鉅大LARGE | 點擊量：797次 | 2022年03月28日
淺談氫燃料動力鋰電池汽車的原理以及未來展望
每當我們聊到這些新能源話題時，都會談論電動汽車、混合動力車、燃油車這三者誰更經濟更環(huán)保。也總會有網友的評論就好像彈幕相同在我腦海中浮現電動汽車都是騙人的、混動車省油不省錢、燃油車終將被淘汰！。
最近我還看到這樣一句評論氫燃料動力電池車才是未來！
沒錯，燃料動力電池車也是國家推廣的新能源路線之一，那么氫燃料動力電池車能否完全取代電動汽車、燃油車成為真正意義上的未來呢？今天熊主任從氫燃料動力電池車的原理、氫燃料動力電池車可行性經濟性、未來發(fā)展前景三大方面來分析。
第一部分，燃料動力電池車（FCEV）的工作原理。
1，氫燃料動力電池反應堆棧工作原理：
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
說到氫燃料，想必大家都能聯(lián)想到火箭推進器的一種燃料類型液態(tài)氫液態(tài)氧。我在兒時佳片有約看過的電影《火星任務》中有個片段，就是飛行器遭遇微流體星，燃料泄露，點火爆炸導致飛行器損壞的大場面。還有就是6天沖破20億，被譽為我國科幻電影的里程碑《流浪地球》，氫氣是貫穿整部電影的核心線索，開場對白就有氫氣是什么。
之所以用氫做燃料，一方面是氧化反應后只出現沒有污染的水（化學方程式2H?+O?=2H?O）。另一方面就是氫氣的能量密度極高，氫氣的能量密度最高可達到143MJ/Kg，是汽油的3.25倍，是三元鋰離子電池的130倍。這么說可能不是很好理解，我們就簡單拿氫燃料動力電池、汽油、純電動轎車比較：
氫燃料動力電池車加注1kg氫氣，大約可以行駛100km；燃油車加注1kg汽油大約可以行駛20km；純電動汽車1kg電池單體儲存的電量僅能行駛1~2km！
備注：燃油緊湊轎車百公里7L油耗計算、緊湊純電動汽車汽車百公里能耗15kWh，電池單體密度150~300Wh/kg計算
我在和朋友們聊天時了解到，一部分人會認為氫燃料動力電池車是以氫氣燃燒出現動力驅動車輛行駛的，其實不然，氫燃料動力電池是一種通過氫氣與氧氣的化學反應從而出現電能的裝置，是一種利用化學能發(fā)電的裝置。（當然也會存在純粹靠燃燒氫氣出現動力的車輛，那種就不是氫燃料動力電池了，可以含義為氫內燃機，這類不在此次討論范圍。）
如上圖所示，氫燃料動力電池中，質子交換膜兩側的鉑催化劑層將氫分子和氧分子分別分解為帶電離子狀態(tài)。因為氫分子體積非常小，攜帶電子的氫可以透過質子交換膜的微孔游離到對面去，但帶電子的氫質子在穿過質子交換膜孔洞的過程中，電子被剝離，只有帶正電的氫質子達到了薄膜的另一端。而電子只能通過導線在兩塊極板之間移動，電荷的移動就是出現了電流。隨后2個氫離子和1個氧離子結合成為水，這就是氫燃料動力電池車唯一的排放物水（H?O）。
當然只靠一片質子交換膜出現的電能是非常有限，例如豐田首款量產氫燃料動力電池車Mirai其氫燃料動力電池模組可輸出114kW的發(fā)電功率，它就是由370片薄片燃料動力電池疊堆組成的，因此被稱為氫燃料動力電池堆棧。
2，氫燃料動力電池車工作原理和結構：
上為氫燃料動力電池車的工作原理圖和結構圖。加氫站加注氫氣到高壓儲氫罐=>>燃料動力電池反應堆棧利用氫氣和空氣中的氧氣反應發(fā)電=>>通過升壓轉換器提升電壓給動力控制單元=>>驅動電動機轉動牽引車輛。其中還是有一個儲能電池，它是可以儲存燃料動力電池出現的多余的電能，也可以在燃料動力電池輸出不能滿足電機動力需求時供應穩(wěn)定的電力，相當于緩沖/穩(wěn)定電能的用途。當然也可以用來能量回收，在剎車的過程中將動能轉換成電能儲存到電池里。
3，比較內燃機增程式電動汽車、純電車，氫燃料動力電池車的優(yōu)點：
通過了解氫燃料動力電池車的結構圖，大家應該會聯(lián)想到，氫燃料動力電池車的結構是和增程式電動汽車有點類似的！沒錯，它們都有電池、電機、電控這3大件。不同之處是增程式電動汽車增程器是使用燃油內燃機，依舊會排放尾氣。而氫燃料動力電池車發(fā)電裝置是使用的清潔能源，只會出現沒有污染的水。
同樣零排放的純電動汽車和氫燃料動力電池車比較，最大的差別是，后者只要加氫3分鐘即可獲得500km以上的續(xù)航。而純電動汽車的充電速度。。呃~怎么說呢~充電1小時都鮮有達到500km的，并且很多電動汽車綜合續(xù)航還無法達到500km。未來5~10年，純電動汽車或將達到350kw的充電速度，換算到3分鐘大概可以充100km。
氫燃料動力電池車如此完美的擁有了0污染、氫氣加注速度快的優(yōu)點，這是燃油車和純電動汽車望塵莫及的。貌似這2點就足以支撐氫燃料動力電池車才是未來的理論！你們看，豐田首款量產氫燃料動力電池車Mirai的命名，Mirai即為未來的意思。
第二部分，氫燃料動力電池車可行性和經濟性
看了第一部分原理分析和優(yōu)點，什么各種完美，又什么未來的，是不是感覺熊主任把燃料動力電池車（FCEV）吹上天了啊？那么第二部分還是著手實際談一下氫燃料動力電池車的技術可行性和經濟性。
1，技術可行性：
在國內氫燃料動力電池研發(fā)相對日韓是比較滯后的，重要原因是研發(fā)起步晚，致使氫燃料動力電池車整個體系，從制氫、儲氫、燃料動力電池堆等技術上都沒有足夠產業(yè)支持。
（1）氫氣的來源的技術難點
國內主流的制氫方法有：
①電解水制氫法：技術成熟、過程簡單，但是成本較高、耗電巨大；
②甲醇裂解制氫法：甲醇(CH3OH)原料來源廣泛，制氫投資低，但是生產規(guī)模有限。目前也有加注甲醇的燃料動力電池車，就是在車上完成制氫、氫發(fā)電的過程；
③焦爐氣中取純氫法：這是個大規(guī)模制氫的方法，技術成熟成本也低。焦爐氣重要含有H2（55~60%）、CH4（23~27%）、CO（5~8%）等，是煉焦工業(yè)的副產品，具有污染；
④天然氣制氫法：也是大規(guī)模制氫法，但是工藝復雜、原料利用率低，并且我國的天然氣也是比較缺乏的資源（天然氣通式是CnH(2n+2)，n1。甲烷（CH4)占大部分，少量乙烷(C2H6)，丙烷(C3H8)和丁烷）。
從以上的制氫方法來看，雖然制氫方法很多，但是都不能同時兼顧環(huán)保、高效、成本低、規(guī)模大的制氫技術優(yōu)點。
（2）儲氫罐的技術難點
氫的儲存方法分為高壓氣態(tài)儲存、低溫液態(tài)儲存、固態(tài)儲存三種。目前新能源車應用的是高壓氣態(tài)儲存，全球范圍量產車達到了70MPa的水平，正在往80MPa級別發(fā)展。高壓氣態(tài)存氫罐是由碳纖維、玻璃、陶瓷等組成的薄壁容器。而我國目前70Mpa高壓儲氫容器處于探索階段，還沒有生產量力，重要依靠于日本進口。
通過查詢相關資料，目前國內投放市場的氫燃料動力電池車以公交車為主，其儲氫罐為35MPa級別。這是什么意思？意思就是我國的量產氫燃料動力電池車還是受儲氫罐的技術限制的，還處于公共交通領域的試點階段。35MPa的儲氫罐技術還不能塞進乘用車里，或者塞進乘用車續(xù)航還不能達到目前的電動汽車的續(xù)航水平。
這個說法不難驗證，比如豐田Mirai，車身長度4890mm，軸距2780mm，屬于中型車的尺寸，2只70MPa的儲氫罐容納122.4L氫氣，可供應500km的續(xù)航里程。但是它的后排乘坐空間和后備箱空間就比較雞肋了！本田Clarity儲氫罐的容積達到了141L，續(xù)航589km，車身長度4915mm比本田Mirai尺寸還大，同樣也被儲氫罐侵占了很多后備箱空間。很明顯，雖然氫氣的能量密度很高，但是受制于整套燃料動力電池系統(tǒng)龐大的體積，圓柱狀的儲氫罐塞進車內嚴重侵占乘坐和儲物空間，使燃料動力電池乘用車的實用性大打折扣。
假如換成國產的35MPa級別的儲存罐，塞進轎車里，您覺得還能有多少乘坐空間，或者續(xù)航降低多少呢？
（3）氫燃料反應堆棧的材料、壽命等技術難點
好的，終于說到燃料動力電池本身了，上篇原理也講過了。氫燃料反應堆棧核心的材料是質子交換膜和鉑催化劑電極。
①質子交換膜：
常用的質子交換膜為全氟磺酸質子交換膜，全氟物質的合成和磺化都非常困難，而且在成膜過程中的水解、磺化容易使聚合物變性、降解，使得成膜困難，導致成本較高。資料顯示美國科慕Nafion質子交換膜價格為120美元/kW，例如一臺燃料動力電池車電池堆棧為100KW，那么僅質子交換膜成本就高達1.2萬美元。這單價可比80美元/KWh三元鋰離子電池的原材料成本要高一些。當然燃料動力電池是發(fā)電裝置，三元鋰離子電池是儲電裝置，只能在限定條件下比較，也不能直接比較。
質子交換膜工作時對溫度和含水量要求很高，工作溫度為70~90℃，超過此溫度會使其含水量急劇降低，導電性迅速下降，甚至損壞質子交換膜。溫度過低氫氣活動性變差，發(fā)電效率低。所以燃料動力電池也要通過復雜的溫度和濕度控制循環(huán)系統(tǒng)以保證電池堆棧的壽命和效率。
東岳集團是唯一一家通過AFCC技術鑒定的我國公司。目前，東岳集團質子交換膜生產規(guī)模將可2.5萬輛燃料動力電池汽車所需。
②鉑催化劑電極：
鉑是一種貴重金屬，俗稱白金，它的化學符號Pt。鉑有良好導熱性和導電性，并且有很高的化學穩(wěn)定性，耐腐蝕性極強，催化活性高。鉑除用于珠寶飾物外，大量用于化學反應的催化劑。
氫燃料動力電池使用鉑催化劑，最大的問題就是鉑原材極為稀有。一般花上5-6個月的時間，處理10噸礦石，才能從原料中鑄成一盎司的鉑錠（合31.1克）。而獲得相同數量的黃金，只須花3-5周時間，就能從3噸礦石中提煉出。全球鉑的產量僅為黃金的1/30，并且我國也不是鉑的重要原產地（80%以上產于南非）。
數據顯示，現代NEXO每輛車的鉑金用量為56克。技術較為先進的本田Mirai則要15克鉑。目前全球每年的鉑產量僅為90噸左右。就算全部用來生產氫燃料動力電池最多也只能滿足600萬輛的產量（以15克/輛計算）。而2017年全球汽車銷量超過9000萬輛。2018年僅我國汽車銷量就達到了2800萬輛。就鉑可憐的產量就想讓氫燃料動力電池車成為未來，我表示呵呵！
③氫燃料反應堆棧的壽命和功率密度：
剛才說的是氫燃料動力電池的成本高，假如再和大家聊聊氫燃料動力電池壽命的話，估計會有更多的小伙伴要抓狂了。都說電動汽車鋰離子電池的壽命怎么不行（幾年或是幾百次循環(huán)壽命），很多媒體都說鋰離子電池貴，換電池比買新車都貴。那么氫燃料動力電池堆棧的壽命是多少呢？
目前國內技術生產的氫燃料動力電池壽命普遍只有3000小時（效率在40%左右），沒錯！單位是小時！小時！較為先進能突破5000小時的技術還處于研發(fā)階段。反應發(fā)電3000小時換一次昂貴的電池堆棧，這可就不是一般的壕了！
影響氫燃料動力電池壽命的原因之一就是催化劑中毒的問題。從氫來源一節(jié)我們了解到，碳氫燃料制氫是一種成本低的大規(guī)模的工業(yè)制氫法。其中一個難以克服的就是氫氣純度問題，即使經過了凈化，其中仍然存在0.2%的一氧化碳（CO），如此微量的一氧化碳會在鉑催化劑電極上積聚，逐步減緩燃料動力電池的反應，最終使燃料動力電池失效。
氫燃料動力電池堆棧有很多技術參數，有功率、效率、功率密度、冷啟動溫度、壽命、成本等。這邊也不一一介紹了，想了解國內氫燃料動力電池堆棧技術參數發(fā)展路線的請看下圖。
2，經濟性：
汽車做為交通工具，綜合經濟性大體分為：購車、用車、養(yǎng)車、殘值這四個方面。養(yǎng)車成本、殘值（保值率），這就不談，因為無法預見。
（1）購車成本：
燃料動力電池車（FCEV）的售價高是和其產量低有一定關系（基本處于手工打造階段），最重要還是其他系統(tǒng)復雜，燃料動力電池系統(tǒng)成本高，導致售價較高。豐田mirai在美售價5.7W美元（合約38萬人民幣）起，而同樣續(xù)航500km的特斯拉model3電動汽車美國售價僅為3.5W美元（合約24萬人民幣）起。在國內氫燃料動力電池乘用車享有國家補貼20W元，還享有相應的地方補貼。但國內的氫燃料動力電池苦于各種技術難點，即使面對高額的補貼，鮮有公司涉足。就更談不上性價比了。
（2）使用成本：
燃油車要加油，電動汽車要充電。氫燃料動力電池車當然是要加注氫氣了。
電動汽車這幾年發(fā)展比較快，也可能是和油價格上漲有關。目前一輛小轎車加油成本大約0.5元/公里，純電小轎車使用家庭充電樁成本僅為0.1元/公里。而氫燃料動力電池車一公里要多少錢的氫氣呢？這個答案非常的扣人心弦，我可以很明確的告訴大家肯定大于0.1元/公里，并且和汽油車的費用相當。
在日本加氫站的氫氣售價為1000日元/kg（約合人民幣52元）。國內新聞報道武漢首座加氫站，號稱國內目前最大的加氫站，運營成本也在50元/kg。1kg氫氣可以驅動轎車行駛約100km，合約每公里的費用即為0.5元。這個使用成本是和汽油車相同的啊！也不難預測，未來氫燃料動力電池車的使用燃料成本應該會低于汽油車，一方面氫氣大規(guī)模工業(yè)生產、燃料動力電池效率提升。最重要的還是油價格必然會保持整體上漲！
可以說氫燃料動力電池車想走近家庭，從經濟性角度還是比較困難的。即使未來8~10年燃料動力電池車整體水平提高了。但在家庭日常通勤需求內，續(xù)航500km以內的乘用車依舊會以電動汽車為主導，超過500km續(xù)航以上的，或因要大量的動力鋰電池成本，燃料動力電池車才會有明顯的優(yōu)勢。
第三部分，氫燃料動力電池車發(fā)展前景
看了第二部分有關氫燃料動力電池車技術可行性和經濟性的分析，大家應該關于氫燃料動力電池車現狀有所了解。尤其在國內的相關的技術還處于嬰兒階段。2017年國內累計運行在1千輛左右，加氫設施12座，2018年通告車型80款，年產超1500輛。可以說2017年是燃料動力電池車商用化的元年。比純電汽車產業(yè)進化進程晚了約10年。
我國能源政策的基本內容是：堅持節(jié)約優(yōu)先、立足國內、多元發(fā)展、保護環(huán)境、科技創(chuàng)新、深化改革、國際合作、改善民生的能源發(fā)展方針。
從燃料動力電池車（FCEV）的特點和目前國內汽車市場現狀。燃料動力電池車在乘用車市場應該是很難比肩純電動汽車的。但在純電動汽車適應不佳工況，比如高寒、重載、持續(xù)行駛，這就是燃料動力電池車應該重點發(fā)展的領域。你看某電動汽車為了去燃油車能去的地方居然被爆出百公里消耗40L柴油的新聞。假如換成氫燃料動力電池車，每次加氫只要幾分鐘，并且燃料動力電池內部的工作溫度就是70~90℃，這個是不是和內燃機工作溫度很相近了啊！理論上取暖不是什么問題了吧！
再例如貨車這類重載車，假如使用純電動力，不光充電速度慢續(xù)航短，就自身的電池重量就夠負擔了，再載滿貨，估計不是在充電就是在開往充電站的路上。此類重載車輛若使用氫燃料動力電池，成本上雖然比柴油機要高，但是對環(huán)保貢獻是非常大的，氫氣能量密度高、加氫速度快的優(yōu)點也能體現出來。
純內燃機車若是被新能源取代，那么純電車應該是代替汽油車，氫燃料動力電池車是代替的柴油車。這么劃分貌似就很明顯了。
還有一種存在，比如現在的理想制造ONE和概念車比亞迪漢這類需求，不是追求的性價比。追求的是沒有里程憂慮或者追求強大性能的時候。這類車熊主任覺得可以依舊放入容量足夠大的動力鋰電池組，驅動性能強大的電動機，而氫燃料動力電池系統(tǒng)可以用來增程發(fā)電，實現充電、加氫雙能量來源。當然電氫混合車價和五菱宏光完全不在同一個市場要內。
考慮到氫燃料動力電池系統(tǒng)的體積，國內技術很難做到轎車內，未來8~10年最多應用到大型SUV或者皮卡中，最小也得是中大型轎車。或許10年后的今天，我們才會開始討論哪款燃料動力電池車更好，更具性價比吧。而實現二氧化碳完全0排放最理解的預計是2050年了。
