電池研究院:氫燃料電池與1000km續航

2021-06-24 00:10:21 作者:黃恒樂

電池研究院:氫燃料電池與1000km續航

 
氫燃料電池是“電池”嗎?

  今年5月底,有一臺第二代豐田Mirai氫燃料電池車從法國南郊Orly機場旁邊的HysetCo Orly加氫站滿氣出發,一路行走了1003km才停擺,打破了單次加注氫氣行駛巡航里程的世界紀錄,而這次5.6kg的加氫過程僅僅耗時5分鐘。

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  大家都說動力電池續航很差,怎么就有1000km續航的量產電動車了?

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  因為氫燃料電池汽車雖然也是純電驅動的,但氫燃料電池并非傳統的“電池”,而是相當于汽油機的能量轉換裝置,儲氫罐才是相當于油箱/動力電池的儲能裝置。

 
氫燃料電池的結構與原理

  “氫燃料汽車”與“氫燃料電池汽車”是兩種完全不同的事物。

  氫燃料汽車是內燃機汽車,氫氣進入活塞式內燃機燃燒得到動能,進而驅動汽車。

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  氫燃料電池汽車是我們今天要聊的主題,氫氣進入燃料電池堆棧之后生產電力進而驅動汽車,是純電驅動的。

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  豐田是目前設計制造氫燃料電池乘用車經驗最豐富的的廠家。2015年1月,豐田為了拉大家一起進入這個行業,宣布無償公開5680件燃料電池汽車專利給業界,希望用這些花了豐田23年時間研發的核心技術能讓更多企業入局平攤基建成本。

  類似的專利共享行為,特斯拉之前也做過,結果一舉引爆了中國的造車新勢力浪潮,最多的時候有超過200家注冊公司,只不過現在活下來的就寥寥數家。氫燃料電池行業則是另一番景象,目前也就中國某些大企業的項目組和小的初創企業有點反響,其他國家基本沒有集體回應的。

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  現在說回氫燃料電池技術,我們以豐田為例。但因為二代Mirai沒有公開透視圖,所以我們繼續用一代Mirai的圖來講解,原理是完全一致的。

  首先說明一點,“燃料電池系統”不一定要利用氫氣來發電,只是目前比較通用的燃料是氫氣罷了。豐田燃料電池系統有三大組成部分,下面已經列出,分別是:堆棧、升壓、氫罐。

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  我們先來說物理布局。

  跟幾乎所有新能源車一樣,如果把它造得過于挑戰常規審美,車再好也一定賣不出去,比如騰勢300/400/500系列。

  聰明的燃料電池車生產商依然利用現在的轎車、MPVSUV車型去打造新車,比如下圖的一代Mirai就把上面提到的三大核心系統放在了兩軸之間,電動機則放在車頭,因此它是一臺前驅車。

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  下圖二代Mirai為了提升續航,增加了一個大大的中置氫罐,放在連通前后排的鞍座下方,也就是中央扶手箱正下方。

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  下圖簡單明了地說明了氫燃料電池工作的1-6步驟:

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  氫氣與氧氣的反應發生在堆棧當中,氫燃料電池整包是由下圖這種一片片的結構組成的。

  氫氣通過左邊藍色的負極,被催化劑“鉑”分解成電子和氫離子(質子),質子繼而通過中間灰色那塊的質子交換膜(電解質膜),到達右邊綠色的正極,氫與氧反應變成水和熱量。

  與此同時,電子從負極流向正極,產生了驅動電機的、從正極流向負極的外部電流。

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  不過因為燃料電池堆棧要用到鉑,就是你們求婚時候用的鉆戒材料,所以堆棧的造價非常貴。

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  此外,燃料電池還有以下幾樣核心技術,大家簡單了解一下就行:

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  堆棧造價太高,不宜制造過大的堆棧,所以氫燃料電池汽車還是得用到鋰離子電池包,不過容量可以做得很小,只是作為電能的中轉站而已,當動力需求很大時可以應付得上。

 
氫燃料電池的實用性
1
 
加氫真的很快

  BEV純電動汽車推廣的難處在于補能速度太慢了,即使用上800V電壓平臺,也需要一個多小時才能完成補能,而汽柴油車主早已習慣了3分鐘完成加油補能。

  FCV氫燃料電池車的優勢在于,數公斤的高壓氫氣僅需5分鐘左右就能完成補能,耗時不過多了2分鐘而已,而BEV純電動汽車則多了30倍。

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  蔚來推出的民用化換電模式,其實是在電池能量密度有限、快充速度有限的技術前提下的優良過渡方案,結果被其他利益群體罵得一塌糊涂。只能說句可惜了。

2
 
氫氣的能量密度很高

  我們從下表的估算值,能了解到氫氣為什么被選作燃料電池的主要能量載體,因為它真的太高能了!

常見物質能量密度
物質能量密度(MJ/kg)
干火柴0.13
鎳氫電池0.40
鋰離子電池0.72
標準煤20.8
汽油43.1
天然氣41.9
氫氣140.4

  不過跟汽油不同的是,汽油是常壓的,而氫氣必須通過高壓才能塞進這么小的車體里面,因此高壓儲氫罐是一道很高的技術門檻,下文我們會提到。

3
 
氫氣是工業副產品

  如果只是前期推廣,氫氣需求量不大,不需要專門建廠制備,可以把工業的“副產氣”運用起來。

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  比如氯堿、焦化、鋼鐵、冶金工業的副產氣,還有更上游的石油焦炭行業的化石能源重整或者生物質熱裂解過程的副產氣。

  此外,有些可再生能源發電站的棄電,比如風電光電,甚至核電站的低谷電,都可以通過電解水把能量儲藏在氫氣當中。

4
 
工況效率高

  堆棧的效率在66%左右,氫燃料電池系統的效率可以達到60%以上,驅動電機的效率在90%以上,因此氫燃料電池汽車的整體效率比柴油機要高一截。

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  更重要的是,柴油汽車只有在很窄的轉速區間能得到50%左右的效率,而氫燃料電池汽車可以長時間保持55%左右的效率,平均效率高非常多,可節省很多能源。

5
 
安靜

  與活塞式結構不同,質子交換膜工作不需要有振動和聲音,不然你就會在車廂里面不斷聽到數錢(鉑金)的聲音。

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6
 
世界真的不缺氫元素

  氫是宇宙當中最豐富的化學元素,一個質子加一個電子就組成了Hydrogen,因此也是宇宙中最早誕生的元素,比化學結構極為復雜的化石燃料要小清新得多。

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  最重要的是,氫在宇宙中含量極高,氫及其同位素占全部元素的75%,完全不可能枯竭。

7
 
核聚變發電

  核聚變發電實用化之后,需要比重力蓄能水庫、飛輪儲能裝置更方便的儲能介質,用電來制氫儲能或是將來一大儲能方案,甚至可以成為國家能源安全保障的重要環節。

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氫燃料電池的四大軟肋
1
 
貴貴貴

  二代Mirai起售價高達4.95萬美金,折合人民幣31.6萬元。

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  這可是在美國市場啊,你要知道美國市場買個邁銳寶才多少錢,2.2萬美金。

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  整臺超跑開一下,Corvette也不過5.99萬美金起步,你的龜速Mirai要價4.95美金,掙白左的錢真容易……

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  不過不是豐田不厚道,一代Mirai要價5.75美元,跟超跑Corvette基本持平,二代已經降價了,但受限于鉑催化劑成本和堆棧造價,氫燃料電池汽車短期內不可能便宜下去。

2
 
制氫難:大幅度提升制氫產量需要錢

  中國制氫量在2009年開始就是全球第一了,但依然不太夠用。為了扶持氫燃料電池汽車產業,國家出面在11省份組建了23個制氫項目,響應氫能產業發展。

  其中,電解水制氫項目占比30%,焦爐氣制氫項目占比26%。

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  除了可行性比較強的4種制氫法之外,我們還可以考慮廢塑料制氫、光合生物制氫、農作物生物質制氫,只不過后者目前技術門檻太高了。

3
 
儲氫難:儲氫/運氫都很有技術含量

  儲氫裝置技術門檻高,成本也高。我們現在有四種主要的氫氣儲藏方式,氫燃料電池汽車用的是加壓,一般壓到700個大氣壓就接近極限了,再高的話成本太高。

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  目前二代Mirai裝了三個氫罐,5.6kg氫氣儲量。豐田并未公布新的壓強數據,而一代Mirai用的是70MPa氫罐,重量百分比為5.7wt%,意味著氫氣占據整套儲氫系統重量的5.7%,儲氫裝置占比94.3%。

  高壓儲氫罐的技術含量很高,重量輕、強度高、抗滲透、易量產、防顛簸,即使泄露也會通過閥門關閉自動設備防止氫氣傳入車艙內部。至于大家質疑的碰撞爆炸風險,其實氫氣的燃燒條件比汽油高多了,而且沒有行車是在開闊空間中,多數情況只會燃燒不會爆炸。

4
 
加氫難:建站成本上天

  目前妨礙氫燃料電池汽車推廣的一大軟肋是加氫站的建站成本是在太高了,隨便都是200萬美元級別的,人民幣也要一千多萬。

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  因此,前期推廣氫燃料電池汽車,更適宜做商業運營業務,點對點少量建站就行了。

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  不然,你一邊要維持加油站的密度,一邊大興土木建設充電站,一邊花重金大搞加氫站,基建狂魔也受不了這吞金獸。

 
氫燃料電池的環保性能

  大家都說新能源是環保的。

  如果我們的討論過程足夠嚴謹,那么48V BSG就不會是“新能源”,它只能算作內燃機節能科技的其中一項;HEV非插電輕混也被撇除在外,連國家補貼都從來不為其貢獻一分。

  若要深研“新能源”編年史,以二次電池為精神要領的BEV純電車型也將面臨“裝嫩”彈劾,畢竟汽油車發明自19世紀80年代,而純電動汽車還要比它早半個世紀——那時候的人們還活在蒸汽鍋爐的浪漫煙霧中,并不知“吸/壓/爆/排”四個簡單動作可以徹底改變人類歷史進程。

  于是我們陷入沉思,何為“新”能源?

  BEV純電車并不新,而且污染非常可怕,整的都是寸草不生的重金屬污染,而不是排點廢氣那么友好。

  環保的新能源很多,比如核能、地熱能、太陽能、潮汐能、風能、水能(海洋能)、生物質能,其中以核能效率最高。

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  不過,有一點是值得玩味的——上述的“新”能量,絕大多數都會通過“電能”來呈現,而電能卻像是一種服務產業,即時生產、即時消費、保存成本與難度極高。

  有解決方案嗎?有,儲能水電站是其中一個解決方案,而壓縮氫氣是更加理想的存儲、運輸、消費電能的介質。

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  我們不敢肯定未來社會一定是屬于“氫”的,氫燃料電池車甚至可能在成本無法大幅降低、加氫站網絡無法鋪開、制氫與儲氫技術無法突破等壓力下退出市場成為歷史,但有一點是肯定的:氫能社會所代表的“環保”理念是真正的環保,整個氫燃料電池能量轉化過程的副產品只有“水”——我們的生命之源。

 
哪些國家在攻堅氫燃料電池?

  毫無疑問的是,日本是當前的氫燃料電池研發第一大國,中國坐第二把交椅應該沒人反對吧?

  為了扶持車企研發氫燃料電池汽車,中石化計劃在十四五期間建造1000座加氫站。2020年,中國燃料電池價值鏈投融資達到515.2億元,同比增長78.5%。

  此外,韓國因為國境窄小,全國天氣預報半分鐘能播完,所以也在跟著整氫燃料電池,技術完成度不比日本差太多,比中國要強,中國氫燃料電池產業暫時“大而不精”。德國也很熱衷氫燃料電池,奔馳寶馬奧迪都有過研發歷史,奔馳更是希望將系統搬上他們的傳統強項平頭重卡上面。

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  包括氫燃料電池在內的燃料電池系統,除了為電動汽車提供電力之外,還能為電動船、住宅供電,再小一點功率的堆棧可以用作UPS應急電源、航空電源、移動電源,再大功率的可以在發電站集中發電。

  下表是國際氫能協會(Hydrogen Council)的主要成員企業,當前協會一共有109家成員企業,歐洲企業不少,但發力遠沒有中國日本的大。

國際氫能委員會主要成員
戴姆勒集團寶馬集團奧迪
豐田集團通用集團本田
現代長城濰柴
道達爾殼牌米其林
英國石油博世中國能建
蒂森克虜伯微軟川崎重工
空中巴士阿爾斯通雪佛龍
馬勒李斯特三菱重工

  然而中國并非氫燃料電池的熱衷粉絲,我更愿意相信中國把氫燃料電池看作第二條賽道,可進可退的替代方案。我兔真正傾情的不是FCV方案,而是BEV純電動車方案。

  個中緣由就有點陰謀論的成分了:別看中美永遠在掐架,實際上聯合國五大善人都是明面在斗,內部一直都在維護團體利益一致對外杠的。

  當年日本要用MD機替代CD機,中美一致走MP3路線甩開日本;當年日本鐘情等離子面板,中美一致走液晶路線;當年日本投重本弄氫燃料電池,中美一致走純電動發展路線。豐田是近年才終于投了幾百億去大力研發純電動的,你現在才發現中美不帶你玩?

  氫燃料電池汽車產業最終是否能立起來,看的是大國利益之間的博弈結果,跟它是否真的環保,關系不大。打壓對方的發展權才是重中之重。

  誰跟你說抑制全球變暖是為了環保的?格局小了哈。

(圖/文/攝:太平洋汽車網 黃恒樂)

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