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电池博客

燃料电池的原料氢气主要缺点是什么

来源:宝鄂实业    2019-03-17 17:26    点击量:
  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。

  能量密度比较

  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,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:

  整车成本比较

  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。
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