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氢燃料电池汽车相比电动汽车,有哪些优劣势?

 本文转载自:知乎,作者:张抗抗,封面:东方IC


早在十几年前,我还在读书的时候,凭借零污染、可再生、加氢快、续航足等优势,氢燃料电池技术在理论上完爆石油与锂电池,被誉为车用能源的“终极形式”。


美中不足的是,氢燃料电池技术的产业化进度一直很慢,迟迟无法落地,经常被放在2050年这个尺度的“远景”上去讨论。于是我们戏谑:


H2是未来的完美技术,但它永远只存在于未来!


在过去十年中,由于锂电池技术及产业化的突飞猛进,氢燃料电池技术被过度轻视。而最近一两年,氢燃料电池又重新引起了注意,原因之一就是纯电动车遇到了两个硬核问题:



  • 续航卡在下一代锂电池技术突破:随着电动车行业的迅速崛起,消费者的选择越来越多,相应的,对续航也会在满足日常使用情况的要求下逐渐提高。假设若一辆纯电车工况续航能达到800公里,这也许需要依赖于下一代锂电池技术的突破。


  • 能量密度卡在物理化学的极限:锂电池能量密度太低,若以多堆电池的方法增加续航,就会造成过多能量浪费在运输电池本身的尴尬情况,既不经济,也不合理。在过去十年中,锂电池的能量密度已经提高了2.5倍,就不能再给力一点,再提高2倍吗?答案是很困难,因为这种涉及物理化学原理的东西,不可能遵循摩尔定律,再提升就触碰到了安全极限,性能与安全不可兼得了。要想解决这个问题,得在锂固态电池的技术路线上努力了。


东方不亮西方亮。消费者在对于纯电动续航里程和充电时间上的期待,不正是氢燃料电池的拿手好戏吗?很多方面,氢燃料汽车避免了纯电车的短板,反而与传统燃油车的特性很像,例如:


氢气的能量密度比燃油大,比锂电池高上百倍。我们都知道,燃油与氢气释放能量都是一个氧化过程,要么是原子量为12的碳被氧化、要么是原子量为1的氢被氧化。汽油柴油都是碳氢化合物,而氢气只含氢,所以能量密度甚至更高。当然,考虑到比油箱复杂得多的储氢系统,情况会不一样。


加氢与加油都只需要三五分钟。如此一来,车主就不必到处找充电桩,免去充电等待的时间了。当然,加氢站不像加油站到处都是,基础设施建设是个问题。



如此说来,在续航与充能方面,氢燃料电池车与传统燃油车,真的很像??!只不过一个是烧油,一个是烧氢。既然这么像,咱们为啥不直接用传统燃油车,还要开发氢燃料电池车呢?答案就是,相对于传统燃油车,氢燃料电池车同时具有节能减排的新能源车属性。


减排:氢燃料电池的反应方程式非常简单,氢气+氧气→水。不仅没有氮氧化物这种有毒气体,就连二氧化碳都没有??!当然,这一点与电动车碳排放的争议相似,从全生命周期的角度来看,制氢是免不了有碳排放的。目前的主流观点是:即便是考虑70%的火电,纯电动车的碳排放还是优于燃油车,氢燃料电池车则与纯电动相当或更好。


可再生能源:相对地柴油汽油,氢能源最大的优势就是可再生。除了工业副产品制氢之外,还能通过煤制氢、利用谷电电解水制氢等,全生命周期的能源效率要优于汽油柴油。退一万步讲,能源效率还不如汽油柴油,但氢能源作为可再生能源,对石油对外依赖很强的中国、日本来说,依然是很有吸引力的选项。



和电动车相比,氢燃料电池车续航足、加氢快;和传统燃油车比,氢燃料电池车又具有节能减排的属性。虽然和两边比都有优势,但普遍认为燃料电池的产业化进程,要比纯电动慢5-10年,原因就在于有几个待解决的关键问题:


车载储氢技术:要论同样的重量,氢气的能量密度不低。然而,汽油柴油在自然条件下就是液体,而氢气要压缩成液体,还要保证安全,就需要一个挺大的储氢系统了。目前70兆怕的储氢系统,能量密度才每升800Wh。


燃料电池技术:主要是膜电极与空压机技术。一个是寿命问题,国内还只能做到几千小时耐久,日本丰田已经可以做到上万甚至几万小时;另外一个就是供应链问题,很多部件还依赖进口,成本大大上升。


加氢站基础设施建设:纯电动车目前面临充电不便的基础设施问题,氢燃料电池车也逃不过,甚至更严峻。纯电动车虽然充电慢,但除了超级快充站,在家里、单位里也能慢慢充,勉强可以用。若出行特性比较规律,甚至还挺方便,毕竟在家充电也省得跑加油站了,用车成本也更低。


丰田氢燃料车Mirai


氢燃料电池车没办法在家里加氢,只能依赖于加氢站;而加氢站成本很高,若用户规模不起来,那就得持续亏本运营,这种鸡生蛋、蛋生鸡的问题就非常难解决。所以普遍认为氢燃料电池车应该先应用在商用车上,因为商用车的路线比较规律,对加氢站数量的需求就比较小了。


除此之外,当前的工业副产品氢的纯度不够,在进一步提纯之前,无法直接用于氢燃料电池系统。


电动汽车与氢燃料电池汽车是对立的吗?


对大多数人来说,氢燃料电池车可能是于2018年第一次进入公众视野。有媒体将访问日本丰田事件过度解读,说国内电动汽车技术路线将改弦更张,几千亿补贴打了水漂之类的,想象力丰富。这种说法,实际上就是将氢燃料电池与电动汽车两个技术路线对立了起来。实际情况是这样吗?


首先我们看一下氢燃料电池车的工作原理。


氢燃料电池发动机,虽然叫做发动机,但并不直接输出扭转。更准确地说,它是一台“发电机”,输出电能驱动电机,同时也可以给锂电池充电。



这个结构图怎么有点似曾相识?对了,这不就是串联式混合动力汽车吗?事实上的确如此,包括丰田Mirai在内,氢燃料电池车都是“锂电池”+“燃料电池发动机”的混合体,区别只是谁的成分多一点,谁的少一点罢了。



如果电池大一点、可外接充电,那不就成了增程式电动汽车,和李想的理想智造ONE差不多啦?其实,就是差不多,只不过李想的增程式是烧油的,而氢燃料电池车的增程器是“烧”氢气的,这就是最主要的区别。


所以说,氢燃料电池车很多情况下,也是增程式电动汽车。既然二者在技术本质上就有如此深的渊源,那么贸然地将两个技术路线置于针锋相对的位置,肯定是不合理的。


理性的观点应该是,电动汽车路线与氢燃料电池技术路线是互补的、相辅相成的。目光长远的汽车企业,肯定不会把这两个路线对立起来。就拿丰田来说,别看它现在力推氢燃料电池,把专利都免费公开了,心窝子都快掏出来了,但在它的战略规划中,氢燃料电池的份额也只是和纯电动差不多。


再举个例子,对氢燃料电池技术不太热衷奥迪(可以一定程度上代表是大众集团的想法),在它的战略规划中,也是给氢燃料电池车一席之地的。


丰田对汽车电动化的看法


奥迪对汽车电动化的看法


插电混动、混动、纯电动,傻傻分不清楚?


谈起电动汽车,吃瓜群众立刻就能想到蔚来、威马、小鹏、荣威等一系列品牌,但谈起氢燃料电池车,大家恐怕还没什么印象。所以在此准备简单介绍3家典型相关企业。


第一家是国企,是国内规模最大、综合实力最强的上汽。上汽启动氢燃料电池项目较早,与清华、同济等高校合作,在世博会上就开始试运行了。2016年的时候,推出了国内唯一一款荣威950氢燃料电池乘用车,并采用了先进的70兆帕储氢系统。


荣威950氢燃料电池乘用车 


第二家可能有点出乎意料,这是一家造车新势力——爱驰汽车。


事实上,其德国子公司爱驰恭博的Gumpert Nathalie,就是一辆甲醇燃料电池跑车。这款跑车由奥迪Quattro之父Roland Gumpert亲自操刀设计,百公里加速2.5秒,续航1000公里。


爱驰Gumpert Nathalie


值得说道的是,Gumpert Nathalie是甲醇燃料电池,而不是氢燃料电池。甲醇燃料电池分两种:


  • 一种是甲醇重整制氢,相当于在氢燃料电池系统前,增加了一个甲醇制氢装置。这种甲醇燃料电池的优点是反应温度高。


  • 另一种就是直接将甲醇替代氢气,作为燃料电池系统的燃料。


爱驰Gumpert Nathalie采用的是甲醇重整制氢的技术方案,看似是增加了系统复杂度,但在氢气的制取、运输与储存等相关产业链问题的解决都还没有时间表的情况下,不失为一种快刀斩乱麻的优秀方案。



甲醇重整制氢的技术方案实际上就是将氢气的制取、运输与储存等环节,都揽成自己公司的活儿了,这样做虽然可以不依赖于产业链跑得更快,但系统集成与验证的挑战性也会更高。近日,爱驰汽车注资丹麦甲醇燃料电池系统开发商Blue World Technologies,将大大加快研发速度。


去年差不多这个时候,看到了爱驰推出Gumpert Nathalie,心想造车新势力本来就资源有限,怎么还分出精力去搞“只属于未来的”燃料电池技术呢。那个时候,整个行业对氢燃料电池还是偏悲观,甚至是漠视的。没想到一年之后,时来运转,氢燃料电池又有成为焦点的趋势,只能说爱驰的战略眼光还是很犀利的。


第三家企业不是整车企业,而是燃料电池核心零部件供应商亿华通。


亿华通是依托清华大学于2004年成立的,专注于氢燃料电池技术十几年。这十几年间,氢燃料电池技术大局一直不景气,亿华通是一直飘摇,但一直坚持搞技术研发。在读书期间有过交集,但一直不太看好……


不过等到氢燃料电池技术时来运转,恰逢科创板开市,也许会成为一段守得云开见月明的故事。


 本文转载自:知乎,作者:张抗抗,封面:东方IC

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