氫燃料電池與锂電池哪個是未來EV主流

TIME: 2020-10-27 新聞資訊

在汽車領域，未來的汽車的供能系統，究竟是從锂電池組攜帶能量，還是從氫燃料電池發電？在過去的數年間，中國見證了锂電池的崛起，也成为了全球锂電池生产和消费的最大市场，但是氫燃料電池的发展同样也列入了我们国家未来发展计划之中。中国正在投资必要的基础设施，到2030年，全国将会建立起3000个加氢站，很显然锂電池与氫燃料電池的赛道已经建立，技术竞争蓄势待发。

观点一：认为锂電池比氫燃料電池好

埃隆·马斯克认为氫燃料電池要选择能量存储机制，应该选择甲烷或丙烷，因为它们更容易制取，但氫燃料電池非常愚蠢……制造氢气并储存并在汽车中使用它非常困难，如果你拿一块太阳能电池板直接给电池组充电，与氫燃料電池电解相比，取氢，分离氧气，压缩氢气……这大约是其效率的一半。

其实，马斯克的话也不无道理。与电池相比，氫燃料電池的能源转化效率上始终比电池低，相较于特斯拉的BEV效率，目前市面上最好的FCV在效率上仍然不及BEV一半；另外，在工业产业链发展与基础设施（加氢站）建设上，氫燃料電池与锂電池的差距仍有数十年。

燃料电池的发展仍在继续，但充电基础设施，氢气的大规模生产及其库存都滞后。氢的使用需要大量的基础设施建设，高质量和大型蓄压器。燃料电池，压力罐（碳纤维）的生产，加油的氢气价格，所需的加氢站基础设施和H2生产设施的建设都显得过于昂贵。除此之外，目前,以化石能源为原料的热化学过程在工业上应用较为广泛, 主要包括烃类蒸汽转化、重油部分氧化、煤气化和水电解等制氢方法。在氢的主流生产过程中，也存在着污染和低效率的问题。

观点二：认为氫燃料電池比锂電池好

多年来，丰田一直将氫燃料電池押在电池电动汽车上，以实现其零排放汽车战略。丰田燃料氢电池是丰田公司运用在mirai新能源车上的先进技术，丰田氫燃料電池就像是一个发电站，它通过氧气和氢气进行化学反应才生产电，不是像普通储电池那样需要充电，只需要添加氢气，通过化学反应产出电。

氫燃料電池的续航优势相比锂電池也很明显，同样续航500公里，普通锂電池充电需要很长的时间，超级快速充电也需要一个半小时，而氢染料电池只要3分钟就可以加满氢气。另外，在能量密度上，氢也远远超过了锂离子，两者甚至都不在同一个数量级上。

氫燃料電池汽车还有有以下优点：

加氫就像加油一樣，一般只需3~5分鍾。而電動汽車的充電則是一個緩慢的過程。即使特斯拉推出了超級充電站，通常也需要1個小時以上。

氫燃料電池主要的成分是氢，我们知道水的化学式是氢二氧，氫燃料電池在使用寿命结束后，并不会对环境造成污染。而锂离子电池则含有很多重金属，如果回收不当，就会对环境造成更大的污染。

氫燃料電池储能密度高，且重量轻，续航里程普遍更远。通常会超过500公里，而纯电动汽车则根据电池容量的大小，目前大部分纯电动汽车续航里程在300公里左右，少数车型可以达到400~500公里。

另一方面，欧洲也是氫燃料電池研究的另一个大本营。随着德国能源转型的不断深入，大量的新能源并入电网，以欧洲最大的能源研究机构之一：于利希研究所（Jülich research center）正在倡导将新能源发电（风电）转化为氢能，以解决可再生能源发电产生的电网波动与消纳问题。

研究所主任Detlef Stolten教授指出：“在风能的帮助下，现有风力涡轮机将产生如此多的额外电力，在2050年它可以取代德国家庭目前需要供暖的天然气。此外，通过电力市场的调控，用电高峰时间每年将减少90太瓦时。我们可以将这部分电能以70％的实际效率电解水，产生的氢燃料可以供应1600万辆燃料电池汽车运行。”

“燃料電池還可以實現分散式電源。依賴天然氣網的家庭甚至小型住宅可以並行使用燃料電池。我們在討論移動性的過程中，也不要忘記整個能源系統中燃料電池的補償功能。”

从未来长远发展上来说明氫燃料電池与锂電池哪个是未来？

當前，全球能源和環境系統正面臨著巨大的挑戰。其中，作爲石油消耗和二氧化碳排放大戶的汽車産業，也正面臨著一場革命性的變革，將包括純電動、燃料電池技術在內的純電驅動作爲新能源汽車的主要技術方向，已然成爲世界各國形成的共識。燃料電池汽車是電動汽車汽車電池的另一個重要方向，與锂離子電池相比，可以清楚地看見兩者間有著明顯的優缺點。

首先，是從安全性角度出發。

燃料電池的安全隱患：氫氣的泄露與控制，是燃料電池系統安全隱患的主要來源，屬于物理層面，而锂離子電池的安全隱患則主要來自于不易控制的鏈式反應，屬于化學層面。因爲鏈式反應速度極其短暫。就可控性角度說，锂離子電池的控制難度要高于燃料電池。不過在遇到極端劇烈碰撞的情況下，燃料電池的危害程度則要更大。當然這也僅僅是理論上，氫氣本身因爲快速逃逸的特點使得泄漏時間很短，加上高壓氫氣瓶耐撞擊、跌落、槍擊等非常規性能也爲安全提供了保障。

其次，是從低溫性能的角度看。

因为低温下电解液的粘度增大电导率下降，会导致电池极化内阻急剧增加，一般厂商都不推荐零度以下的放电行为，因此锂電池需要外部提供供热来解决低温问题。燃料电池低温起步性能差，但随着启动后自身放热的增加，电堆的温度会很快稳定在80-90℃的正常工作温度范围。不过关于燃料电池如何实现低温启动，特别是不使用外辅电前提下的低温启动是一个重要的研究课题。

第三，是從成本角度考慮。

总体上看，无论是燃料电池还是锂离子电池，在价格上都要高于传统能源。特别是氢气的来源、存储以及安全使用等条件的复杂与严苛，导致氫燃料電池成本居高不下，短期内难以取得优势。以大批量产数据来看，锂電池成本最终会突破1000元/kwh；燃料电池的成本目前还是很高的，期望远期大批量实现的前提下可能去接近于现在内燃机的价格。

第四，是充電所需消耗的時間。

冗长的充电时间始终是锂离子电池一个难以磨灭的痛点。在一般的充电模式下，一辆装有锂离子电池的车，需要耗费3到8个小时才能充满。相较之下，燃料电池就显得方便快捷了许多，以氫燃料電池为例，直接加氢仅需3到5分钟，就能满血复活。

第五，續航裏程。

這可能是所以純電動汽車，特別是锂離子電池汽車最大的痛點了。傳統的锂離子電池在續航能力上很難突破500km，相比之下能量密度高且重量更輕的燃料電池，在續航裏程上就能夠達到更遠。

第六：溫度影響。

燃料電池汽車可以通過整車綜合熱管理，保持和夏天一樣長的續航裏程，這一點是锂離子電池不能做到的。锂離子電池不管是PTC加熱還是空調加熱，都要消耗電量。燃料電池夏天的時候需消耗電量來給空調供電，而在冬天的時候只需用廢熱給乘客艙保溫和采暖。所以從理論上講，冬天的裏程應該比夏天還長。目前有機構在開展基于朗肯循環的廢熱發電研究，若能實現將進一步提高燃料電池的效率。

第七：成本平衡。

燃料电池和纯电动汽车的成本平衡点不同，乘用车是500公里左右，商用车100公里左右：氫燃料電池系统更适合替代柴油机，锂离子电池系统更适合替代汽油机。相对于远程公交、双班出租、城市物流、长途运输等一些交通方式，燃料电池汽车具有清洁、零排放、续航里程长、加速时间短的特点，是适应市场需求的最佳选择，所以我们要及时地把产业化重点向燃料电池汽车拓展。

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