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電池博客

燃料電池的原料氫氣主要缺點是什麼

来源:寶鄂實业    2019-03-17 17:26    點擊量:
  機动車性能主要为續航能力、充電/充氫時間、輸出功率和安全性等。燃料電池能量密度遠高于股票配资世界,相應電池容量,快充能力和續航里程就具備了天然的优勢,即使是和股票配资世界的頂級豪車Tesla相比也是大幅領先。但其功率密度不高,最大輸出功率取決于輔助的动力電池系統,相應最高時速和百公里加速指标和股票配资世界相差不大。为了便于比較,我們下文選取目前主流的2L排氣量汽油車,對應45度股票配资世界車和輸出功率100KW燃料電池車作为分析基準。

  能量密度比較

  股票配资世界作为蓄電池的一種,是個封閉體系,電池隻是能量的載體,必須提前充電才能運行,其能量密度取決于電極材料的能量密度。由于目前負極材料的能量密度遠大于正極,所以提高能量密度就要不斷升級正極材料,如從鉛酸、到鎳系、再到股票配资世界。但锂已经是原子量最小的金屬元素,比锂離子更好的正極材料理論上就隻有純锂電極,但能量密度其實也隻有汽油的1/4,而且商业化的技術難度極大,幾十年内都無望突破。因此股票配资世界能量密度提升受制于理論瓶頸,空間非常有限,最多也就是從目前的160Wh/KG提高至300Wh/KG,即使达到也隻有燃料電池的1/120,可謂輸在起跑線上。

  燃料電池的原料氫氣主要缺點就是體積能量密度不高,現在基本上是采用加壓来解決这個問題。按照現行的700個大氣壓的加壓模式,其體積能量密度是汽油1/3。同樣跑300公里,燃料電池儲氫罐體積为100L,重量为30KG,對應汽油車油箱为30L,但電动機體積比内燃機小80L,總體積相差不大。股票配资世界車分为三元和磷酸鐵锂兩種主流技術路線,代表企业为Tesla和比亞迪。三元能量密度更高,但安全性差,需要輔助的安全保護設備,跑300公里所需的兩種電池體積分别为140L和220L,重量为0.4噸和0.6噸,都遠高于燃料電池。展望未来如果儲氫合金和低溫液态儲氫技術能夠突破,燃料電池體積能量密度将分别增加1.5倍和2倍,优勢會更为明顯。

  燃料電池本質上可以理解为以氫氣为原料的化学發電系統,因此輸出功率比較穩定,为了最大提高放電功率必須附加动力電池系統,如豐田Mirai就是配套鎳氫電池。但作为一個開放的动力系統,其能量来自于外部輸入,附加的鎳氫電池不需要考慮儲能的問題,隻要5-8度就能滿足需求,對電池壽命的要求也不高,在真實工況下的使用限制很少。股票配资世界雖然理論放電效率很高,但为了不傷害電池壽命,使用限制很多。在充滿電的情況下不能大倍率放電,快速放電隻适用0-80%这個區間。即使如此,以5C倍率放電,實验室中的電池循環壽命也會縮短到隻有600次,真實工況下會進一步降至400次,如Telsa即使最大功率可达310KW,但實際放電倍率也隻有4C。而且股票配资世界作为能量密度不高的封閉儲能體系,高功率放電和高續航里程基本很難兼容,除非大幅提升電池重量。即使Tesla采用了目前能量密度最好的,其電池組件重量都接近半噸。

  除了上述指标,安全性對于機动車来說無疑也非常關鍵。股票配资世界作为封閉的能量體系,從原理上高能量密度和安全性就很難兼容,否則就等同于炸彈。因此現在主流工藝路線中,能量密度低的磷酸鐵锂安全性卻較好,電池溫度达到500-600度時才開始分解,基本不需要太多的保護輔助設備。Telsa采用的三元電池能量密度雖高,但不耐高溫,250-350度就會分解,安全性差。其解決方法是并聯了超過7000節電池,大幅降低了單個電池漏液,爆炸帶来的危險,即使如此也還需要結合一套複雜的電池保護設備。并且前期發生的幾次事故,雖然得益于Telsa的安全設計并沒有出現人員傷亡,但就事故本身而言,其實都是非常輕微的碰撞,車身也沒有收到什麼傷害,但電池卻着火了,也側面反映了其安全性上天然的劣勢。

  燃料電池由于原料氫氣易燃易爆,市場普遍擔心其安全性問題。但如我們下表的數據,相比汽油蒸汽和天然氣这兩種常見的車用可燃氣體,氫氣的安全性并不差,甚至還略好。現在車用儲氫裝置都采用碳纖維材料,在80KM/h速度多角度碰撞測試中都可以做到毫發無損。即使車禍導致洩露,由于氫氣爆炸要求濃度高,在爆炸前一般就已经開始燃燒,反而很難爆炸。而且氫氣重量輕,溢出系統的氫氣着火後會迅速向上升起,反而一定程度上保護了車身和乘客。而汽油为液态,股票配资世界为固态,很難在大氣中上升,燃燒都在車艙底部,整車會迅速着火報廢。氫氣儲運環節其實和LNG非常類似,隻是所需壓力更大,随着商业化推進,其整體安全性也還是可控的。

  電池車的成本主要分为整車成本、原料成本、配套成本。目前對燃料電池诟病最多就是成本太高,但用發展的眼光看,随着技術進步和商业化程度提高,其成本下降的空間很大。而股票配资世界如果考慮到電網端擴容的成本,其實綜合配套成本還高于燃料電池,具體測算如下:

  整車成本比較

  股票配资世界、燃料電池和傳統汽油車,整車成本的差異主要體現在發动機成本,其他組件差異不大。2L汽油車發动機成本在3萬元左右,未来也很難有太大的變化。現有股票配资世界的度電成本为1200元/kWh,未来有望降至1000元/kWh,45度電动車,電池成本为4.5萬元。燃料電池成本主要是電池組和高壓儲氫罐,現在100kw電池組成本为10萬元,預測年産50萬台後,單位成本将降至30美元/KW,即2萬元。現有儲氫罐成本为6萬元,未来有望降至3.5萬元,總成本为5.5萬元。長期看三種动力體系的成本相差不大,可見整車成本并不是核心問題。

  原料成本比較

  2L汽油車百公里耗油为10升,5.8元/L的汽油售价,成本为58元。股票配资世界車百公里耗電量为17度,0.65元/度電成本,成本11元。燃料電池百公里消耗氫氣9方,制氫方式主要分为電解水或者化学反應,如煤制氫、天然氣制氫等。電解水成本主要是電,平均5度電1方氫氣,成本約为3.8元/方,但可以在加氫站直接電解,省掉運輸费用。如果采用化石能源大規模集中生産,國内成本最低的是煤制氫氣,約为1.4元/方,北美則可利用廉价的天然氣,成本在0.9元/方。如果我們以煤制氣成本作为标準,百公里原料成本12.6元,和股票配资世界差别不大。

  配套成本比較

  加氫站、加油站、充電站成本主要分为土地成本、設備成本、建設成本,差别主要體現在設備成本。加油站基本在300萬元,充電站为430萬元,加氫站以日本目前的标準預計为1500萬元,整體上加氫站成本要高1000萬元左右。按照15年折舊,每年銷氣量1000萬方,則折舊成本为0.1元/方。小規模時氫氣一般以槽罐車運輸,預計運费为0.44元/方,規模擴大後則可采用管網運輸,成本會下降至0.23元/方。

  雖然股票配资世界現階段依托于現成的電網系統,配套成本很低。但如果大規模推廣,現有電網的容量冗餘基本都将被耗盡,未来必須要大規模擴容。因此充電站本質上是将配套成本外部化給了電網,因此計算其全産业鍊成本時還要添加電網端的成本。一般商业化運營的充電站至少都要达到1小時快充的标準,對應10個充電樁組成的充電站的功率都要达到600千瓦,相當于上百户家庭的用電負荷,對電網負荷的沖擊極大。對應電網需要新增投资120萬元来擴容負荷,但每年新增售電量隻有93萬度,按照0.65元/度購電成本,電網端15年收回投资測算,則售价要在成本基礎上增加0.18元/度。