燃料电池由于原料氢气易燃易爆，市场普遍担心其安全性问题该如何解决
来源：宝鄂实业
2019-03-17 17:27
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机动车性能主要为续航能力、充电/充氢时间、输出功率和安全性等。燃料电池能量密度远高于锂电池，相应电池容量，快充能力和续航里程就具备了天然的优势，即使是和锂电池的顶级豪车Tesla相比也是大幅领先。但其功率密度不高，最大输出功率取决于辅助的动力电池系统，相应最高时速和百公里加速指标和锂电池相差不大。为了便于比较，我们下文选取目前主流的2L排气量汽油车，对应45度锂电池车和输出功率100KW燃料电池车作为分析基准。
锂电池作为蓄电池的一种，是个封闭体系，电池只是能量的载体，必须提前充电才能运行，其能量密度取决于电极材料的能量密度。由于目前负极材料的能量密度远大于正极，所以提高能量密度就要不断升级正极材料，如从铅酸、到镍系、再到锂电池。但锂已经是原子量最小的金属元素，比锂离子更好的正极材料理论上就只有纯锂电极，但能量密度其实也只有汽油的1/4，而且商业化的技术难度极大，几十年内都无望突破。因此锂电池能量密度提升受制于理论瓶颈，空间非常有限，最多也就是从目前的160Wh/KG提高至300Wh/KG，即使达到也只有燃料电池的1/120，可谓输在起跑线上。
燃料电池的原料氢气主要缺点就是体积能量密度不高，现在基本上是采用加压来解决这个问题。按照现行的700个大气压的加压模式，其体积能量密度是汽油1/3。同样跑300公里，燃料电池储氢罐体积为100L，重量为30KG，对应汽油车油箱为30L，但电动机体积比内燃机小80L，总体积相差不大。锂电池车分为三元和磷酸铁锂两种主流技术路线，代表企业为Tesla和比亚迪。三元能量密度更高，但安全性差，需要辅助的安全保护设备，跑300公里所需的两种电池体积分别为140L和220L，重量为0.4吨和0.6吨，都远高于燃料电池。展望未来如果储氢合金和低温液态储氢技术能够突破，燃料电池体积能量密度将分别增加1.5倍和2倍，优势会更为明显。
燃料电池本质上可以理解为以氢气为原料的化学发电系统，因此输出功率比较稳定，为了最大提高放电功率必须附加动力电池系统，如丰田Mirai就是配套镍氢电池。但作为一个开放的动力系统，其能量来自于外部输入，附加的镍氢电池不需要考虑储能的问题，只要5-8度就能满足需求，对电池寿命的要求也不高，在真实工况下的使用限制很少。锂电池虽然理论放电效率很高，但为了不伤害电池寿命，使用限制很多。在充满电的情况下不能大倍率放电，快速放电只适用0-80%这个区间。即使如此，以5C倍率放电，实验室中的电池循环寿命也会缩短到只有600次，真实工况下会进一步降至400次，如Telsa即使最大功率可达310KW，但实际放电倍率也只有4C。而且锂电池作为能量密度不高的封闭储能体系，高功率放电和高续航里程基本很难兼容，除非大幅提升电池重量。即使Tesla采用了目前能量密度最好的三元电池，其电池组件重量都接近半吨。
除了上述指标，安全性对于机动车来说无疑也非常关键。锂电池作为封闭的能量体系，从原理上高能量密度和安全性就很难兼容，否则就等同于炸弹。因此现在主流工艺路线中，能量密度低的磷酸铁锂安全性却较好，电池温度达到500-600度时才开始分解，基本不需要太多的保护辅助设备。Telsa采用的三元电池能量密度虽高，但不耐高温，250-350度就会分解，安全性差。其解决方法是并联了超过7000节电池，大幅降低了单个电池漏液，爆炸带来的危险，即使如此也还需要结合一套复杂的电池保护设备。并且前期发生的几次事故，虽然得益于Telsa的安全设计并没有出现人员伤亡，但就事故本身而言，其实都是非常轻微的碰撞，车身也没有收到什么伤害，但电池却着火了，也侧面反映了其安全性上天然的劣势。
燃料电池由于原料氢气易燃易爆，市场普遍担心其安全性问题。但如我们下表的数据，相比汽油蒸汽和天然气这两种常见的车用可燃气体，氢气的安全性并不差，甚至还略好。现在车用储氢装置都采用碳纤维材料，在80KM/h速度多角度碰撞测试中都可以做到毫发无损。即使车祸导致泄露，由于氢气爆炸要求浓度高，在爆炸前一般就已经开始燃烧，反而很难爆炸。而且氢气重量轻，溢出系统的氢气着火后会迅速向上升起，反而一定程度上保护了车身和乘客。而汽油为液态，锂电池为固态，很难在大气中上升，燃烧都在车舱底部，整车会迅速着火报废。氢气储运环节其实和LNG非常类似，只是所需压力更大，随着商业化推进，其整体安全性也还是可控的。
电池车的成本主要分为整车成本、原料成本、配套成本。目前对燃料电池诟病最多就是成本太高，但用发展的眼光看，随着技术进步和商业化程度提高，其成本下降的空间很大。而锂电池如果考虑到电网端扩容的成本，其实综合配套成本还高于燃料电池，具体测算如下：
锂电池、燃料电池和传统汽油车，整车成本的差异主要体现在发动机成本，其他组件差异不大。2L汽油车发动机成本在3万元左右，未来也很难有太大的变化。现有锂电池的度电成本为1200元/kWh，未来有望降至1000元/kWh，45度电动车，电池成本为4.5万元。燃料电池成本主要是电池组和高压储氢罐，现在100kw电池组成本为10万元，预测年产50万台后，单位成本将降至30美元/KW，即2万元。现有储氢罐成本为6万元，未来有望降至3.5万元，总成本为5.5万元。长期看三种动力体系的成本相差不大，可见整车成本并不是核心问题。
原料成本比较
2L汽油车百公里耗油为10升，5.8元/L的汽油售价，成本为58元。锂电池车百公里耗电量为17度，0.65元/度电成本，成本11元。燃料电池百公里消耗氢气9方，制氢方式主要分为电解水或者化学反应，如煤制氢、天然气制氢等。电解水成本主要是电，平均5度电1方氢气，成本约为3.8元/方，但可以在加氢站直接电解，省掉运输费用。如果采用化石能源大规模集中生产，国内成本最低的是煤制氢气，约为1.4元/方，北美则可利用廉价的天然气，成本在0.9元/方。如果我们以煤制气成本作为标准，百公里原料成本12.6元，和锂电池差别不大。
配套成本比较
加氢站、加油站、充电站成本主要分为土地成本、设备成本、建设成本，差别主要体现在设备成本。加油站基本在300万元，充电站为430万元，加氢站以日本目前的标准预计为1500万元，整体上加氢站成本要高1000万元左右。按照15年折旧，每年销气量1000万方，则折旧成本为0.1元/方。小规模时氢气一般以槽罐车运输，预计运费为0.44元/方，规模扩大后则可采用管网运输，成本会下降至0.23元/方。
虽然锂电池现阶段依托于现成的电网系统，配套成本很低。但如果大规模推广，现有电网的容量冗余基本都将被耗尽，未来必须要大规模扩容。因此充电站本质上是将配套成本外部化给了电网，因此计算其全产业链成本时还要添加电网端的成本。一般商业化运营的充电站至少都要达到1小时快充的标准，对应10个充电桩组成的充电站的功率都要达到600千瓦，相当于上百户家庭的用电负荷，对电网负荷的冲击极大。对应电网需要新增投资120万元来扩容负荷，但每年新增售电量只有93万度，按照0.65元/度购电成本，电网端15年收回投资测算，则售价要在成本基础上增加0.18元/度。
锂电池作为蓄电池的一种，是个封闭体系，电池只是能量的载体，必须提前充电才能运行，其能量密度取决于电极材料的能量密度。由于目前负极材料的能量密度远大于正极，所以提高能量密度就要不断升级正极材料，如从铅酸、到镍系、再到锂电池。但锂已经是原子量最小的金属元素，比锂离子更好的正极材料理论上就只有纯锂电极，但能量密度其实也只有汽油的1/4，而且商业化的技术难度极大，几十年内都无望突破。因此锂电池能量密度提升受制于理论瓶颈，空间非常有限，最多也就是从目前的160Wh/KG提高至300Wh/KG，即使达到也只有燃料电池的1/120，可谓输在起跑线上。
燃料电池的原料氢气主要缺点就是体积能量密度不高，现在基本上是采用加压来解决这个问题。按照现行的700个大气压的加压模式，其体积能量密度是汽油1/3。同样跑300公里，燃料电池储氢罐体积为100L，重量为30KG，对应汽油车油箱为30L，但电动机体积比内燃机小80L，总体积相差不大。锂电池车分为三元和磷酸铁锂两种主流技术路线，代表企业为Tesla和比亚迪。三元能量密度更高，但安全性差，需要辅助的安全保护设备，跑300公里所需的两种电池体积分别为140L和220L，重量为0.4吨和0.6吨，都远高于燃料电池。展望未来如果储氢合金和低温液态储氢技术能够突破，燃料电池体积能量密度将分别增加1.5倍和2倍，优势会更为明显。
燃料电池本质上可以理解为以氢气为原料的化学发电系统，因此输出功率比较稳定，为了最大提高放电功率必须附加动力电池系统，如丰田Mirai就是配套镍氢电池。但作为一个开放的动力系统，其能量来自于外部输入，附加的镍氢电池不需要考虑储能的问题，只要5-8度就能满足需求，对电池寿命的要求也不高，在真实工况下的使用限制很少。锂电池虽然理论放电效率很高，但为了不伤害电池寿命，使用限制很多。在充满电的情况下不能大倍率放电，快速放电只适用0-80%这个区间。即使如此，以5C倍率放电，实验室中的电池循环寿命也会缩短到只有600次，真实工况下会进一步降至400次，如Telsa即使最大功率可达310KW，但实际放电倍率也只有4C。而且锂电池作为能量密度不高的封闭储能体系，高功率放电和高续航里程基本很难兼容，除非大幅提升电池重量。即使Tesla采用了目前能量密度最好的三元电池，其电池组件重量都接近半吨。
除了上述指标，安全性对于机动车来说无疑也非常关键。锂电池作为封闭的能量体系，从原理上高能量密度和安全性就很难兼容，否则就等同于炸弹。因此现在主流工艺路线中，能量密度低的磷酸铁锂安全性却较好，电池温度达到500-600度时才开始分解，基本不需要太多的保护辅助设备。Telsa采用的三元电池能量密度虽高，但不耐高温，250-350度就会分解，安全性差。其解决方法是并联了超过7000节电池，大幅降低了单个电池漏液，爆炸带来的危险，即使如此也还需要结合一套复杂的电池保护设备。并且前期发生的几次事故，虽然得益于Telsa的安全设计并没有出现人员伤亡，但就事故本身而言，其实都是非常轻微的碰撞，车身也没有收到什么伤害，但电池却着火了，也侧面反映了其安全性上天然的劣势。
燃料电池由于原料氢气易燃易爆，市场普遍担心其安全性问题。但如我们下表的数据，相比汽油蒸汽和天然气这两种常见的车用可燃气体，氢气的安全性并不差，甚至还略好。现在车用储氢装置都采用碳纤维材料，在80KM/h速度多角度碰撞测试中都可以做到毫发无损。即使车祸导致泄露，由于氢气爆炸要求浓度高，在爆炸前一般就已经开始燃烧，反而很难爆炸。而且氢气重量轻，溢出系统的氢气着火后会迅速向上升起，反而一定程度上保护了车身和乘客。而汽油为液态，锂电池为固态，很难在大气中上升，燃烧都在车舱底部，整车会迅速着火报废。氢气储运环节其实和LNG非常类似，只是所需压力更大，随着商业化推进，其整体安全性也还是可控的。
电池车的成本主要分为整车成本、原料成本、配套成本。目前对燃料电池诟病最多就是成本太高，但用发展的眼光看，随着技术进步和商业化程度提高，其成本下降的空间很大。而锂电池如果考虑到电网端扩容的成本，其实综合配套成本还高于燃料电池，具体测算如下：
锂电池、燃料电池和传统汽油车，整车成本的差异主要体现在发动机成本，其他组件差异不大。2L汽油车发动机成本在3万元左右，未来也很难有太大的变化。现有锂电池的度电成本为1200元/kWh，未来有望降至1000元/kWh，45度电动车，电池成本为4.5万元。燃料电池成本主要是电池组和高压储氢罐，现在100kw电池组成本为10万元，预测年产50万台后，单位成本将降至30美元/KW，即2万元。现有储氢罐成本为6万元，未来有望降至3.5万元，总成本为5.5万元。长期看三种动力体系的成本相差不大，可见整车成本并不是核心问题。
原料成本比较
2L汽油车百公里耗油为10升，5.8元/L的汽油售价，成本为58元。锂电池车百公里耗电量为17度，0.65元/度电成本，成本11元。燃料电池百公里消耗氢气9方，制氢方式主要分为电解水或者化学反应，如煤制氢、天然气制氢等。电解水成本主要是电，平均5度电1方氢气，成本约为3.8元/方，但可以在加氢站直接电解，省掉运输费用。如果采用化石能源大规模集中生产，国内成本最低的是煤制氢气，约为1.4元/方，北美则可利用廉价的天然气，成本在0.9元/方。如果我们以煤制气成本作为标准，百公里原料成本12.6元，和锂电池差别不大。
配套成本比较
加氢站、加油站、充电站成本主要分为土地成本、设备成本、建设成本，差别主要体现在设备成本。加油站基本在300万元，充电站为430万元，加氢站以日本目前的标准预计为1500万元，整体上加氢站成本要高1000万元左右。按照15年折旧，每年销气量1000万方，则折旧成本为0.1元/方。小规模时氢气一般以槽罐车运输，预计运费为0.44元/方，规模扩大后则可采用管网运输，成本会下降至0.23元/方。
虽然锂电池现阶段依托于现成的电网系统，配套成本很低。但如果大规模推广，现有电网的容量冗余基本都将被耗尽，未来必须要大规模扩容。因此充电站本质上是将配套成本外部化给了电网，因此计算其全产业链成本时还要添加电网端的成本。一般商业化运营的充电站至少都要达到1小时快充的标准，对应10个充电桩组成的充电站的功率都要达到600千瓦，相当于上百户家庭的用电负荷，对电网负荷的冲击极大。对应电网需要新增投资120万元来扩容负荷，但每年新增售电量只有93万度，按照0.65元/度购电成本，电网端15年收回投资测算，则售价要在成本基础上增加0.18元/度。
