氢燃料电池为什么比锂电池更有前景？ 氢燃料电池和锂电池分析
来源：宝鄂实业
2019-07-16 11:17
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氢燃料电池为什么比锂电池更有出路，听我说……
你知道国家为啥要推氢燃料电池吗？我们不是现已有锂电池了为啥还要氢燃料电池，他们两个谁更好，谁可能是未来的动力方向？
氢燃料电池和锂电池分析
近几十年虽然各国都在大力推广电动车，但其占比依然很低，尚缺乏1%，中心就在于过往的电动车都违反了能量密度进步这个动力革新的主线逻辑。哪怕是最新一代的锂电池车，其能量密度极值也只需汽油的1/40，职业天然迟迟无法出现10倍速的改进。但燃料电池的出现却彻底改变了这一现状。其以氢气为材料，基础能量密度是汽油的3倍，电动机的做功功率仍是内燃机的2倍，实践密度是汽油的6倍，优势明显。而且从人类曩昔百年的动力进化史看，其本质上就是碳氢比的调整史，氢含量越高，能量密度越高，未来从碳动力转向氢动力是大势所趋，因此选用氢动力的燃料电池无疑更能代表历史开展的方向，最有望成为下一代的基础动力。

氢燃料电池为什么比锂电池更有出路，听我说……
机动车功用首要为续航才干、充电/充氢时刻、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，快充才干和续航路程就具有了天然的优势，即就是和锂电池的顶级豪车Tesla相比也是大幅抢先。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快目标和锂电池相差不大。为了便于比较，我们下文选取现在干流的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。
能量密度比较
锂电池作为蓄电池的一种，是个封闭系统，电池只是能量的载体，有必要提早充电才干运转，其能量密度取决于电极材料的能量密度。由于现在负极材料的能量密度远大于正极，所以进步能量密度就要不断晋级正极材料，如从铅酸、到镍系、再到锂电池。但锂现已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需纯锂电极，但能量密度其实也只需汽油的1/4，而且商业化的技术难度极大，几十年内都无望打破。因此锂电池能量密度进步受制于理论瓶颈，空间非常有限，最多也就是从现在的160Wh/KG进步至300Wh/KG，即便抵达也只需燃料电池的1/120，可谓输在起跑线上。
体积能量密度比较
燃料电池的材料氢气首要缺点就是体积能量密度不高，现在根柢上是选用加压来处理这个问题。依照现行的700个大气压的加压形式，其体积能量密度是汽油1/3。相同跑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干流技术路线，代表企业为Tesla和比亚迪。三元能量密度更高，但安全性差，需求辅助的安全保护设备，跑300公里所需的两种电池体积别离为140L和220L，重量为0.4吨和0.6吨，都远高于燃料电池。展望未来假设储氢合金和低温液态储氢技术可以打破，燃料电池体积能量密度将别离添加1.5倍和2倍，优势会更为明显。

氢燃料电池为什么比锂电池更有出路，听我说……
功率密度比较
燃料电池本质上可以理解为以氢气为材料的化学发电系统，因此输出功率比较稳定，为了最大进步放电功率有必要附加动力电池系统，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求考虑储能的问题，只需5-8度就能满意需求，对电池寿数的要求也不高，在真实工况下的运用约束很少。锂电池虽然理论放电功率很高，但为了不损伤电池寿数，运用约束许多。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。即便如此，以5C倍率放电，实验室中的电池循环寿数也会缩短到只需600次，真实工况下会进一步降至400次，如Telsa即便最大功率可达310KW，但实践放电倍率也只需4C。而且锂电池作为能量密度不高的封闭储能系统，高功率放电和高续航路程根柢很难兼容，除非大幅进步电池重量。即便Tesla选用了现在能量密度最好的三元电池，其电池组件重量都挨近半吨。
安全性比较
除了上述目标，安全性关于机动车来说无疑也非常关键。锂电池作为封闭的能量系统，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。因此现在干流工艺路线中，能量密度低的磷酸铁锂安全性却较好，电池温度抵达500-600度时才开始分解，根柢不需求太多的保护辅助设备。Telsa选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。其处理方法是并联了逾越7000节电池，大幅降低了单个电池漏液，爆炸带来的风险，即便如此也还需求结合一套杂乱的电池保护设备。而且前期发生的几次事端，虽然得益于Telsa的安全设计并没有出现人员伤亡，但就事端自身而言，其实都是非常细微的磕碰，车身也没有收到什么损伤，但电池却着火了，也旁边面反映了其安全性上天然的下风。
燃料电池由于材料氢气易燃易爆，市场广泛担心其安全性问题。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，乃至还略好。现在车用储氢设备都选用碳纤维材料，在80KM/h速度多角度磕碰检验中都可以做到毫发无损。即便事故导致走漏，由于氢气爆炸要求浓度高，在爆炸前一般就现已开始燃烧，反而很难爆炸。而且氢气重量轻，溢出系统的氢气着火后会灵敏向上升起，反而必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，整车会灵敏着火作废。氢气储运环节其实和LNG非常相似，只是所需压力更大，跟着商业化推进，其全体安全性也仍是可控的。
电池车的本钱首要分为整车本钱、材料本钱、配套本钱。现在对燃料电池诟病最多就是本钱太高，但用开展的眼光看，跟着技术进步和商业化程度进步，其本钱下降的空间很大。而锂电池假设考虑到电网端扩容的本钱，其实概括配套本钱还高于燃料电池，详细测算如下：
整车本钱比较
锂电池、燃料电池和传统汽油车，整车本钱的差异首要体现在发动机本钱，其他组件差异不大。2L汽油车发动机本钱在3万元左右，未来也很难有太大的变化。现有锂电池的度电本钱为1200元/kWh，未来有望降至1000元/kWh，45度电动车，电池本钱为4.5万元。燃料电池本钱首要是电池组和高压储氢罐，现在100kw电池组本钱为10万元，预测年产50万台后，单位本钱将降至30美元/KW，即2万元。现有储氢罐本钱为6万元，未来有望降至3.5万元，总本钱为5.5万元。长时间看三种动力系统的本钱相差不大，可见整车本钱并不是中心问题。
材料本钱比较
2L汽油车百公里耗油为10升，5.8元/L的汽油价格，本钱为58元。锂电池车百公里耗电量为17度，0.65元/度电本钱，本钱11元。燃料电池百公里消耗氢气9方，制氢方式首要分为电解水或许化学反应，如煤制氢、天然气制氢等。电解水本钱首要是电，均匀5度电1方氢气，本钱约为3.8元/方，但可以在加氢站直接电解，省掉运送费用。假设选用化石动力大规划会集出产，国内本钱最低的是煤制氢气，约为1.4元/方，北美则可使用廉价的天然气，本钱在0.9元/方。假设我们以煤制气本钱作为标准，百公里材料本钱12.6元，和锂电池不同不大。
配套本钱比较
加氢站、加油站、充电站本钱首要分为土地本钱、设备本钱、建造本钱，不同首要体现在设备本钱。加油站根柢在300万元，充电站为430万元，加氢站以日本现在的标准估计为1500万元，全体上加氢站本钱要高1000万元左右。依照15年折旧，每年销气量1000万方，则折旧本钱为0.1元/方。小规划时氢气一般以槽罐车运送，估计运费为0.44元/方，规划扩展后则可选用管网运送，本钱会下降至0.23元/方。
虽然锂电池现阶段依托于现成的电网系统，配套本钱很低。但假设大规划推广，现有电网的容量冗余根柢都将被耗尽，未来有必要要大规划扩容。因此充电站本质上是将配套本钱外部化给了电网，因此计算其全工业链本钱时还要添加电网端的本钱。一般商业化运营的充电站至少都要抵达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抵达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。对应电网需求新增出资120万元来扩容负荷，但每年新增售电量只需93万度，依照0.65元/度购电本钱，电网端15年回收出资测算，则价格要在本钱基础上添加0.18元/度。
出售端本钱测算
加油站的出售网络现已非常成熟，其每小时的赢利水平可以作为加注站合理酬谢的测算基准。对应加氢站每方价差为0.51元，锂电池每度电则为4.9元。该电价情况下，锂电池车根柢无法推广。现在国家规定充电站服务费上限为0.4元/度，但其布景是给予了许多补助。但没有任何工业可以长时间依托补助来开展，未来假设锂电池的充电功率不显著进步，在加注站这个环节，企业的盈利水平会大幅低于加油站和加氢站。没有合理酬谢，在现在寸土寸金的大城市，出资者根柢没有任何鼓励去推广充电站，工业天然也无法开展。但锂电池低能量密度过低，假设强行完结高充电功率，电池循环寿数面临的工程挑战就会非常巨大。而且即便能完结3分钟快充，但对应单个充电桩的功率要高达1200千瓦，每个充电站都要配套一个110千伏变电站。其出资高达5000万元，占地5000平米，且周围300米还不能有居民楼，关于现在沿海大城市在操作层面上挑战也很大。
总计本钱
概括上述一切本钱，汽油车、锂电池车、现阶段和充分商业化后燃料电池车的百公里本钱为58、83、23和20元。由于出价格差占锂电池本钱比重很高，我们考虑到充电桩设备出资是加氢站的1/3，将其小时赢利降至1.4元，概括本钱也还有37元，燃料电池车长时间本钱优势仍然非常明显。其实这一切的本源还在于燃料电池能量密度最高，相等商业化情况下，本钱天然具有优势。
新动力车开展的一个重要逻辑就是节能环保，这对我国无疑更为重要。现在我国不但空气污染严峻，而且石油进口依存度高达60%，其中85%还要通过美国控制的马六甲海峡，动力安全已成为我们国家安全的最大软肋。因此国家给予新动力车巨额补助，一个重要原因就是为了缓解对石油的进口依存度。那么下文我们就从节能、环保和资源捆绑等方面临两者进行比较，详细如下：
节能环保比较
燃料电池材料氢气在我国现在最经济的手段是煤制氢，锂电池的材料电力，在我国也首要来自于煤炭发电。因此这两者本质上能量都来自于煤炭，碳排放只不过是转移给了上游，因此是否节能，首要就是看能量转化功率。现在锂电池车每百公里耗电17度，对应6.8公斤煤炭;燃料电池每百公里耗氢9方，储运环节损耗20%，对应煤炭为7.3公斤;汽油车每百公里耗油10L，碳排放相当于10公斤煤炭。其实新动力车的节能作用都不明显，其中心价值仍是在于将一次动力消耗从石油转化为我国储量丰富的煤炭，缓解了动力安全问题。而从环保看，燃料电池几乎没有尾气排放，锂电池也只需少量排放，全工业的污染首要会集在上游。但比起处理涣散的汽油车尾气排放，上游的会集治
氢燃料电池
氢燃料电池是使用氢这种化学元素，制造成储存能量的电池。其基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阳极和阴极，氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阴极。
氢燃料电池特点无污染燃料电池对环境无污染。它是通过电化学反应，而不是采用燃烧（汽、柴油）或储能（蓄电池）方式－－最典型的传统后备电源方案。燃烧会释放象COx、NOx、SOx气体和粉尘等污染物。如上所述，燃料电池只会产生水和热。如果氢是通过可再生能源产生的（光伏电池板、风能发电等），整个循环就是彻底的不产生有害物质排放的过程。
无噪声燃料电池运行安静，噪声大约只有55dB，相当于人们正常交谈的水平。这使得燃料电池适合于室内安装，或是在室外对噪声有限制的地方。
高效率燃料电池的发电效率可以达到50%以上，这是由燃料电池的转换性质决定的，直接将化学能转换为电能，不需要经过热能和机械能（发电机）的中间变换。
氢燃料电池和锂电池分析
氢燃料电池和锂电池比较分析
全球能源格局临近大变革前夜
那么问题来了，氢燃料电池既然有如此多的优势，可到目前为止，为何迟迟不能全面普及？
首先，加氢站面临的一些问题，阻碍了燃料电池的发展。根据相关数据显示，目前加氢站的前期运营成本，仅加氢设备就需要投入一千万左右。由于目前市面上氢燃料汽车数量较少，没有一定数量的氢燃料电池汽车支撑加氢站经营，加氢站想要盈利，极为困难。再加上前期投入大，回报周期又过长，配套设施的匮乏，审批流程的繁杂。这一系列的问题，直接导致了氢燃料电池产业的发展。
其次，氢气的成本问题依旧是阻碍氢燃料电池发展的瓶颈。尽管目前我国制氢技术已经相对成熟，但由于国内市场需求量较少，氢气的价格依然还很昂贵。据了解，目前氢气的价格成本是40元。而汽油的价格是7元左右，锂电池的价格是6元左右。
最后，产业链的不完善也是阻碍燃料电池发展的一个因素。行业的规模化、健康化发展，除了生产领域能提供完整、安全的产品外，还需要市场的需求量提供“动力”，只有当市民大众接受氢燃料电池汽车，认识到这种车的优越性，自愿去购买使用这种车，才能让生产方积极改善技术并大规模生产，这样技术更新才会走上正轨，生产成本才能下降至合理区间，行业市场才能正常地运转起来。
纵观人类历史，文明的进步本质上就是能量输出强度的进步。早期的农业文明，动力以人畜、木柴等生物能为主，输出功率非常有限，还受到土地承载能力的限制，经济只能在低水平不断循环;18世纪工业革命后，随着蒸汽机和内燃机的推广，基础能源变为以煤炭、石油为代表的化石能源，能量密度提升了上百倍，GDP也终于突破了“马尔萨斯陷阱”的束缚，呈现了指数型的增长。目前全球能源结构为原油33%，天然气24%、煤炭30%，核电4%、水电7%和新能源2%，化石能源居于绝对主导地位。但展望未来，我们判断人类能源结构已经到了再次大变革的前夜，石油将有望在30年内被全面替代，以燃料电池为代表的氢能源将成为新的主导能源！
