鉅大LARGE | 點擊量：2759次 | 2018年05月06日
氫燃料電池和鋰電池比較分析
“鋰電池”，是一類由鋰金屬或鋰合金為負極材料、使用非水電解質溶液的電池。1912年鋰金屬電池最早由GilbertN.Lewis提出并研究。20世紀70年代時，M.S.WhitTIngham提出并開始研究鋰離子電池。由于鋰金屬的化學特性非?；顫?，使得鋰金屬的加工、保存、使用，對環境要求非常高。所以，鋰電池長期沒有得到應用。隨著科學技術的發展，現在鋰電池已經成為了主流。
鋰電池大致可分為兩類：鋰金屬電池和鋰離子電池。鋰離子電池不含有金屬態的鋰，并且是可以充電的?？沙潆婋姵氐牡谖宕a品鋰金屬電池在1996年誕生，其安全性、比容量、自放電率和性能價格比均優于鋰離子電池。由于其自身的高技術要求限制，現在只有少數幾個國家的公司在生產這種鋰金屬電池。
氫燃料電池和鋰電池分析
氫燃料電池
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
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發生反應后，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，燃料電池只會產生水和熱。如果氫是通過可再生能源產生的（光伏電池板、風能發電等），整個循環就是徹底的不產生有害物質排放的過程。
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電效率可以達到50%以上，這是由燃料電池的轉換性質決定的，直接將化學能轉換為電能，不需要經過熱能和機械能（發電機）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
縱觀人類歷史，文明的進步本質上就是能量輸出強度的進步。早期的農業文明，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，經濟只能在低水平不斷循環;18世紀工業革命后，隨著蒸汽機和內燃機的推廣，基礎能源變為以煤炭、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，呈現了指數型的增長。目前全球能源結構為原油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構已經到了再次大變革的前夜，石油將有望在30年內被全面替代，以燃料電池為代表的氫能源將成為新的主導能源！
石油時代將被全面替代
農耕文明發展后期面臨的最大問題就是，有限的土地資源最終無法支撐人口進一步的增長?；茉醋鳛椴豢稍偕Y源，同樣面臨著資源稀缺性的制約。按照過去20年的消費增速線性外推，全球已探明石油儲量只能支撐30年，即使技術進步能將石油壽命再延續幾十年，但總還是有用光的一天，相對于人類還要持續至少千年的歷史，仍然沒有意義。而且考慮到目前勘探程度已經很充分，在發現低成本大油田的概率很低，潛在供給的開采成本會越來越高。這最終也會刺激替代能源商業化的大幅提速，如現在鋰電池車的發展就已經如火如荼，因此經濟意義上的石油枯竭恐怕還會來的更早。未來誰能全面替代石油，成為新一代的車用燃料就成為非常關鍵的問題。
燃料電池vs鋰電池誰將勝出
目前替代石油車的主流技術路線就是鋰電池和燃料電池。燃料電池最大優勢就是能量密度高，是鋰電池的120倍。但鋰電池起步早，商業化程度更高，整車成本也更低，且充電可以利用現有的電網系統，相比燃料電池整個加氫和供氫的配套網絡都要從頭建設，成本也要更低。因此這兩者的競爭核心就是能量密度vs成本的競爭。成本下降是個工程問題，可以通過商業化來解決，而能量密度面對的卻是基礎科學領域的瓶頸，基本上是無解。因此本質上兩者的區別是“道與術”的區別，長期看，燃料電池無疑潛力更大，也最有望成為下一代車用基礎能源。
能量密度提升是主線邏輯
人類歷史上每一次成功的能源變革，都有一個清晰的主線邏輯，就是能量密度出現數量級上的躍升。如煤炭比木柴高160倍，石油比煤炭也要高2倍。新能源只有具備能量密度上碾壓性的優勢，才有能力顛覆傳統能源憑借著長期發展建立起來的完善的基礎網絡和工業配套，并逆轉其巨大的使用慣性。這也有些類似英爾特創始人格魯夫在IT領域提出的10倍速原理，即能夠成功顛覆的新技術一旦出現，基本就是星火燎原、勢不可擋。如汽油車比電動車出現要晚20年，早期技術也更為不成熟，但還是憑借著能量密度高的優勢，摧枯拉朽般的替代了電動車。
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，尚不足1%，核心就在于過往的電動車都違反了能量密度提升這個能源變革的主線邏輯。哪怕是最新一代的鋰電池車，其能量密度極值也只有汽油的1/40，行業自然遲遲無法出現10倍速的改進。但燃料電池的出現卻徹底改變了這一現狀。其以氫氣為原料，基礎能量密度是汽油的3倍，電動機的做功效率還是內燃機的2倍，實際密度是汽油的6倍，優勢明顯。而且從人類過去百年的能源進化史看，其本質上就是碳氫比的調整史，氫含量越高，能量密度越高，未來從碳能源轉向氫能源是大勢所趨，因此采用氫能源的燃料電池無疑更能代表歷史發展的方向，最有望成為下一代的基礎能源。
機動車性能主要為續航能力、充電/充氫時間、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，快充能力和續航里程就具備了天然的優勢，即使是和鋰電池的頂級豪車Tesla相比也是大幅領先。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，相應最高時速和百公里加速指標和鋰電池相差不大。為了便于比較，我們下文選取目前主流的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，是個封閉體系，電池只是能量的載體，必須提前充電才能運行，其能量密度取決于電極材料的能量密度。由于目前負極材料的能量密度遠大于正極，所以提高能量密度就要不斷升級正極材料，如從鉛酸、到鎳系、再到鋰電池。但鋰已經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有純鋰電極，但能量密度其實也只有汽油的1/4，而且商業化的技術難度極大，幾十年內都無望突破。因此鋰電池能量密度提升受制于理論瓶頸，空間非常有限，最多也就是從目前的160Wh/KG提高至300Wh/KG，即使達到也只有燃料電池的1/120，可謂輸在起跑線上。
體積能量密度比較
燃料電池的原料氫氣主要缺點就是體積能量密度不高，現在基本上是采用加壓來解決這個問題。按照現行的700個大氣壓的加壓模式，其體積能量密度是汽油1/3。同樣跑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主流技術路線，代表企業為Tesla和比亞迪。三元能量密度更高，但安全性差，需要輔助的安全保護設備，跑300公里所需的兩種電池體積分別為140L和220L，重量為0.4噸和0.6噸，都遠高于燃料電池。展望未來如果儲氫合金和低溫液態儲氫技術能夠突破，燃料電池體積能量密度將分別增加1.5倍和2倍，優勢會更為明顯。
功率密度比較
燃料電池本質上可以理解為以氫氣為原料的化學發電系統，因此輸出功率比較穩定，為了最大提高放電功率必須附加動力電池系統，如豐田Mirai就是配套鎳氫電池。但作為一個開放的動力系統，其能量來自于外部輸入，附加的鎳氫電池不需要考慮儲能的問題，只要5-8度就能滿足需求，對電池壽命的要求也不高，在真實工況下的使用限制很少。鋰電池雖然理論放電效率很高，但為了不傷害電池壽命，使用限制很多。在充滿電的情況下不能大倍率放電，快速放電只適用0-80%這個區間。即使如此，以5C倍率放電，實驗室中的電池循環壽命也會縮短到只有600次，真實工況下會進一步降至400次，如Telsa即使最大功率可達310KW，但實際放電倍率也只有4C。而且鋰電池作為能量密度不高的封閉儲能體系，高功率放電和高續航里程基本很難兼容，除非大幅提升電池重量。即使Tesla采用了目前能量密度最好的三元電池，其電池組件重量都接近半噸。
氫燃料電池和鋰電池分析
安全性比較
除了上述指標，安全性對于機動車來說無疑也非常關鍵。鋰電池作為封閉的能量體系，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。因此現在主流工藝路線中，能量密度低的磷酸鐵鋰安全性卻較好，電池溫度達到500-600度時才開始分解，基本不需要太多的保護輔助設備。Telsa采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。其解決方法是并聯了超過7000節電池，大幅降低了單個電池漏液，爆炸帶來的危險，即使如此也還需要結合一套復雜的電池保護設備。并且前期發生的幾次事故，雖然得益于Telsa的安全設計并沒有出現人員傷亡，但就事故本身而言，其實都是非常輕微的碰撞，車身也沒有收到什么傷害，但電池卻著火了，也側面反映了其安全性上天然的劣勢。
燃料電池由于原料氫氣易燃易爆，市場普遍擔心其安全性問題。但如我們下表的數據，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，甚至還略好?，F在車用儲氫裝置都采用碳纖維材料，在80KM/h速度多角度碰撞測試中都可以做到毫發無損。即使車禍導致泄露，由于氫氣爆炸要求濃度高，在爆炸前一般就已經開始燃燒，反而很難爆炸。而且氫氣重量輕，溢出系統的氫氣著火后會迅速向上升起，反而一定程度上保護了車身和乘客。而汽油為液態，鋰電池為固態，很難在大氣中上升，燃燒都在車艙底部，整車會迅速著火報廢。氫氣儲運環節其實和LNG非常類似，只是所需壓力更大，隨著商業化推進，其整體安全性也還是可控的。
電池車的成本主要分為整車成本、原料成本、配套成本。目前對燃料電池詬病最多就是成本太高，但用發展的眼光看，隨著技術進步和商業化程度提高，其成本下降的空間很大。而鋰電池如果考慮到電網端擴容的成本，其實綜合配套成本還高于燃料電池，具體測算如下：
整車成本比較
鋰電池、燃料電池和傳統汽油車，整車成本的差異主要體現在發動機成本，其他組件差異不大。2L汽油車發動機成本在3萬元左右，未來也很難有太大的變化?，F有鋰電池的度電成本為1200元/kWh，未來有望降至1000元/kWh，45度電動車，電池成本為4.5萬元。燃料電池成本主要是電池組和高壓儲氫罐，現在100kw電池組成本為10萬元，預測年產50萬臺后，單位成本將降至30美元/KW，即2萬元?，F有儲氫罐成本為6萬元，未來有望降至3.5萬元，總成本為5.5萬元。長期看三種動力體系的成本相差不大，可見整車成本并不是核心問題。
原料成本比較
2L汽油車百公里耗油為10升，5.8元/L的汽油售價，成本為58元。鋰電池車百公里耗電量為17度，0.65元/度電成本，成本11元。燃料電池百公里消耗氫氣9方，制氫方式主要分為電解水或者化學反應，如煤制氫、天然氣制氫等。電解水成本主要是電，平均5度電1方氫氣，成本約為3.8元/方，但可以在加氫站直接電解，省掉運輸費用。如果采用化石能源大規模集中生產，國內成本最低的是煤制氫氣，約為1.4元/方，北美則可利用廉價的天然氣，成本在0.9元/方。如果我們以煤制氣成本作為標準，百公里原料成本12.6元，和鋰電池差別不大。
配套成本比較
加氫站、加油站、充電站成本主要分為土地成本、設備成本、建設成本，差別主要體現在設備成本。加油站基本在300萬元，充電站為430萬元，加氫站以日本目前的標準預計為1500萬元，整體上加氫站成本要高1000萬元左右。按照15年折舊，每年銷氣量1000萬方，則折舊成本為0.1元/方。小規模時氫氣一般以槽罐車運輸，預計運費為0.44元/方，規模擴大后則可采用管網運輸，成本會下降至0.23元/方。
雖然鋰電池現階段依托于現成的電網系統，配套成本很低。但如果大規模推廣，現有電網的容量冗余基本都將被耗盡，未來必須要大規模擴容。因此充電站本質上是將配套成本外部化給了電網，因此計算其全產業鏈成本時還要添加電網端的成本。一般商業化運營的充電站至少都要達到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達到600千瓦，相當于上百戶家庭的用電負荷，對電網負荷的沖擊極大。對應電網需要新增投資120萬元來擴容負荷，但每年新增售電量只有93萬度，按照0.65元/度購電成本，電網端15年收回投資測算，則售價要在成本基礎上增加0.18元/度。
銷售端成本測算
加油站的銷售網絡已經非常成熟，其每小時的利潤水平可以作為加注站合理回報的測算基準。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，鋰電池車基本無法推廣。目前國家規定充電站服務費上限為0.4元/度，但其背景是給予了大量補貼。但沒有任何產業可以長期依靠補貼來發展，未來如果鋰電池的充電效率不顯著提升，在加注站這個環節，企業的盈利水平會大幅低于加油站和加氫站。沒有合理回報，在目前寸土寸金的大城市，投資者根本沒有任何激勵去推廣充電站，產業自然也無法發展。但鋰電池低能量密度過低，如果強行實現高充電效率，電池循環壽命面對的工程挑戰就會非常巨大。而且即使能實現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。其投資高達5000萬元，占地5000平米，且周圍300米還不能有居民樓，對于現在沿海大城市在操作層面上挑戰也很大。
總計成本
綜合上述所有成本，汽油車、鋰電池車、現階段和充分商業化后燃料電池車的百公里成本為58、83、23和20元。由于銷售價差占鋰電池成本比重很高，我們考慮到充電樁設備投資是加氫站的1/3，將其小時利潤降至1.4元，綜合成本也還有37元，燃料電池車長期成本優勢仍然非常明顯。其實這所有的根源還在于燃料電池能量密度最高，同等商業化情況下，成本自然具備優勢。
新能源車發展的一個重要邏輯就是節能環保，這對我國無疑更為重要。目前我國不但空氣污染嚴重，而且石油進口依存度高達60%，其中85%還要經過美國控制的馬六甲海峽，能源安全已成為我們國家安全的最大軟肋。因此國家給予新能源車巨額補貼，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能、環保和資源約束等方面對兩者進行比較，具體如下：
節能環保比較
燃料電池原料氫氣在我國目前最經濟的手段是煤制氫，鋰電池的原料電力，在我國也主要來自于煤炭發電。因此這兩者本質上能量都來自于煤炭，碳排放只不過是轉移給了上游，因此是否節能，主要就是看能量轉換效率。目前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，儲運環節損耗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。其實新能源車的節能效果都不明顯，其核心價值還是在于將一次能源消耗從石油轉化為我國儲量豐富的煤炭，緩解了能源安全問題。而從環保看，燃料電池幾乎沒有尾氣排放，鋰電池也只有少量排放，全產業的污染主要集中在上游。但比起處理分散的汽油車尾氣排放，上游的集中治污無疑難度要小很多。綜合而言，燃料電池全產業鏈的污染最低，基本可以認為是最佳的綠色車用能源。
資源約束比較
燃料電池的催化劑要用到貴金屬鉑，市場普遍擔心其資源約束。2015年鉑全球總需求為270噸，主要下游為汽車尾氣清潔催化劑、首飾、工業，占比為44%、34%、22%。Mirai單車鉑消耗量約為20g，比汽油車消耗要高10-15g。假設燃料電池車占全球5%的年產量，年均消費增量為56噸左右，看似沖擊很大。但是同樣假設下，鋰資源的年均消費增量為8萬噸，對應每年4萬噸的產量其實沖擊更大，這已經從今年的鋰礦石價格暴漲得到側面證明。而且豐田中期優化目標為鉑單耗降低75%，并實現催化劑的鉑回收。上述任何一個目標實現，鉑資源約束基本就得到解決。
商業化程度比較
從商業化程度上看，燃料電池和鋰電池車大體差了5年，現在還處于商業化的前夕，預計爆發點在2020年左右。目前全球技術領先的國家為日本和美國，尤其是日本在乘用車領域幾乎是一枝獨秀，2015年量產的Mirai基本達到了商業化的入門標準。相比之下，我國在燃料電池產業化領域就建樹寥寥，只有北汽福田和上汽為08年奧運會和10年世博會生產過燃料電池大客車，還停留在技術示范階段。但我國的優勢是經濟體量大，隨著燃料電池技術的成熟，具備快速追趕的能力。
能源的未來和工業體系的重構
目前全球能量整體還是來自于太陽核聚變產生的邊緣能量，總輸出功率為1.8*1013。依照卡爾達肖夫指數，還處于行星級文明的階段。未來要繼續突破，必然要實現可控核聚變，唯此才能達到1016的恒星級文明起步條件。屆時1公斤氫的同位素就能產生上億度電力，相當于1公斤海水就抵得上300升汽油的能量，水變油也將從夢想變成現實，能量也將不再成為困擾人類發展的問題。電解水制氫成本將會極低，可控核聚變+氫能源將成為能源結構的終極組合。石油則可以從燃料這個低端領域徹底解脫出來，各種石油基原料的成本將會降至能以想象的程度，也給人類未來工業體系的重構帶來了無限可能，那將會是一個非常美好的時代！
縱觀人類歷史，每一次能源變革都會帶來整個工業體系的重構，甚至是全球領導國家的易主。第一次工業革命成就了英國、第二次工業革命成就了美國。如果燃料電池車未來能全面替代石油車，則配套石油建立的整個工業體系都將被顛覆，發達國家在過去200年內燃機時代積累起來的技術優勢的價值將大幅縮水，這也相應給了我國一個彎道超車的機會。如果我們能夠把握住這個歷史機遇，就完全有望成為下一代工業體系的領導國家。日本作為最早研發出鋰電池的國家，目前卻已基本放棄鋰電池車的研發，全力猛攻燃料電池，其背后的邏輯很值得我們深思。
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