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21年專注鋰電池定制

氫燃料電池汽車相比電動汽車,有哪些優勢?有哪些劣勢?

鉅大LARGE  |  點擊量:1844次  |  2020年02月21日  

早在十幾年前,我還在讀書的時候,憑借零污染、可再生、加氫快、續航足等優勢,氫燃料電池技術在理論上完爆石油與鋰離子電池,被譽為車用能源的終極形式。


美中不足的是,氫燃料電池技術的產業化進度一直很慢,遲遲無法落地,經常被放在2050年這個尺度的遠景上去討論。于是我們戲謔:


是未來的完美技術,但它永遠只存在于未來!


在過去十年中,由于鋰鋰離子電池電池技術及產業化的突飛猛進,氫燃料電池技術被過度輕視。而最近一兩年,氫燃料電池又重新引起了注意,原因之一就是純電動汽車遇到了兩個硬核問題:


  • 續航卡在下一代鋰離子電池技術突破:隨著電動汽車行業的迅速崛起,消費者的選擇越來越多,相應的,對續航也會在滿足日常使用情況的要求下逐漸提高。假設若一輛純電車工況續航能達到800公里,這也許要依賴于下一代鋰離子電池技術的突破。


  • 能量密度卡在物理化學的極限:鋰離子電池能量密度太低,若以多堆電池的方法新增續航,就會造成過多能量浪費在運輸電池本身的尷尬情況,既不經濟,也不合理。在過去十年中,鋰離子電池的能量密度已經提高了2.5倍,就不能再給力一點,再提高2倍嗎?答案是很困難,因為這種涉及物理化學原理的東西,不可能遵循摩爾定律,再提升就觸碰到了安全極限,性能與安全不可兼得了。要想解決這個問題,得在鋰固態電池的技術路線上努力了。


    東方不亮西方亮。消費者在關于純電動續航里程和充電時間上的期待,不正是氫燃料電池的拿手好戲嗎?很多方面,氫燃料汽車避免了純電車的短板,反而與傳統燃油車的特性很像,例如:


  • 氫氣的能量密度比燃油大,比鋰離子電池高上百倍。我們都知道,燃油與氫氣釋放能量都是一個氧化過程,要么是原子量為12的碳被氧化、要么是原子量為1的氫被氧化。汽油柴油都是碳氫化合物,而氫氣只含氫,所以能量密度甚至更高。當然,考慮到比油箱復雜得多的儲氫系統,情況會不一樣。


  • 加氫與加油都只要三五分鐘。如此一來,車主就不必到處找充電樁,免去充電等待的時間了。當然,加氫站不像加油站到處都是,基礎設施建設是個問題。


    如此說來,在續航與充能方面,氫燃料電池車與傳統燃油車,真的很像??!只不過一個是燒油,一個是燒氫。既然這么像,咱們為啥不直接用傳統燃油車,還要開發氫燃料電池車呢?答案就是,相關于傳統燃油車,氫燃料電池車同時具有節能減排的新能源車屬性:


  • 減排:氫燃料電池的反應方程式非常簡單:氫氣+氧氣→水。不僅沒有氮氧化物這種有毒氣體,就連二氧化碳都沒有?。‘斎?,這一點與電動汽車碳排放的爭議相似,從全生命周期的角度來看,制氫是免不了有碳排放的。目前的主流觀點是:即便是考慮70%的火電,純電動汽車的碳排放還是優于燃油車,氫燃料電池車則與純電動相當或更好。


  • 可再生能源:相對地柴油汽油,氫能源最大的優勢就是可再生。除了工業副產品制氫之外,還能通過煤制氫、利用谷電電解水制氫等,全生命周期的能源效率要優于汽油柴油。退一萬步講,能源效率還不如汽油柴油,但氫能源作為可再生能源,對石油對外依賴很強的我國、日本來說,依然是很有吸引力的選項。


    和電動汽車相比,氫燃料電池車續航足、加氫快;和傳統燃油車比,氫燃料電池車又具有節能減排的屬性。雖然和兩邊比都有優勢,但普遍認為燃料電池的產業化進程,要比純電動慢5-10年,原因就在于有幾個待解決的關鍵問題:


  • 車載儲氫技術:要論同樣的重量,氫氣的能量密度不低。然而,汽油柴油在自然條件下就是液體,而氫氣要壓縮成液體,還要保證安全,就要一個挺大的儲氫系統了。目前70兆怕的儲氫系統,能量密度才每升800Wh。


  • 燃料電池技術:重要是膜電極與空壓機技術。一個是壽命問題,國內還只能做到幾千小時耐久,日本豐田已經可以做到上萬甚至幾萬小時;另外一個就是供應鏈問題,很多部件還依鋰離子電池廠家賴進口,成本大大上升。


  • 加氫站基礎設施建設:純電動汽車目前面對充電不便的基礎設施問題,氫燃料電池車也逃不過,甚至更嚴峻。純電動汽車雖然充電慢,但除了超級快充站,在家里、單位里也能慢慢充,勉強可以用。若出行特性比較規律,甚至還挺方便,畢竟在家充電也省得跑加油站了,用車成本也更低。


    『豐田氫燃料車Mirai』


    氫燃料電池車沒辦法在家里加氫,只能依賴于加氫站;而加氫站成本很高,若用戶規模不起來,那就得持續虧本運營,這種雞生蛋、蛋生雞的問題就非常難解決。所以普遍認為氫燃料電池車應該先應用在商用車上,因為商用車的路線比較規律,對加氫站數量的需求就比較小了。


    除此之外,當前的工業副產品氫的純度不夠,在進一步提純之前,無法直接用于氫燃料電池系統。


    電動汽車與氫燃料電池汽車是對立的嗎?


    對大多數人來說,氫燃料電池車可能是于2018年第一次進入公眾視野。有媒體將訪問日本豐田事件過度解讀,說國內電動汽車技術路線將改弦更張,幾千億補貼打了水漂之類的,想象力豐富。這種說法,實際上就是將氫燃料電池與電動汽車兩個技術路線對立了起來。實際情況是這樣嗎?


    首先我們看一下氫燃料電池車的工作原理


    氫燃料電池發動機,雖然叫做發動機,但并不直接輸出扭轉。更準確地說,它是一臺發電機,輸出電能驅動電機,同時也可以給鋰離子電池充電。


    這個結構圖怎么有點似曾相識?對了,這不就是串聯式混合動力汽車嗎?事實上的確如此,包括豐田Mirai在內,氫燃料電池車都是鋰離子電池+燃料電池發動機的混合體,差別只是誰的成分多一點,誰的少一點罷了。


    假如電池大一點、可外接充電,那不就成了增程式電動汽車,和李想的理想智造ONE差不多啦?其實,就是差不多,只不過李想的增程式是燒油的,而氫燃料電池車的增程器是燒氫氣的,這就是最重要的差別!


    所以說,氫燃料電池車很多情況下,也是增程式電動汽車。既然二者在技術本質上就有如此深的淵源,那么貿然地將兩個技術路線置于針鋒相對的位置,肯定是不合理的。


    理性的觀點應該是,電動汽車路線與氫燃料電池技術路線是互補的、相輔相成的。目光長遠的汽車公司,肯定不會把這兩個路線對立起來。就拿豐田來說,別看它現在力推氫燃料電池,把專利都免費公開了,心窩子都快掏出來了,但在它的戰略規劃中,氫燃料電池的份額也只是和純電動差不多。


    再舉個例子,對氫燃料電池技術不太熱衷奧迪(可以一定程度上代表是大眾集團的想法),在它的戰略規劃中,也是給氫燃料電池車一席之地的。


    插電混動、混動、純電動,傻傻分不清楚,該怎么選購呢?


    談起電動汽車,吃瓜群眾立刻就能想到蔚來、威馬、小鵬、榮威等一系列品牌,但談起氫燃料電池車,大家恐怕還沒什么印象。所以在此準備簡單介紹3家典型相關公司。


    第一家是國企,是國內規模最大、綜合實力最強的上汽。上汽啟動氫燃料電池項目較早,與清華、同濟等高校合作,在世博會上就開始試運行了。2016年的時候,推出了國內唯一一款榮威950氫燃料電池乘用車,并采用了先進的70兆帕儲氫系統。


    第二家可能有點出乎意料,這是一家造車新勢力愛馳汽車。


    事實上,其德國子公司愛馳恭博的GumpertNathalie,就是一輛甲醇燃料電池跑車。這款跑車由奧迪quattro之父RolandGumpert親自操刀設計,百公里加速2.5秒,續航1000公里。


    值得說道的是,GumpertNathalie是甲醇燃料電池,而不是氫燃料電池。甲醇燃料電池分兩種:


  • 一種是甲醇重整制氫,相當于在氫燃料電池系統前,新增了一個甲醇制氫裝置。這種甲醇燃料電池的優點是反應溫度高。


  • 另一種就是直接將甲醇替代氫氣,作為燃料電池系統的燃料。


    愛馳GumpertNathalie采用的是甲醇重整制氫的技術方案,看似是新增了系統復雜度,但在氫氣的制取、運輸與儲存等相關產業鏈問題的解決都還沒有時間表的情況下,不失為一種快刀斬亂麻的優秀方案。


    甲醇重整制氫的技術方案實際上就是將氫氣的制取、運輸與儲存等環節,都攬成自己公司的活兒了,這樣做雖然可以不依賴于產業鏈跑得更快,但系統集成與驗證的挑戰性也會更高。近日,愛馳汽車注資丹麥甲醇燃料電池系統開發商BlueWorldTechnologies,將大大加快研發速度。


    去年差不多這個時候,看到了愛馳推出GumpertNathalie,心想造車新勢力本來就資源有限,怎么還分出精力去搞只屬于未來的燃料電池技術呢。那個時候,整個行業對氫燃料電池還是偏悲觀,甚至是漠視的。沒想到一年之后,時來運轉,氫燃料電池又有成為焦點的趨勢,只能說愛馳的戰略眼光還是很犀利的。


    第三家公司不是整車公司,而是燃料電池核心零部件供應商億華通。


    億華通是依托清華大學于2004年成立的,專注于氫燃料電池技術十幾年。這十鉅大鋰電幾年間,氫燃料電池技術大局一直不景氣,億鋰離子電池華通是一直飄搖,但一直堅持搞技術研發。在讀書期間有過交集,所以我也比較熟悉,一直不太看好……


    沒想到,堅持十幾年億華通終于站在了國內技術的領頭羊位置,等到氫燃料電池技術時來運轉,又恰逢科創板創立,真的是雙喜臨門。不得不說,真是一段守得云開見天明的傳奇故事!


    東莞市鉅大電子有限公司成立于2002年,總部位于我國廣東省東莞市南城區高盛科技園,是一家為全球用戶在移動電源、儲能電源、動力電源和備用電源的個性化需求,供應特種鋰電系統定制化方案和產品的國家級高新技術公司。
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