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燃料电池才是燃油车的终结者?
作者: 发布于:2018-06-22 08:39:00

511日,李克强总理参观了位于北海道的日本丰田汽车旗下工厂,流出的一张图片瞬间火爆网络。李克强总理在看到某款新能源汽车时,表情凝重。

这款让李克强总理如此严肃的新能源汽车就是丰田汽车的氢燃料电动车Mirai(日文“未来”之意)MIirai在行驶过程中不加油、不充电、不排放尾气,唯一排放的废物是纯净水,仅3分钟即可加满氢气,并且具有超过600公里的续航里程。

此车一出,立刻引起了各路媒体的一顿吹捧,一时间仿佛氢燃料电池将成为汽车电动化的主流,氢燃料电池才是燃油车的终结者,让不少新能源汽车的从业者对其自身坚持的技术路线都产生了动摇,更有甚者对李克强总理的表情进行过度解读,说什么“国内的那些新能源汽车厂家都是骗子,骗国家补贴的...”。我们不否认少数的企业存在骗国家补贴的行为,搞坏了行业的风气,这些企业也因此尝到了骗补的苦果,这种以偏概全、带有个人感情的贬损也不值一驳。

不可否认,这种长他人志气,灭自己威风的观点还是让不少汽车电动化的从业者对一直以来坚持的锂电池技术路线产生了动摇,打击了其积极性。知书达锂(微信公众号:知书达锂)认为很有必要重新撸撸思路,不吹不黑,从客观的角度分析为什么氢燃料电池不会成为汽车电动化的主流,从而坚定锂电池技术路线的信心。

一、燃料电池并不是“二次电池”

电池有一次电池和二次电池之分,一次电池只能使用一次,电量放完后就没了,例如日常生活中较常见的5号电池、7号电池;二次电池可以多次循环使用,电量放完后充满又可以使用,例如铅酸电池、锂二次电池。那么燃料电池是一次电池还是二次电池?

一次电池的活性物质利用完毕就不能再进行放电,也不能进行充电,二次电池在用完后通过充电可以再次使用,一次电池和二次电池与环境只有能量交换而没有物质交换。而燃料电池只要不断地供给燃料,就能连续地输出电能,燃料电池是一个敞开的电化学系统,与环境既有能量的交换,又有物质的交换。显然,燃料电池不同于一次电池和二次电池,它既有点像一次电池又有点像二次电池。

有人可能不服了,氢燃料电池在一罐氢气耗尽后,通过加氢,可以再次使用,加氢和二次电池的电用完后再进行充电本质上一样的,都是补充能量然后再次使用,因此是二次电池。又有人不服了,氢燃料电池的氢气耗尽停下来在加氢后再投入使用,和一次电池用完一部分的电量停下来一会,又再次使用不是一样的吗?都是单向的,都不能进行充电,应该是一次电池。

通过比较,燃料电池和锂电池最本质的区别显而易见了,那就是燃料电池是不可逆的,也就是说燃料电池只能将能量进行单向转化,这也是为什么燃料电池的寿命看使用小时数,而二次电池的寿命看循环次数的原因,将燃料电池看做是一个转化率很高的发电机更加合适,知书达锂(微信公众号:知书达锂)认为燃料电池不可逆的这一点和锂电池在汽车电动化的竞争中丧失优势。

为什么这么说呢?因为使用燃料电池的汽车肯定需要锂电池来存储一部分的电量,用于维持汽车在熄火后的自动锁、防盗系统、车内灯光的正常运转,此外燃料电池对启动温度有一定的要求需要二次电池(锂电池)辅助启动,甚至在燃料电池运行的过程中为了更好的发挥出燃料电池的能量利用率,还需要二次电池用以回收制动能量在加速时辅助燃料电池供电,Mirai就是如此,后轴上方就布置有一个1.6kwh的镍氢电池组(二次电池,也可使用锂电池组)

反过来,使用锂电池作为动力的汽车却不需要使用燃料电池。这种需求关系必然造成在发展燃料电池电动车时拉动燃料电池技术进步的同时,必然带动锂电池技术的进步,而以锂电池作为动力的汽车由于只需要锂电池,对燃料电池没有需求,因此只会带动锂电池技术的进步,此外,由于锂电池具有可充电等优势,在储能领域和消费类电子领域有巨大的需求,必然也会拉动锂电池技术的快速进步,从而补齐锂电池在能量密度和充电速度较慢上的短板。因此,知书达锂(微信公众号:知书达锂)认为,锂电池在技术的进步速度上肯定会快于燃料电池,这注定燃料电池不能成为汽车电动化的主流。

二、燃料电池做加法,锂电池做减法

燃油车的动力系统主要有四大件:发动机、变速箱、油箱和控制单元,而燃料电池的动力系统包括燃料电池、驱动电机、高压储氢罐、储能用的二次电池和动力控制单元这五大件,甚至还需要配备燃料电池升压器,相比燃油车,燃料电池汽车动力系统的核心零部件一下子增加了好几个,而且每个核心零部件都是极其复杂的,技术含量极高。

以都是存储燃料的油箱和高压储氢罐为例,高压储氢罐的技术含量可以说碾压油箱,完全不是一个数量级。首先,高压储氢罐内的压力是很大的,高压储氢罐至少需要耐受700个大气压,才能保证储氢罐的安全性,这对做储氢罐的材料要求极高;其次,要达到在较小的空间内储存尽量多的氢气的目的,储氢罐中的储氢材料也有很高的要求;最后,在700个大气压的情况下,对储氢罐的阀门要求也是相当高的,既要保证在充放氢气时不漏气,又要保证氢气以合适的速度放出来,并保持超长的稳定性和可靠性,这对阀门是极大的考验。再比如燃料电池车的动力控制单元,不仅需要控制燃料电池,还需要控制储能电池和高压储氢罐,甚至是燃料电池升压器,知书达锂(微信公众号:知书达锂)不禁感叹这是多么复杂的一套系统啊!

燃料电池车这种做加法的思路,完全将汽车的动力系统复杂化了,导致其价格及其高昂,也难怪特斯拉的创始人马斯克对燃料电池路线给出这样的评价:”把本身容易获得的电能,用极为复杂的方法去在车内产生,是一个再愚蠢不过的方法"。反观锂电池这种二次电池型的电动车却是一个做减法的思路,其动力系统只包括了锂电池组、电机和电控这三大件,锂电池组相当于将燃油车的发动机和油箱合二为一了,电机相当于燃油车的变速箱,随着轮毂电机技术的发展,未来还可以将电机和轮毂合二为一,对于电控,相比于燃料电池车,那真不知道简单到哪里去了。一个做加法,一个做减法,孰优孰劣,谁能胜出,答案已经很明显了。

三、“电”是未来的能源货币

为什么秦始皇统一文字、货币和度量衡的意义极大?就是因为文字统一后可以很大程度的降低沟通和交流成本,货币统一后可以很大程度的降低交易成本。在能源领域,能够担当这一角色的显然是石油,对应的动力系统就是发动机了,汽车、飞机、轮船、潜艇、各种工程机械等等都离不开发动机这套动力系统,因为这套系统的成本是最低的,也就离不开石油这种能源货币,美国也因用美元绑定石油而称霸世界。随着技术的发展,新的挑战者出现了,其成长速度也是极其快速的,这个挑战者就是“电”。

随着技术的快速发展,我们日常生活中的大部分器件开始被赋予电的属性,都离不开电了,比如物联网的发展,一个物品没有赋予“电”的属性是不可能连起来的。也就是说,只要需要能量的地方,都可以用电能直接转化成需要的能量存在形式,电可以直接转化为其他各种存在形式的能量。例如:

节能灯:“电能”转化为“光能”;

电风扇:“电能”转化为“动能”;

电梯:“电能”转化为“动能”和“重力势能”;

电烤炉:“电能”转化为“热能”;

电解水制氢:“电能”转化为“化学能”;

基本上你能够想得到的能量存在形式,电能都能直接转化形成,而且大部分转化过程的能量转化率都很高,极其方便。你让石油直接转化试试?那么其他形式的能量转化为电能是否也很方便,答案是肯定的。例如:

风电:“风能”转化为“电能”;

水电:“重力势能”转化为“电能”;

光伏:“光能”转化为“电能”;

核电:“核能”转化为“电能”;

燃料电池:“化学能”转化为“电能”;

发电机:“动能”转化为“电能”;

虽然有些在能量转化过程中需要先转化为动能,再通过发电机转化为电能,但是整个过程中的能量转化率还是不错的。此外,通过特高压电网的输送,能量的运输成本也会大大的降低,甚至可以说只要建一个电网,就可以完成其他各类能量形式的运输。而作为化学能之一的石油,其运输系统就多种多样,例如油轮、输油管道、油罐列车、油罐汽车等等。

通过“电"这种能源货币,未来能量的转化过程会变得简单、高效,即,能量转化为电能,电能再转化成其他形式的能量。“电”会取“石油”而代之成为未来的能源货币,成为综合成本最低的能源。所以中国在很早之前就开始布局风电、光伏、核电等新能源,制定政策鼓励这些行业发展,一旦其上网电价和火电的上网电价持平或更低,其产业必将爆发式增长,对世界能源格局产生影响。

而燃料电池所需的燃料是一个较大的问题,氢燃料电池以氢气为燃料,氢气的来源主要为天然气(含石油、重油、炼厂气和焦炉气等)和煤(含焦炭和石油焦等)转化制氢,如果为了制氢而制氢,那就需要先将化学能转化为化学能,再将化学能转化为电能(目前燃料电池将化学能转化为电能的转化率只有45%~60%),这个过程的能量损耗是很大的,即使燃料电池的转化率达到100%,由于多了一个化学能转化为化学能的过程,能量损耗不可避免。

电解水制氢就更加离谱了,将电能转化为氢(化学能),再将氢(化学能)转化为电能,那为什么不直接用电呢?这也是马斯克为什么对燃料电池车给出”把本身容易获得的电能,用极为复杂的方法去在车内产生,是一个再愚蠢不过的方法"这样评价的原因。而锂电池直接利用的就是“电”,这犹如一个美国人拿着本国的货币就可以满世界买买买,其他国家的货币却先要换成美元,再通过美元购买所需的产品,显然在换货币的过程中会因为“手续费”而造成一定损失。汽车电动化不会选择燃料电池显然是一种必然。

综合以上原因(当然还有像基础设施建设成本高,催化剂使用贵金属等熟知的原因),燃料电池没有成为汽车电动化主流的可能性。

那么,既然燃料电池车不会成为主流,那么我们还要发展燃料电池吗?答案是肯定的,燃料电池还是有很多不可替代的应用场景。

一、作储能电站,例如风电比较密集的地方,由于某一段时间风力较强,电力过剩,可以利用电能电解水制氢进行储能,再利用氢燃料电池在电力缺乏时发电入网,也可以直接将产的氢用于氢燃料电池车,从而减少富余电力的浪费;

二、化工厂产生的副产物氢气,直接用于氢燃料电池,可以产生双赢的效果;

三、因自然灾害的原因导致电网受到较大程度的破坏,短时间电力难以恢复,氢燃料电池作为应急供电是一个不错的选择;

四、对于远离电网的区域有临时作业要求,可以使用氢燃料电池提供电力;

五、氢气是最轻的气体,技术成熟后可以用在小型飞机上面,在减轻飞机的起飞重量的同时,提供动力。

比尔盖茨曾经说过“人们总是高估了未来一到两年的变化,却低估了未来十年的变革”,氢燃料电池和锂电池都有美好的未来,最重要的是找准自己的位置。