首页 鸿研 需求 视频 产品 专栏 招聘 活动 社区 APP下载 登录/注册
氢燃料电池车才是汽车的未来 吗?
材料人网小谭     2021-08-17 微信扫码分享  
最近一段时间,动力电池行业热闹非凡。电动车上半年卖出去去年全年的量。宁德时代先是抛出钠离子电池,接着定增582亿大手笔。其他各家企业也纷纷宣布扩产计划。连上游的盐湖提锂概念火爆市场。

相比之下,另一个好兄弟——氢燃料电池车似乎就没有那么热闹。


氢燃料电池车已经跟纯动力车不在一个级别上。2021年至今,国内纯电动销售122.7万辆,而燃料电池车是675辆。即使按照规划,燃料电池车与纯电动也相差甚远。按照中国汽车工程学会牵头修订编制的《节能与新能源汽车技术路线图2.0》,到2035年新能源汽车占汽车总销量50%以上,纯电动则将占到新能源汽车的95%以上。而对于燃料电池,目标是2035年保有量达到100万辆左右。

氢燃料电池车不是新鲜物件,也跟纯电动车并不是你死我活的角色。氢燃料电池听起来像是电池,实际是发电装置。它的工作原理是将储氢罐中氢气输送到电堆中与氧气发生化学反应产生电能后驱动电动机运转。车内还备有储能电池,用于缓冲、稳定、回收电能。我们可以把燃料电池堆看做增程器,储氢罐相当于油箱。

与纯电动相比,氢燃料电池有很多优点,得到很多人推崇。氢是地球上最丰富的元素之一,不受资源限制;能量密度高,燃料电池车续航轻松过500公里;燃料加注时间短,几分钟即可。看起来氢燃料电池车跟燃油车更像。所以一直以来有观点认为,在新能源汽车领域,氢能汽车要优于电动汽车,氢能源汽车才能代表未来。但是市场反应如此,氢燃料电池车没有走进千家万户,自然有原因在。

原因可能有很多,但最主要的可能还是成本。

从源头上,氢的成本就很高。按照工艺不同,氢制备可以分为灰氢、蓝氢、绿氢。灰氢即利用传统化石能源制取氢气。这种方式会排放二氧化碳。与我们现在追求碳中和碳达峰不符。蓝氢是在灰氢的基础上,利用碳捕获技术降低排放。这是个折中的办法。绿氢是用光伏发电、风电以及太阳能等可再生能源电解水制氢,全过程无排放。

根据测算,煤制氢的二氧化碳排放量是1:11,石油制氢的二氧化碳排放量则是1: 7,天然气制氢的二氧化碳排放量是1:5.5。综合多个数据来源显示,化石来源制氢要占供氢主体95%以上,电解水制氢占的百分比仅个位数。所以说,氢燃料电池车暂时还谈不上环保。

用化石能源制氢行不行呢?行是行,但是直接开燃油车不更好?所以,还得是大力发展绿氢。

可再生能源电解水制氢占比这么低的原因是成本过高。业内估计,同等规模的制氢系统,电解水制氢的造价约为天然气制氢的1.5倍、煤制氢的3倍。

电解水制氢降低成本有2条路:降低电解过程中的能耗或者更低的电价。

目前主流的电解水制氢技术有三种类型:包括碱性电解水制氢、质子交换膜电解水(PEM)制氢和固态氧化物电解水(SOEC)制氢。碱性电解水制氢是最为成熟、产业化程度最广的制氢技术,但其电解效率仅为60-75%,电能能耗大,每立方米H₂消耗电能约4.5-5.5kWh。PEM技术与SOEC技术均能有效提高电解效率,但还不成熟。

电解水制氢成本80%在电费。据测算,当到户电价在0.25元/千瓦时左右时,可再生能源电解水制氢的成本才会与传统化石能源制氢相当。

电动车一个很大的缺陷是能量密度不高。锂离子电池200-300wh/kg。而且锂已经是最轻的金属,是电化学电池最优解。汽油的能量密度在12 kwh/kg以上。而氢的能量密度约33.6kwh/kg,比汽油还要高2倍多。

但是这里其实玩了一个文字游戏。汽油在常压下是液态。氢在常压下是气态。标准大气压下,1L汽油有700-750克,而1L氢气仅0.0899g。所以,如果标准大气压下,比体积能量密度,氢气是真不够看的。

所以要使氢气成为一种能量载体,氢的体积能量密度需要使用液化、压缩或者储氢合金手段大幅度提高。储氢合金手段尚不成熟,所以主要是高压储氢或者液氢。

氢气液化不能在常温下进行,其临界温度大约为零下234度。液化1kg的氢气就要消耗4-10千瓦时的电量。储液氢的容器需要耐超低温和保持超低温。这种技术一般不会用在乘用车,主要是航天和运输氢领域。

高压储氢技术相对成熟。中国车载储氢中主要使用35 MPa的III型瓶,70 MPa 瓶也已研发成功并小范围应用。但高压气态储氢对于罐体材质有很高的要求。例如丰田氢燃料车采用的储氢罐有四层结构,铝合金制成罐体,内部衬塑料内胆,往外包裹碳纤维强化塑料保护层,再往外玻璃纤维减震层。一个储量5kg的储能罐重达100kg。最新的丰田Mirai燃料车搭载了3个储氢罐,最大的可装5kg,续航650公里。

而且我们还要考虑氢脆——氢在高温高压之下还会部分分解成原子氢,溶于钢材中使材料的力学性能脆化,进而导致储氢、运氢的设备脆化甚至开裂。

中国电动汽车百人会副理事长欧阳明高教授曾对外表示"锂离子电池系统更适合替代汽油机,氢燃料电池系统更适合替代柴油机";中国汽车工业协会常务副会长董扬也曾表示"就当前的技术状况而言,动力蓄电池电动汽车更适用于城市、短途、乘用车,而燃料电池汽车更适用于长途、重载、商用车。

所以,我们还是期待氢燃料车在商用车上的发展吧。

本文由大风吹供稿。


暂无留言
专栏最新文章