiàn)在車用儲氫設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，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)進步和商業(yè)化程度進步，其本錢下降的空間很大。而鋰電池假設考慮到電網(wǎng)端擴容的本錢，其實概括配套本錢還高于燃料電池，詳細測算如下：
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)動機本錢，其他組件差異不大。2L汽油車發(fā)動機本錢在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，預測年產(chǎn)50萬臺后，單位本錢將降至30美元/KW，即2萬元。現(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反應，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。假設我們以煤制氣本錢作為標準，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、設備本錢、建造本錢，不同首要體現(xiàn)在設備本錢。加油站根柢在300萬元，充電站為430萬元，加氫站以日本現(xiàn)在的標準估計為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1小時快充的標準，對應10個充電樁組成的充電站的功率都要抵達600千瓦，相當于上百戶家庭的用電負荷，對電網(wǎng)負荷的沖擊極大。對應電網(wǎng)需求新增出資120萬元來擴容負荷，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上添加0.18元/度。
出售端本錢測算
加油站的出售網(wǎng)絡現(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。對應加氫站每方價差為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)定充電站服務費上限為0.4元/度，但其布景是給予了許多補助。但沒有任何工業(yè)可以長時間依托補助來開展，未來假設鋰電池的充電功率不顯著進步，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，假設強行完結(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，但對應單個充電樁的功率要高達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峻，而且石油進口依存度高達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助，一個重要原因就是為了緩解對石油的進口依存度。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行比較，詳細如下：
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%，對應煤炭為7.3公斤;汽油車每百公里耗油10L，碳排放相當于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，把氫和氧分別供給陽極和陰極，氫通過陽極向外擴散和電解質(zhì)發(fā)生反應后，放出電子通過外部的負載到達陰極。
氫燃料電池特點無污染燃料電池對環(huán)境無污染。它是通過電化學反應，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，直接將化學能轉(zhuǎn)換為電能，不需要經(jīng)過熱能和機械能（發(fā)電機）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，配套設施的匱乏，審批流程的繁雜。這一系列的問題，直接導致了氫燃料電池產(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)模化、健康化發(fā)展，除了生產(chǎn)領域能提供完整、安全的產(chǎn)品外，還需要市場的需求量提供“動力”，只有當市民大眾接受氫燃料電池汽車，認識到這種車的優(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，文明的進步本質(zhì)上就是能量輸出強度的進步。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)濟只能在低水平不斷循環(huán);18世紀工業(yè)革命后，隨著蒸汽機和內(nèi)燃機的推廣，基礎能源變?yōu)橐悦禾?、石油為代表的化石能源，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能源！
