如意娱乐vip电子:电池研究院:氢燃料电池与1000km续航

2021-06-24 00:10:21 作者:黄恒乐

太阳城官方棋牌 www.cpzx8.com 电池研究院:氢燃料电池与1000km续航

 
氢燃料电池是“电池”吗?

  今年5月底,有一台第二代丰田Mirai氢燃料电池车从法国南郊Orly机场旁边的HysetCo Orly加氢站满气出发,一路行走了1003km才停摆,打破了单次加注氢气行驶巡航里程的世界纪录,而这次5.6kg的加氢过程仅仅耗时5分钟。

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  大家都说动力电池续航很差,怎么就有1000km续航的量产电动车了?

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  因为氢燃料电池汽车虽然也是纯电驱动的,但氢燃料电池并非传统的“电池”,而是相当于汽油机的能量转换装置,储氢罐才是相当于油箱/动力电池的储能装置。

 
氢燃料电池的结构与原理

  “氢燃料汽车”与“氢燃料电池汽车”是两种完全不同的事物。

  氢燃料汽车是内燃机汽车,氢气进入活塞式内燃机燃烧得到动能,进而驱动汽车。

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  氢燃料电池汽车是我们今天要聊的主题,氢气进入燃料电池堆栈之后生产电力进而驱动汽车,是纯电驱动的。

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  丰田是目前设计制造氢燃料电池乘用车经验最丰富的的厂家。2015年1月,丰田为了拉大家一起进入这个行业,宣布无偿公开5680件燃料电池汽车专利给业界,希望用这些花了丰田23年时间研发的核心技术能让更多企业入局平摊基建成本。

  类似的专利共享行为,特斯拉之前也做过,结果一举引爆了中国的造车新势力浪潮,最多的时候有超过200家注册公司,只不过现在活下来的就寥寥数家。氢燃料电池行业则是另一番景象,目前也就中国某些大企业的项目组和小的初创企业有点反响,其他国家基本没有集体回应的。

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  现在说回氢燃料电池技术,我们以丰田为例。但因为二代Mirai没有公开透视图,所以我们继续用一代Mirai的图来讲解,原理是完全一致的。

  首先说明一点,“燃料电池系统”不一定要利用氢气来发电,只是目前比较通用的燃料是氢气罢了。丰田燃料电池系统有三大组成部分,下面已经列出,分别是:堆栈、升压、氢罐。

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  我们先来说物理布局。

  跟几乎所有新能源车一样,如果把它造得过于挑战常规审美,车再好也一定卖不出去,比如腾势300/400/500系列。

  聪明的燃料电池车生产商依然利用现在的轿车、MPV、SUV车型去打造新车,比如下图的一代Mirai就把上面提到的三大核心系统放在了两轴之间,电动机则放在车头,因此它是一台前驱车。

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  下图二代Mirai为了提升续航,增加了一个大大的中置氢罐,放在连通前后排的鞍座下方,也就是中央扶手箱正下方。

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  下图简单明了地说明了氢燃料电池工作的1-6步骤:

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  氢气与氧气的反应发生在堆栈当中,氢燃料电池整包是由下图这种一片片的结构组成的。

  氢气通过左边蓝色的负极,被催化剂“铂”分解成电子和氢离子(质子),质子继而通过中间灰色那块的质子交换膜(电解质膜),到达右边绿色的正极,氢与氧反应变成水和热量。

  与此同时,电子从负极流向正极,产生了驱动电机的、从正极流向负极的外部电流。

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  不过因为燃料电池堆栈要用到铂,就是你们求婚时候用的钻戒材料,所以堆栈的造价非常贵。

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  此外,燃料电池还有以下几样核心技术,大家简单了解一下就行:

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  堆栈造价太高,不宜制造过大的堆栈,所以氢燃料电池汽车还是得用到锂离子电池包,不过容量可以做得很小,只是作为电能的中转站而已,当动力需求很大时可以应付得上。

 
氢燃料电池的实用性
1
 
加氢真的很快

  BEV纯电动汽车推广的难处在于补能速度太慢了,即使用上800V电压平台,也需要一个多小时才能完成补能,而汽柴油车主早已习惯了3分钟完成加油补能。

  FCV氢燃料电池车的优势在于,数公斤的高压氢气仅需5分钟左右就能完成补能,耗时不过多了2分钟而已,而BEV纯电动汽车则多了30倍。

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  蔚来推出的民用化换电模式,其实是在电池能量密度有限、快充速度有限的技术前提下的优良过渡方案,结果被其他利益群体骂得一塌糊涂。只能说句可惜了。

2
 
氢气的能量密度很高

  我们从下表的估算值,能了解到氢气为什么被选作燃料电池的主要能量载体,因为它真的太高能了!

常见物质能量密度
物质能量密度(MJ/kg)
干火柴0.13
镍氢电池0.40
锂离子电池0.72
标准煤20.8
汽油43.1
天然气41.9
氢气140.4

  不过跟汽油不同的是,汽油是常压的,而氢气必须通过高压才能塞进这么小的车体里面,因此高压储氢罐是一道很高的技术门槛,下文我们会提到。

3
 
氢气是工业副产品

  如果只是前期推广,氢气需求量不大,不需要专门建厂制备,可以把工业的“副产气”运用起来。

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  比如氯碱、焦化、钢铁、冶金工业的副产气,还有更上游的石油焦炭行业的化石能源重整或者生物质热裂解过程的副产气。

  此外,有些可再生能源发电站的弃电,比如风电光电,甚至核电站的低谷电,都可以通过电解水把能量储藏在氢气当中。

4
 
工况效率高

  堆栈的效率在66%左右,氢燃料电池系统的效率可以达到60%以上,驱动电机的效率在90%以上,因此氢燃料电池汽车的整体效率比柴油机要高一截。

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  更重要的是,柴油汽车只有在很窄的转速区间能得到50%左右的效率,而氢燃料电池汽车可以长时间保持55%左右的效率,平均效率高非常多,可节省很多能源。

5
 
安静

  与活塞式结构不同,质子交换膜工作不需要有振动和声音,不然你就会在车厢里面不断听到数钱(铂金)的声音。

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6
 
世界真的不缺氢元素

  氢是宇宙当中最丰富的化学元素,一个质子加一个电子就组成了Hydrogen,因此也是宇宙中最早诞生的元素,比化学结构极为复杂的化石燃料要小清新得多。

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  最重要的是,氢在宇宙中含量极高,氢及其同位素占全部元素的75%,完全不可能枯竭。

7
 
核聚变发电

  核聚变发电实用化之后,需要比重力蓄能水库、飞轮储能装置更方便的储能介质,用电来制氢储能或是将来一大储能方案,甚至可以成为国家能源安全保障的重要环节。

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氢燃料电池的四大软肋
1
 
贵贵贵

  二代Mirai起售价高达4.95万美金,折合人民币31.6万元。

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  这可是在美国市场啊,你要知道美国市场买个迈锐宝才多少钱,2.2万美金。

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  整台超跑开一下,Corvette也不过5.99万美金起步,你的龟速Mirai要价4.95美金,挣白左的钱真容易……

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  不过不是丰田不厚道,一代Mirai要价5.75美元,跟超跑Corvette基本持平,二代已经降价了,但受限于铂催化剂成本和堆栈造价,氢燃料电池汽车短期内不可能便宜下去。

2
 
制氢难:大幅度提升制氢产量需要钱

  中国制氢量在2009年开始就是全球第一了,但依然不太够用。为了扶持氢燃料电池汽车产业,国家出面在11省份组建了23个制氢项目,响应氢能产业发展。

  其中,电解水制氢项目占比30%,焦炉气制氢项目占比26%。

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  除了可行性比较强的4种制氢法之外,我们还可以考虑废塑料制氢、光合生物制氢、农作物生物质制氢,只不过后者目前技术门槛太高了。

3
 
储氢难:储氢/运氢都很有技术含量

  储氢装置技术门槛高,成本也高。我们现在有四种主要的氢气储藏方式,氢燃料电池汽车用的是加压,一般压到700个大气压就接近极限了,再高的话成本太高。

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  目前二代Mirai装了三个氢罐,5.6kg氢气储量。丰田并未公布新的压强数据,而一代Mirai用的是70MPa氢罐,重量百分比为5.7wt%,意味着氢气占据整套储氢系统重量的5.7%,储氢装置占比94.3%。

  高压储氢罐的技术含量很高,重量轻、强度高、抗渗透、易量产、防颠簸,即使泄露也会通过阀门关闭自动设备防止氢气传入车舱内部。至于大家质疑的碰撞爆炸风险,其实氢气的燃烧条件比汽油高多了,而且没有行车是在开阔空间中,多数情况只会燃烧不会爆炸。

4
 
加氢难:建站成本上天

  目前妨碍氢燃料电池汽车推广的一大软肋是加氢站的建站成本是在太高了,随便都是200万美元级别的,人民币也要一千多万。

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  因此,前期推广氢燃料电池汽车,更适宜做商业运营业务,点对点少量建站就行了。

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  不然,你一边要维持加油站的密度,一边大兴土木建设充电站,一边花重金大搞加氢站,基建狂魔也受不了这吞金兽。

 
氢燃料电池的环保性能

  大家都说新能源是环保的。

  如果我们的讨论过程足够严谨,那么48V BSG就不会是“新能源”,它只能算作内燃机节能科技的其中一项;HEV非插电轻混也被撇除在外,连国家补贴都从来不为其贡献一分。

  若要深研“新能源”编年史,以二次电池为精神要领的BEV纯电车型也将面临“装嫩”弹劾,毕竟汽油车发明自19世纪80年代,而纯电动汽车还要比它早半个世纪——那时候的人们还活在蒸汽锅炉的浪漫烟雾中,并不知“吸/压/爆/排”四个简单动作可以彻底改变人类历史进程。

  于是我们陷入沉思,何为“新”能源?

  BEV纯电车并不新,而且污染非??膳?,整的都是寸草不生的重金属污染,而不是排点废气那么友好。

  环保的新能源很多,比如核能、地热能、太阳能、潮汐能、风能、水能(海洋能)、生物质能,其中以核能效率最高。

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  不过,有一点是值得玩味的——上述的“新”能量,绝大多数都会通过“电能”来呈现,而电能却像是一种服务产业,即时生产、即时消费、保存成本与难度极高。

  有解决方案吗?有,储能水电站是其中一个解决方案,而压缩氢气是更加理想的存储、运输、消费电能的介质。

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  我们不敢肯定未来社会一定是属于“氢”的,氢燃料电池车甚至可能在成本无法大幅降低、加氢站网络无法铺开、制氢与储氢技术无法突破等压力下退出市场成为历史,但有一点是肯定的:氢能社会所代表的“环保”理念是真正的环保,整个氢燃料电池能量转化过程的副产品只有“水”——我们的生命之源。

 
哪些国家在攻坚氢燃料电池?

  毫无疑问的是,日本是当前的氢燃料电池研发第一大国,中国坐第二把交椅应该没人反对吧?

  为了扶持车企研发氢燃料电池汽车,中石化计划在十四五期间建造1000座加氢站。2020年,中国燃料电池价值链投融资达到515.2亿元,同比增长78.5%。

  此外,韩国因为国境窄小,全国天气预报半分钟能播完,所以也在跟着整氢燃料电池,技术完成度不比日本差太多,比中国要强,中国氢燃料电池产业暂时“大而不精”。德国也很热衷氢燃料电池,奔驰宝马奥迪都有过研发历史,奔驰更是希望将系统搬上他们的传统强项平头重卡上面。

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  包括氢燃料电池在内的燃料电池系统,除了为电动汽车提供电力之外,还能为电动船、住宅供电,再小一点功率的堆栈可以用作UPS应急电源、航空电源、移动电源,再大功率的可以在发电站集中发电。

  下表是国际氢能协会(Hydrogen Council)的主要成员企业,当前协会一共有109家成员企业,欧洲企业不少,但发力远没有中国日本的大。

国际氢能委员会主要成员
戴姆勒集团宝马集团奥迪
丰田集团通用集团本田
现代长城潍柴
道达尔壳牌米其林
英国石油博世中国能建
蒂森克虏伯微软川崎重工
空中巴士阿尔斯通雪佛龙
马勒李斯特三菱重工

  然而中国并非氢燃料电池的热衷粉丝,我更愿意相信中国把氢燃料电池看作第二条赛道,可进可退的替代方案。我兔真正倾情的不是FCV方案,而是BEV纯电动车方案。

  个中缘由就有点阴谋论的成分了:别看中美永远在掐架,实际上联合国五大善人都是明面在斗,内部一直都在维护团体利益一致对外杠的。

  当年日本要用MD机替代CD机,中美一致走MP3路线甩开日本;当年日本钟情等离子面板,中美一致走液晶路线;当年日本投重本弄氢燃料电池,中美一致走纯电动发展路线。丰田是近年才终于投了几百亿去大力研发纯电动的,你现在才发现中美不带你玩?

  氢燃料电池汽车产业最终是否能立起来,看的是大国利益之间的博弈结果,跟它是否真的环保,关系不大。打压对方的发展权才是重中之重。

  谁跟你说抑制全球变暖是为了环保的?格局小了哈。

(图/文/摄:太平洋汽车网 黄恒乐)

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