氢燃料电池和锂离子电池孰优孰劣，谁才能代表未来的发展方向？
来源：宝鄂实业
2019-06-25 16:28
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经济性
历史上很多技术上更先进的产品，因为经济性较差，反而被淘汰了，所以在对比这两种电池优劣的时候，经济性是我们需要考虑的首要因素。从普通乘用车用户的角度出发，我们来看看大家平时买车的时候会关注的主要经济性指标：购车成本，运行成本（每公里费用），保养成本。
购车成本这个指标比较难比较，国内目前还没有成熟商用氢燃料电池汽车在市场上销售。在全球范围内，氢燃料电池汽车可销售的车型也并不多，以Toyota Mirai ，Hyundai Nexo，和Honda Clarity为代表，其中卖得最好的Toyata Mirai在2018年也仅在全球范围内售出了1700辆，所以其价格也不能代表量产后的可能售价。不过为了比较起见，我们还是看看Toyata Mirai和Tesla Model S在美国的销售价格。
从两款车的官网可以看到，零售价格分别为$58,500和$75,750。从这个角度看，氢燃料电池车胜出。不过我们还应该考虑两种类型的车型选择空间和是否买得到的问题，从这个角度看，锂电池汽车选择要多得多，而且有很多更便宜的选项，氢能源汽车在很多地方，想买也买不到。
我们分析的第二个指标是运行成本，对比燃油车经济性的时候，我们经常会用“百公里油耗”这个指标，那么比较新能源汽车的时候，我们也可以用一个类似的概念：每公里费用。为了方便起见，我们还是对比Toyata Mirai和Tesla Model S在美国的运行成本。目前美国加氢的价格为每公斤$16.63，正常情况下相当于每英里$0.33的运行费用；Model S充满电需要100千瓦时，按照加州$0.12/度的电费，充满电需要$12，假设充满后可以跑300英里，则相当于每英里$0.04的费用。为了方便起见，我们都换算成每公里的人民币费用，那么氢燃料电池约为1.37元/公里，而锂离子电池约为0.17元/公里，显而易见，这个指标上锂离子电池胜出。
我们在国内城市开汽油车每公里成本约在1元左右，看来加氢比加油还要贵。我国国内居民用电在全世界都属于较低水平，所以锂离子电池运行成本在中国应该低于0.17元/公里。
需要指出的是，目前特斯拉和丰田都有免费充电或者加氢的服务，但是这么做只是为了促销，长期持续下去并不现实。
我们在买车的时候通常还会考虑保养成本，一些传统豪华车单次保养费动辄超过5000元，这也是一笔不小的费用。电动车因为结构相对简单很多，保养频次和单次成本都要低很多。我们知道锂离子电动车实际保养成本确实比燃油车低很多，但是氢燃料电池因为目前市场投放量太小，目前无法获取其实际的保养成本，所以在这里假设这两种新能源汽车的保养成本一样高。
除了以上这三个指标，我们买车的时候还会考虑使用寿命，维修成本，二手车市场等因素，不过这些信息目前都比较难以获取，尤其是对氢燃料电池汽车，所以在这里就都不考虑了。只看上面这三方面的因素，我们如果只看两种电池的代表车型，确实特斯拉更贵，但是锂离子电池有更多便宜的车型，而燃料电池则没有；运行成本锂离子电池更低；保养成本二者打平。综合来看，我认为锂离子电池汽车更具经济性。
便捷性
经济性当然是我们决定买哪种车的重要考量，但是再便宜的车，如果用起来很不方便，这样的经济性意义也不大。这部分我们就来比较两种新能源汽车使用的便捷性，具体看续航里程，充电/加氢时间，和支持网络这三个指标。
目前最先进的锂离子电池汽车单次续航已经可以做到500公里左右，这就和传统的燃油车基本相当了，已经可以满足大多数的城市用车需求。
根据Toyota Mirai官网信息，该车单次续航为312英里，即502公里。这个指标上锂离子电池和燃料电池基本持平。
加氢时间和充电时间的对比是氢燃料电池的最大优势，每次只需要5分钟，而电动车目前最快也要接近两小时，这个指标上氢燃料电池完胜。目前燃料电池汽车宣传最多的特点也正是这一点。当然，对于锂离子电池来说，也有快速的换电池选项，但是操作性较差，我们在这里不予考虑。
加氢的时候速度快当然是好事，但是如果加氢网络不完善，每次开到加氢站还要两个小时，那么加氢的时候省下的时间就意义不大了。在全球范围内，目前还没有成熟完整的加氢网络，当然这背后还需要氢气生产工厂网络和运输网络。这几套网络要在任何一个国家地区建立起来，一费时间二费钱，短期内都看不到。
相比之下，充电网络的建立则要简单得多。基础的发电厂和电力传送网络在大多数国家和地区都已经是现成的了，这就省了不少力气。特斯拉在中国已经初步建立了独有的超级充电桩网络，这当然和特斯拉执行力极强分不开，但是基础还在于中国的供电网络还是很给力的。另外一方面，只要有车位，电动车就可以一般的家用电器一样，在家里完成充电，晚上睡觉前插上就行，便捷性非常高，但是我们无法想象自己能在家里给车加氢。
其实不管是锂离子电池电动车还是燃料电池电动车，都面临新建外部支持网络的问题。很多人不买电动车，最重要的原因在于充电/加氢不方便，而企业不愿投资太大建立充电桩和加氢站，原因在于还没有足够多的用户，无法摊薄初期巨大的投资成本。
这就成了一个经典的“先有鸡还是先有蛋”的问题，要走出这个困境，要么有国家力量在解决这个问题，要么有强有力的企业推动。对于充电网络建设来讲，这样的事情已经在发生了，比如中国的国家电网公司在建立全国性充电网络，特斯拉也已经建立了自己的超级充电桩网络，但是对加氢网络建设来讲，成本要高得多，因为还要首先建立氢气生产工厂和运输网络，另外，我们也没有看到燃料电池领域出现特斯拉这样的企业，能够不计成本全力推进加氢网络建设。
综合而言，燃料电池目前在加氢时间上有巨大的优势，但是因为其加氢网络支持水平太差，这就足以抹杀加氢时间这个优势。放眼未来，我们也看不到加氢网络能够很快铺开，因为成本实在比充电网络高太多，这可能会是氢燃料电池电动车发展的致命伤。再加上续航里程大家又差不多，我认为虽然加氢的速度快，但是实际使用综合便捷性还是锂离子电池高。
环境友好度
保护环境是发展新能源汽车的初心。不忘初心，方得始终。这部分我们来看看燃料电池和锂离子电池谁对环境更友好。
首先，我们来看能量来源的可再生性。人类希望摆脱燃油车的一个初衷是化石能源不可再生，总有用完的一天。那么氢和电是哪里来的呢？会不会和汽油一样也会用光？
发电的方式多种多样，我们相对都比较熟悉，既有煤炭，天然气，核能这样的不可再生资源，也有水力，太阳能，风力等可再生资源。所以电是可再生还是不可再生，取决于我们的发电网络是如何构成的。我们可以通过提高发电环节里可再生资源利用水平，逐步提高电力的可再生性。
氢气又从何而来呢？目前工业化应用的方法主要有两种，一是通过催化甲烷制氢气，这一过程中会排除二氧化碳，对环境有负面影响。另外甲烷也是天然气的主要成分，属于不可再生资源；二是通过电解水生成氢气，这一过程中当然又要用到电，而电是否可再生上面已经讨论过了。
回到我们刚才的问题，燃料电池和锂离子电池所使用的能源是否可再生呢？答案是不一定，但是两者相比起来，锂离子电池更胜一筹，因为氢要么直接来自不可再生资源（天然气），要么还是要用到电，最多只能做到和锂离子电池一致。
其次，我们要考虑能量的使用效率。车辆的最大功效是将我们从A地运送到B地，也就是说车辆是输出动能的，根据能量守恒定律，我们输入其他形式的能源，并将其转换为动能。这个转换的过程中，效率越高，对环境造成的影响越小，也更具有经济性。
传统燃油车的能量转换效率约为20%-30%，而电动车将电能转换为动能的效率要高很多，优势非常明显。我们如果只比较车辆本身的能量转换效率，燃料电池比锂离子电池效率也更低，氢气到了车上后再转换为电能，电能再转化为动能，这个过程约需损耗40%的能量。
此外，我们在这里也要考虑两种能量来源在制备，加工和输送等各个环节所消耗的能量。
先看氢气，前面我们提到过工业化生产主要有两种方式可以制氢：催化甲烷和电解水。这两种方式生产过程中都是需要消耗能量的，分别约占到最终产生氢气能量的20%和30%。
氢气生产出来了还不能直接应用，因为氢气是自然界中最轻的气体，能量密度非常低，我们需要将温度降低到-253摄氏度，或者给氢气施加790个大气压，才能将氢气转换为液态，这样方便运输和利用。当然，将氢气变为液态氢本身也需要耗能，如果低温存储需要损耗40%的能量，加压的方法更好一些，也要损耗13%的能量。
液态氢到终端客户还需要运输，运输要么通过车辆运输，要么通过管道传输，不过不管是哪种方法运送，也都还需要耗能，这个过程需要损耗10%到40%不等的能量。
所以综合来看，氢燃料电池在整个能量转换循环过程中，链条过长，所以损耗也很大。这既不环保，也不经济。
再看电能。发电的方式多种多样，不同发电方式的能量转换效率也差别很大，我们在这里以我国最常见的燃煤火力发电为例，发电设备的效率通常在约40%左右。我国电网传输损耗约为6%。在电动车上将电能转换为动能效率较高。综合算下来，锂离子电池能量转换效率仍然高于燃料电池和传统燃油车。当然，如果发电过程中应用了太阳能，风能或者水利发电，则对于环境的友好度更高。
综合来看，能量使用效率方面，锂离子电池完胜。氢燃料电池如果氢的来源是天然气，那么其能量利用效率不大会高过加气的内燃机汽车，而如果氢的来源是电解水，并且最后还要再转化成电能输出，氢在这个过程中只是起到了暂存能量的功能，而在两次转化过程中都有损耗，和直接充电用电相比，肯定是不划算的
其实直接加气的内燃机车也是个很环保的选项，不会低于氢燃料电池汽车能量使用效率。
环境友好度方面我们还应该考虑碳排放，其他污染物排放等话题，不过为了简单起见，我们在这里不去讨论了。仅从能量来源的可再生性与能量使用效率两个方面来看，锂离子电池是完胜的，更符合我们发展新能源汽车的初心。
商业可行性
一项新技术要推广开来，光是技术先进还是远远不够的，还需要大众能够接受，商业上可行才真正有价值。这部分我们从系统革命性，产业链基础，安全顾虑三个方面来对比两种电池的商业可行性。
系统革命性是指新的技术和原有的体系的差异大小。一般而言，和原有系统差异越大的新技术，推广成功的难度越大。从上面的分析我们不难看出，氢燃料电池需要对现有体系进行革命性的变革，需要建立制氢工厂，输氢管道，运输车辆，和大量的加氢站。相比之下，锂离子电池汽车对原有系统改变较小，对于用户来讲，家里就像多了一台家用电器，对于网络来说，只需要新建一些充电桩，实施难度要小很多。
产业链基础是否完备对于一个新行业是否能发展起来至关重要。目前来讲，氢燃料电池相关的产业链还几乎等于零，一切都刚刚开始。锂离子电池之前因为已经成熟应用于3C行业，有了一定的行业积累，而且目前在中日韩三个国家都有大量的锂离子电池工厂正在兴建，上游的材料厂家也在逐步增加产能。即便是在这样全产业链大干快上的背景之下，当行业里出现真正能够量产的车型的时候（比如特斯拉Model 3），产能扩大还是遇到了极大的瓶颈。我们难以想象一切还需要从零开始的氢燃料电池产业链会遇到怎样的挑战，可以确定的是燃料电池遇到的挑战只会更大。
