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鼎韬见解|锂电池车VS氢燃料电池车技术路线对比分析

鼎韬产业研究院 蔡莹  |  2018年09月14日
2014年,丰田首款氢燃料电池车Mirai正式发布,加氢时间3分钟、续航里程502公里。2018年5月,李克强总理在丰田工厂考察时在Mirai前沉思许久。

  9月初,台风飞燕和6.7级地震相继发生,日本大阪、京都、札幌等多地出现大范围停水停电、交通设施瘫痪。日本向来饱受自然灾害侵袭,且自身能源相对匮乏,因此也是全球最重视新能源技术研发的国家之一。而在新能源汽车的发展路径上,日本选择了氢能源路线。2014年,丰田首款氢燃料电池车Mirai正式发布,加氢时间3分钟、续航里程502公里。2018年5月,李克强总理在丰田工厂考察时在Mirai前沉思许久。

  在我国,新能源汽车的核心技术路线是锂电池,包括比亚迪、上汽集团、北汽集团等多家公司相继推出比亚迪宋、荣威E950、北汽EV200等多款车型。那么相对于锂电池,氢能源是一个怎么样的技术路线,具有哪些特点使得日本押宝呢?

一张图带你了解氢燃料电池车

  让总理驻足沉思的氢燃料电池车究竟是何方神圣?

  氢燃料电池车是电动汽车的一种,只是将我们熟悉的“锂电池”变成“氢燃料电池”。它与锂电池的区别在于,氢燃料电池是通过补充氢气来产生电能,并依靠电动机来驱动车辆。

  简单来说氢能源汽车的基本原理就是我们高中时期的电解水的逆反应试验,即通过氢和氧气结合,产生出电能和水,其中电能就输出供车辆使用,水则排出车外。

  虽然原理简单,但真正将氢燃料电池技术应用到Mirai车型上,丰田用了20年的时间。单单燃料电池这一部分,丰田就拥有5680个专利,涵盖燃料电池堆专利、高压储氢罐专利、燃料电池系统控制专利以及加氢站技术专利等。直到2014年12月15日,相关技术验证才得以完成并在日本正式上市。与此同时,丰田斥资200亿日元(约合人民币10.4亿)用于提高氢燃料电池和燃料箱产能。

  那么氢燃料电池车和锂电池车性能对比如何?

  对氢燃料电池车有了初步了解后,我们将从技术、安全、成本三个角度来对比分析其与锂电池车的具体差异。

  一、技术角度

  (一)、加注时长对比

  单从加注时长的角度进行评估,氢燃料电池用时为3分钟至20分钟不等,锂电池快充情况下需要半小时可以充至80%。

  (二)、能量密度对比

  能量密度决定车辆续航里程和整车重量。

  作为蓄电池的一种,锂电池需要提前充电才能运行,其能量密度取决于电极材料的能量密度。而锂已经是原子量最小的金属元素,想要再开发比锂离子更好的材料,技术难度极大。可以测算的情况是从目前的160Wh/KG提高至未来的300Wh/KG。

  氢燃料电池区别于锂电池最明显的一点是其不直接存储电能,而是要通过燃料储存的化学能转化为机械能,驱动车辆运行。加上氢是目前地球上已知能量密度最高的元素之一,其单位热值约为汽油的 3 倍。随着研发技术的不断进步,理论上氢能转电能的转化效率可以做到接近100%,电动机把电能转化成机械能的能量转化效率在90%以上。因此与锂电池相比,氢燃料电池在能量密度方面是有优势的。也因为这一优势,让氢燃料电池车的小型化轻量化和高新能化成为可能。这也是为什么氢燃料电池车的续航里程可以达到1000公里的原因。

  二、安全角度

  (一)环境污染

  研发新能源汽车的核心原因之一就是控制和降低环境污染。本身无论氢燃料电池车还是锂电池汽车都是耗电无污染的,但是我们进一步研究产业链上下游,发现情况并非如此。锂电池汽车产业链上游涉及到锂电池生产的必要原材料资源锂矿、钴矿和石墨矿的开采以及正极材料、负极材料、电解液和隔膜等的加工制作,都会对环境造成一定的影响。近年来随着锂电池的广泛应用,以石墨为代表的原材料开采制造不当引发的污染问题也愈演愈烈,石墨制造过程中排放含大量重金属的强酸性污水,污染农田及饮用水,同时石墨粉尘漂浮至空中还会引起“黑雨”和雾霾现象。

  除上游开采的问题,锂电池回收问题也引发强烈关注。据业内研究机构预测,到2020年锂电池的报废量将超过24.8万吨,约为2016年报废量的20倍。锂电池中含镍、钴、锰等重金属,回收处置不当将会引发爆炸、有机物废气排放等多种问题。

  反观氢燃料电池,主要通过热化学重整、电解水和光解水三种方式制氢。不会像锂电池上游产业一样在制造过程中产生明显污染情况,较为环保。

  (二)安全性

  锂电池的安全性主要取决于电化学体系以及电极/电芯的结构、设计和生产工艺等内在因素。由于锂电池的高能量密度和安全性很难兼容,在使用过程中温度控制尤为重要。相比一般可以在商店内买到的电池裸芯,按照锂电行业规定,锂电池芯生产商只会向经过授权的Pack公司销售自己的电芯,再由Pack公司将电芯与保护板封装成电池包出售给电器生产商,而且电池包必须与专用的充电器搭配严格按照规定的方法使用。这种特殊商业模式背后的逻辑,主要就是基于锂电的安全性考量。

  相对于锂电池,氢燃料电池的安全评价有很大不同,主要通过燃料电池电堆和储氢系统这两部分进行考虑。

  燃料电池电堆:电堆的安全控制主要有两个方面,一个是电池组的保护,需要在检测到电压和温度异常之后,可以在极短时间内切断氢气和空气的供给,从而避免事故的发生。

  储氢系统:储氢系统最大的安全隐患是当气瓶在外力作用下发生破损而引发的氢气泄露。电堆自身或与车身金属件之间的碰撞摩擦可能产生火花而引爆泄漏的氢气,很多人不建议使用氢燃料电池也是基于这个原因。不过,包括丰田在内的一些氢燃料车研发企业已相继推出适合自己的解决方案。比如丰田Mirai会在氢罐上配备“易熔塞”,在车辆着火时易熔塞受热熔化,会使阀门打开并在2分钟内强制排出氢气,以确保不会带来更进一步的危害。

  三、成本角度

  (一)整车成本比较

  锂电池车和氢燃料电池车整车成本差异主要体现在电池组成本方面。

  一台普通A级锂电池电动汽车,搭配25KWh电池组的成本约为7万元左右。相对而言,氢燃料电池车由于受电池组和高压储氢罐两方面成本因素的影响,成本始终居高不下。尽管随着整车关键零部件愈加规模化,相关预测显示到2020年氢燃料电池车的整车成本有望降至140万元,2025年进一步降至90万元,2030年到60万元,但是相对于锂电池汽车依然较高。

  (二)配套成本比较

  新能源汽车的另一项核心成本则来自配套设施建设和维护。锂电池充电站主要依托电网系统,按照10台充电机的基准,包含监控、维护在内的基础设施成本约为240万元;配电成本约为192万元;运营成本约为21万元。配电设施维护成本约为配电成本的3%,为每年6万元左右。

  亚太地区作为全球最大的锂电池充电站市场,大部分充电站部署是受到中国和日本等国家的需求推动。截至2017年底,中国国内已建成锂电池公共充电桩21万个,保有量位居世界首位;同时城际高速充电站1400多个,服务3.1万公里的高速公里。

  氢气站的建设因受氢气制备和安全存储技术影响,导致加氢站建设成本居高不下,且氢气站的建设目前全球范围内仍没有统一标准。根据现有数据显示,截至2017年1月,全球正在运营的加氢站共计274座,其中188座加氢站向公共开放,占全球总加氢站数的2/3。从分布情况看:106座位于欧洲,101座位于亚洲,64座位于北美,2座位于南美,1座位于澳大利亚。从增幅情况看,日本新增45座,位列加氢站增长数榜首。

日本加氢站政府补贴情况

  鉴于日本氢燃料电池车的销售数据不断攀升,日本政府多年来持续对加氢站建设进行投入。根据不同规模的加氢站,日本政府补贴力度从853万-1640万人民币不等。预计到2030年,日本加氢站数量将达到900个,到2050年加氢站逐步替代加油站。

  相比日本,我国加氢站并未普及,且建设原因多为大型赛事配套,赛事结束后即被拆除。截至目前仍在运营的加氢站共有四座,分别位于上海、北京、郑州、深圳。建设一座氢气站的费用约在1000万元左右,对加氢能力不少于200公斤/日的加氢站可给予400万元补贴。

  国内氢燃料电池车距离商业化运行还有多远?

  从资源、环保等角度出发,世界范围内都十分重氢能的发展,目前氢能和燃料电池已在一些细分领域初步实现了商业化。

除开篇我们介绍的日本外,很多欧美国家也制定了氢能发展战略和详细计划并持续推进。

  欧盟

  早在2003年,欧盟就已发布“氢发展构想报告和行动计划”,计划到2030年氢燃料汽车比例达到15%,2040年翻番;为推动计划开展,还创立了欧洲氢燃料电池合作组织,进行大规模的氢燃料电池公共汽车示范试验等,从2002年6月到2006年7月长期进行证实性产品生命周期分析和对氢燃料供应设施建设的运用验证,应用多种不同的氢加注装置,为今后动态地实用化做准备。

  美国

  美国已将氢能源和氢燃料电池确定为维系经济繁荣和国家安全的技术之一,长期重视氢能与氢燃料电池技术的发展,各级政府均提供大量资金资助科研机构进行氢能的研发。

  中国也于2017年提出要逐步扩大氢燃料电池汽车试点示范范围。预计在2017-2020年间,其他新能源汽车补贴“退坡”的背景下,政府对燃料电池汽车的补贴保持不变。到2020年我国氢燃料电池示范运营车辆达到1万辆。到2025年达到12万辆。截止至2030年,我国将实现氢燃料电池车的大规模推广应用,中国的公路上将会有超过100万辆的氢燃料电池车穿梭行驶。

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