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锂电池vs氢燃料电池,谁才是未来的EV主流?

锂电池vs氢燃料电池,谁才是未来的EV主流?

来源:
交能网、中国能源报、国际石油经济
2019/07/18 15:00
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【摘要】:
在过去的数年间,中国,见证了锂电池的崛起,我们也成为了全球锂电池生产和消费的巨头,于此同时,燃料电池的发展也列入了我们国家未来的五年发展计划之中。中国正在投资必要的基础设施,到2030年,全国将会建立起3000个加氢站。这样的情况不仅仅发生在中国,不管是欧盟、美国、日本或世界其他地区都发出了不同的声音,显然。锂电池与燃料电池的赛道已经建立,技术竞争蓄势待发。

在过去的数年间,中国,见证了锂电池的崛起,我们也成为了全球锂电池生产和消费的巨头,于此同时,燃料电池的发展也列入了我们国家未来的五年发展计划之中。中国正在投资必要的基础设施,到2030年,全国将会建立起3000个加氢站。这样的情况不仅仅发生在中国,不管是欧盟、美国、日本或世界其他地区都发出了不同的声音,显然。锂电池与燃料电池的赛道已经建立,技术竞争蓄势待发。

 

 

 观点一

 

埃隆·马斯克:氢燃料电池是“令人难以置信的愚蠢”!

 

 

早在2015年,“钢铁侠”就声称:“如果你要选择能量存储机制,你应该选择甲烷或丙烷,因为他们更容易制取。马斯克说道:“我只是认为(氢燃料电池)非常愚蠢......制造氢气并储存并在汽车中使用它非常困难。”,“如果你拿一块太阳能电池板直接给电池组充电,与电解相比,取氢,分离氧气,压缩氢气......这大约是其效率的一半。”

 

其实,马斯克的话也不无道理。与电池相比,氢燃料电池的能源转化效率上始终比电池低,相较于特斯拉的BEV效率,目前市面上最好的FCV在效率上仍然不及BEV一半;另外,在工业产业链发展与基础设施(加氢站)建设上,氢燃料电池与锂电池的差距仍有数十年。

 

 

燃料电池的发展仍在继续,但充电基础设施,氢气的大规模生产及其库存都滞后。氢的使用需要大量的基础设施建设,高质量和大型蓄压器。燃料电池,压力罐(碳纤维)的生产,加油的氢气价格,所需的加氢站基础设施和H2生产设施的建设都显得过于昂贵。除此之外,目前,以化石能源为原料的热化学过程在工业上应用较为广泛, 主要包括烃类蒸汽转化、重油部分氧化、煤气化水电解等制氢方法。在氢的主流生产过程中,也存在着污染和低效率的问题。

 

 

观点二: 

 

“未来的市场属于燃料电池”

 

多年来,丰田一直将氢燃料电池押在电池电动汽车上,以实现其零排放汽车战略。丰田燃料氢电池是丰田公司运用在mirai新能源车上的先进技术,丰田氢燃料电池就像是一个发电站,它通过氧气和氢气进行化学反应才生产电,不是像普通储电池那样需要充电,只需要添加氢气,通过化学反应产出电。

 

 

氢燃料电池的续航优势相比锂电池也很明显,同样续航500公里,普通锂电池充电需要很长的时间,超级快速充电也需要一个半小时,而氢染料电池只要3分钟就可以加满氢气。另外,在能量密度上,氢也远远超过了锂离子,两者甚至都不在同一个数量级上。

 

氢燃料电池汽车还有有以下优点:

 

  1. 加氢就像加油一样,一般只需3~5分钟。而电动汽车的充电则是一个缓慢的过程。即使特斯拉推出了超级充电站,通常也需要1个小时以上。

  2. 氢燃料电池主要的成分是氢,我们知道水的化学式是氢二氧,氢燃料电池在使用寿命结束后,并不会对环境造成污染。而锂离子电池则含有很多重金属,如果回收不当,就会对环境造成更大的污染。

  3. 氢燃料电池储能密度高,且重量轻,续航里程普遍更远。通常会超过500公里,而纯电动汽车则根据电池容量的大小,目前大部分纯电动汽车续航里程在300公里左右,少数车型可以达到400~500公里。

 

 

另一方面,欧洲也是氢燃料电池研究的另一个大本营。随着德国能源转型的不断深入,大量的新能源并入电网,以欧洲最大的能源研究机构之一 - 于利希研究所(Jülich research center)正在倡导将新能源发电(风电)转化为氢能,以解决可再生能源发电产生的电网波动与消纳问题。

 

研究所主任Detlef Stolten教授指出:“在风能的帮助下,现有风力涡轮机将产生如此多的额外电力,在2050年它可以取代德国家庭目前需要供暖的天然气。此外,通过电力市场的调控,用电高峰时间每年将减少90太瓦时。我们可以将这部分电能以70%的实际效率电解水,产生的氢燃料可以供应1600万辆燃料电池汽车运行。”

 

“燃料电池还可以实现分散式电源。依赖天然气网的家庭甚至小型住宅可以并行使用燃料电池。我们在讨论移动性的过程中,也不要忘记整个能源系统中燃料电池的补偿功能。”

孰优孰劣?答案也许不止一个

 

燃料电池PK锂离子电池

当前,全球能源和环境系统正面临着巨大的挑战。其中,作为石油消耗和二氧化碳排放大户的汽车产业,也正面临着一场革命性的变革,将包括纯电动、燃料电池技术在内的纯电驱动作为新能源汽车的主要技术方向,已然成为世界各国形成的共识。燃料电池汽车是电动汽车汽车电池的另一个重要方向,与锂离子电池相比,可以清楚地看见两者间有着明显的优缺点。

 

首先,是从安全性角度出发。

燃料电池的安全隐患:氢气的泄露与控制,是燃料电池系统安全隐患的主要来源,属于物理层面,而锂离子电池的安全隐患则主要来自于不易控制的链式反应,属于化学层面。因为链式反应速度极其短暂。就可控性角度说,锂离子电池的控制难度要高于燃料电池。不过在遇到极端剧烈碰撞的情况下,燃料电池的危害程度则要更大。当然这也仅仅是理论上,氢气本身因为快速逃逸的特点使得泄漏时间很短,加上高压氢气瓶耐撞击、跌落、枪击等非常规性能也为安全提供了保障。

 

其次,是从低温性能的角度看。

因为低温下电解液的粘度增大电导率下降,会导致电池极化内阻急剧增加,一般厂商都不推荐零度以下的放电行为,因此锂电池需要外部提供供热来解决低温问题。燃料电池低温起步性能差,但随着启动后自身放热的增加,电堆的温度会很快稳定在80-90℃的正常工作温度范围。不过关于燃料电池如何实现低温启动,特别是不使用外辅电前提下的低温启动是一个重要的研究课题。

 

第三,是从成本角度考虑。

总体上看,无论是燃料电池还是锂离子电池,在价格上都要高于传统能源。特别是氢气的来源、存储以及安全使用等条件的复杂与严苛,导致氢燃料电池成本居高不下,短期内难以取得优势。以大批量产数据来看,锂电池成本最终会突破1000元/kwh;燃料电池的成本目前还是很高的,期望远期大批量实现的前提下可能去接近于现在内燃机的价格。

 

第四,是充电所需消耗的时间。

冗长的充电时间始终是锂离子电池一个难以磨灭的痛点。在一般的充电模式下,一辆装有锂离子电池的车,需要耗费3到8个小时才能充满。相较之下,燃料电池就显得方便快捷了许多,以氢燃料电池为例,直接加氢仅需3到5分钟,就能满血复活。

 

第五,续航里程。

这可能是所以纯电动汽车,特别是锂离子电池汽车最大的痛点了。传统的锂离子电池在续航能力上很难突破500km,相比之下能量密度高且重量更轻的燃料电池,在续航里程上就能够达到更远。

 

第六:温度影响。

燃料电池汽车可以通过整车综合热管理,保持和夏天一样长的续航里程,这一点是锂离子电池不能做到的。锂离子电池不管是PTC加热还是空调加热,都要消耗电量。燃料电池夏天的时候需消耗电量来给空调供电,而在冬天的时候只需用废热给乘客舱保温和采暖。所以从理论上讲,冬天的里程应该比夏天还长。目前有机构在开展基于朗肯循环的废热发电研究,若能实现将进一步提高燃料电池的效率。

 

第七:成本平衡。

燃料电池和纯电动汽车的成本平衡点不同,乘用车是500公里左右,商用车100公里左右:

 

氢燃料电池系统更适合替代柴油机,锂离子电池系统更适合替代汽油机。

 

相对于远程公交、双班出租、城市物流、长途运输等一些交通方式,燃料电池汽车具有清洁、零排放、续航里程长、加速时间短的特点,是适应市场需求的最佳选择,所以我们要及时地把产业化重点向燃料电池汽车拓展。
—— 全国政协副主席、中国科学技术协会主席万钢

 

 

氢能及燃料电池系列

 

 

有人将2018年定义为中国氢能发展的元年,在这一年,氢能一天比一天火热,从行业圈内默默的发展,渐渐走近大众的视野,被誉为21世纪最有前景的替代能源,各大企业也都扎堆进入氢能行业,氢能项目也火热得千金难求。如果不了解点氢能以及相关技术的知识,可能已经跟不上整个能源行业的发展,交能网借鉴各类文献,结合自身在德国亚琛工大的专业研究,希望从各个环节分别介绍氢能及其相关技术、应用及其发展现状,希望读者对氢能产业有个初步的了解。

 

 

引言:近年来,燃料电池逐步走入大众视野。燃料电池技术被称为继水电、火电和核电发电之后的人类历史上的第四种稳定发电技术它不仅在航空航天和国防应用领域发挥着重要的作用,更逐渐推动着许多领域的商业应用。由于燃料电池技术的固有优势 - 高效率和低排放,使得燃料电池技术在广泛的应用中具有相当大的潜力。

 

从实验室走向应用

 

燃料电池的原理由德国化学家克里斯提安·弗里德里希·尚班于1838年首次提出,并刊登在当时著名的科学杂志。基于尚班的理论,1839年,威廉格罗夫爵士在水电解研究中首次发现了燃料气体直接电化学发电的现象。

 

 

之后很长一段时间,燃料电池仅处于实验室阶段,由于理论以及材料方面的不完善,一直未能投入实践。直到燃料电池效应发现将近100年后的1932年,弗朗西斯·培根制造出了第一个可以投入实际生产的燃料电池。这之后又过了二十多年直到20世纪中期,达到千瓦级别的燃料电池才得以问世。在同一时期,太空计划的开展成为了燃料电池技术发展的最大推动力。尤其在载人航天领域,除燃料电池外别无他法。从1970年左右开始,燃料电池技术开始应用于更加广阔的领域(最初用于发电厂)。 今天,在第一次发现燃料电池现象后将近180年后,燃料电池正在规模化和商业化的路上越走越远。

 

 

 

燃料电池里发生了什么

 

燃料电池的发电原理与电池其实大致相同,实质是燃料气体和氧化剂发生电化学反应,可以看作是另一种“燃烧反应”。燃料电池主要有三个组成部分,阴极,阳极和电解质:

 

电解质:电解质材料决定了燃料电池的类型

阳极:将燃料分解成电子和离子,通常由铂制成

阴极:将离子转化为水(有时还有二氧化碳),通常由镍或纳米材料制成

 

想必学过高中化学的各位,努力回想下就能想起来:电化学反应主要发生在阴极、电解质以及阳极、电解质的交界处。阳极催化燃料气体的氧化反应(如氢的氧化过程),阴极催化氧化剂的还原反应。由于阴极与阳极间电解质的存在,导电离子将在电解质内进行迁移,而电子将通过外电路进行迁移,在这个过程中产生了电流与电回路,从而达到了发电的效果。

 

 

虽然燃料电池与电池原理相同,但仍有许多不同之处。在电池中,化学反应的反应物和反应产物都是电池的一部分,而在燃料电池中反应物(燃料和氧化剂)需要从外界不断供给,而反应产物也需要不断排出。那么这样就会导致一个明显的差异:燃料电池系统的容量与电池不同,在燃料电池中系统容量可以说是有无限种可能,燃料电池的容量是由燃料的多少或者说燃料的储存容器尺寸决定的,与实际燃料电池的性能无关。电池的性能决定了电池的功率及容量,而燃料电池仅仅决定功率而不决定容量。

 

燃料电池中的电化学反应与内燃机不同,不是基于热力循环,因而不受卡诺循环的限制,从而在理论上能够达到很高的效率。在实际应用中,由于各种技术限制以及设备整体的耗能,导致实际的电转化率一般在40-60%,很大一部分能量将转化为热能释放。为了保持燃料电池的正常运行,这一部分多余的热量必须被冷却,以免燃料电池过热。另一种思路,是将所散发的热量进行收集利用,形成热电联供,产生的热量甚至可以进行下游的进一步发电(如涡轮机发电)。在热电联供的情况下,燃料电池的总效率可以达到惊人的80%。

 

根据其面积,单个燃料电池产生的功率范围为几瓦至约1千瓦,电压范围为0.5至1V,通常为0.7V。为了提供更高的电压和功率,必须借助双极板串联许多燃料电池,这就是所谓的燃料电池的堆叠。燃料电池堆叠可包括多达几百个单独的电池。下图简要示意了燃料电池的堆叠:

 

 

燃料电池有哪些?

 

不同类型的燃料电池取决于所使用的电解质的不同。由于不同电解质的(离子)性质,不同燃料电池也在不同的温度下运行。下图简单阐述了不同类型的燃料电池,其中燃料电池的运行温度从底部到顶部逐渐上升。

 

 

下表也给出了一些基本特征:

 

 

1.质子交换膜燃料电池(PEMFC)

 

低温运行,应用范围广,燃料电池汽车的首选

阳极反应:2H2→4H++4e-

阴极反应:O2+4H++4e-→2H2O

整体电池反应:2H2 + O2 → 2H2O

PEMFC采用水基酸性聚合物(一般为全氟磺酸)作为电解质、铂作为催化剂,备受燃料电池汽车的青睐。 

 

 

优点:运行温度相对较低,一般在80℃-100℃

可以根据需要灵活调整输出功率

理论电转化率可达到80%左右

缺点:由于启动温度较低导致必须使用纯度很高的氢 

电极采用贵金属

为克服高纯度氢气需求限制,目前PEMFC出现高温型技术路线,其原理为将水基电解质变成 无机酸基电解质,该类电池运行温度可以高达200℃,对氢气的纯度要求较低,但有能量密度较低的弊端。

 

2.固氧化物燃料电池(SOFC)

 

运行温度高,主要应用于发电厂

阳极反应:2H2 + 2O2− → 2H2O + 4e−

阴极反应:O2 + 4e– → 2O2−

整体电池反应:2H2 + O2 → 2H2O

 

SOFC采用固体陶瓷(如氧化锆-氧化钇)作为电解质。SOFC拥有各类燃料电池中最高的运行温度,高达 800-1000℃,广泛应用于大型、小型固定式热电联产发电站。

 

 

优点:它对铂催化剂依赖较小

燃料不仅可以使用氢气,还可以使用多种碳氢化合物

其能量转换效率超过60%,如果热量能够被回收利用,那么总转化率则可达到80%。

缺点:受限于启动时间长,很难应用于汽车领域

 

3.碱性燃料电池(AFC)

 

运行温度很低,催化剂可使用非贵金属,主要应用于航天领域

阳极反应:2H2 + 4OH− → 4H2O + 4e−

阴极反应:O2 + 2H2O+ 4e– → 4OH−

整体电池反应:2H2 + O2 → 2H2O

AFC采用如氢氧化钾、碱性聚合物之类的碱性电解质,运行温度60℃左右。广泛应用与航天领域。

 

 

优点:可以使用非贵金属作为催化剂(一般采用镍)

在各类燃料电池中拥有最高的电能转换效率,最高可达70%。

 

4.熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)

 

运行温度高,主要应用于大型发电厂

阳极反应:CO32− + H2 → H2O + CO2 + 2e−

阴极反应:CO2 + ½O2 + 2e− → CO32−

整体反应:H2 + ½O2 → H2O

MCFC采用附着在多孔陶瓷上的熔融碳酸盐(包括碳酸锂、碳酸钾及碳酸锂)作为电解质,在高温下,这种盐变为熔化态允许电荷(负碳酸根离子)的在电池中移动。运行温度为650℃左右。MCFC主要用于发电厂,其热电联产效率可以达到80%以上。

 

 

 

优点:对贵金属催化剂的依赖较低

可以使用多种燃料(例如水煤气等)

缺点:高温和碳酸盐电解质导致在阳极和阴极的腐蚀,降低耐久性和电池寿命

      启动时间缓慢,且高温,不适合移动应用

 

5. 磷酸燃料电池(PAFC)


技术成熟的第一代燃料电池技术

阳极反应:2H2→4H++4e-

阴极反应:O2+4H++4e-→2H2O

整体电池反应:2H2+ O2 → 2H2O

PAFC采用磷酸或磷酸基电解质,运行温度为190℃左右,主要应用在功率100-400kW的固定式发电站中。

 

 

优点铂催化剂中毒率低    技术成熟

缺点:发电效率低    成本较高

 

综上所述

  • 第一代燃料电池包括碱性燃料电池(AFC)磷酸型燃料电池(PAFC)AFC是最早开发的燃料电池技术,在20世纪60年代就成功的应用于航天飞行领域。PAFC在技术层面和商业化上已经非常成熟。

  • 熔融碳酸型燃料电池(MCFC)第二代燃料电池技术,主要应用于设备发电。

  • 固体氧化物燃料电池(SOFC)以其全固态结构、更高的能量效率和对煤气、天然气、混合气体等多种燃料气体广泛适应性等突出特点,发展最快,应用广泛,成为第三代燃料电池。

  • 质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有较高的能量效率,体积重量小,冷启动时间短,运行安全可靠,并且通过固态的电解质膜避免了电解质腐蚀。PEMFC应用范围较广,也是交通领域燃料电池的首选。

 

除这5类燃料电池外,还有较新的甲醇燃料电池(DMFC),是直接以甲醇为燃料的质子交换膜燃料电池。其运行温度不高,为60-130℃。结构简单,体积能量密度高,还具有起动时间短、负载响应好、运行可靠性高,在较大的温度范围内都能正常工作,燃料补充方便等优点。应用领域非常广泛。主要应用于移动式电源,固定发电设备及汽车动力源。

 

燃料电池未来展望及小结

 

燃料电池作为和锂电池并驾齐驱的21世纪两大能源热题,越来越受大众视野的关注。燃料电池问世180年,但真正快速发展也不过只有寥寥几十年,这意味着燃料电池在未来还拥有着巨大的潜力,也意味着燃料电池技术在现如今还有很多的不足。

 

从最初的第一代燃料电池,仅仅应用于航空航天领域,到现在的质子交换膜燃料电池,燃料电池技术的应用领域得到了极大的扩展。

 

固定式发电领域,对比传统发电厂,燃料电池技术以电能转化率高的优势凸显而出,尤其在热电联供的情况下,效率可以高达80%。此外,大部分燃料电池对比传统发电厂拥有很小的环境污染,这包括更少的温室气体及有害气体排放,以及极小的噪声污染。

 

交通领域,燃料电池技术也与锂电池技术花开两朵,各表一枝。最突出的燃料电池动力车(FCEV),与传统燃油车相比,FCEV拥有着环保,低排放的优势,与电动汽车相比,FCEV没有传统电动汽车严峻的里程困扰(市场上的燃料电池汽车可行使400-500km),并且由于储氢罐的存在,使得燃料电池优于锂电池的自放电。并且FCEV的加氢过程耗时远小于电动汽车充电时间,5分钟之内就可以完成。目前市场上许多汽车企业已开始对FCEV进行尝试,像丰田的未来、奔驰的F-Cell都是很好的例子。

 

燃料电池还可以搭建便携式电源系统,在生活领域中(即电子产品,露营车,小木屋)工业领域中(即为偏远地区提供电力,通信塔,安全,气象站等)及军事领域中使用。但燃料电池的便携式领域由于种种原因,进展缓慢,仍处于半停滞状态,在未来各项技术成熟之后可能成为燃料电池技术的又一大应用领域。

 

现阶段的燃料电池技术其实仍不够完善,还有很多技术及实践层面的问题。最大的问题,燃料电池目前的经济性还不能得以保证,这也是燃料电池汽车现在为数不多的原因之一。其次是燃料问题,氢的制备,运输和存储在近几十年已经有了质的飞跃,但仍有很多技术不成熟的点需要逐步完善,其次加氢站的建设问题也是制约燃料电池技术投向实践的一大问题。另外,燃料电池的铂中毒问题,严重制约了燃料电池的寿命与稳定性。高温燃料电池的较长响应时间也是不足之处。

 

但燃料电池技术还年轻,需要时间去成长,去发展。相信不远的未来,燃料电池技术将会改变我们的生活。

 

随着全球化石燃料消耗量日益增加,人类对环境造成的污染日益严重,能源的清洁化也成了能源供给行业的一个必然趋势,为了减少温室气体的排放,一场遍布全球低碳能源革命也正在轰轰烈烈的进行。而这一革命的基石毫无疑问是发展新能源技术,寻找一种作为化石能源替代品的清洁能源。

自然界中清洁能源的资源无处不在,想要将各类能源有效利用起来,却是一个不小的问题。虽然在各地风力发电、光伏早就已经不再是什么新鲜的事物,但是风能、光能作为大自然中无限的资源,却不是能够轻易控制的,由此获得的电能也毕竟是一种看不见摸不着的能量媒质,电能的存储、运输相比实实在在的化学燃料都要困难很多。一个值得努力的方向是,将这些不可控制的能量,转化为一种像化石燃料一样易于存储运输的化学能量载体。于是,人们发现了一种可以将电能,转化为气体的技术:Power-to-X, 其中最直接的便是通过水解技术直接获得氢气,由此也拓展了一个全新的行业:氢能产业。