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氢燃料电池和锂电池的对比

人类历史上每一次成功的能源变革,都有一个清晰的主线逻辑,就是能量密度出现数量级上的跃升。如煤炭比木柴高160倍,石油比煤炭也要高2倍。新能源只有具备能量密度上碾压性的优势,才有能力颠覆传统能源凭借着长期发展建立起来的完善的基础网络和工业配套,并逆转其巨大的使用惯性。这也有些类似英尔特创始人格鲁夫在IT领域提出的10倍速原理,即能够成功颠覆的新技术一旦出现,基本就是星火燎原、势不可挡。如汽油车比电动车出现要晚20年,早期技术也更为不成熟,但还是凭借着能量密度高的优势,摧枯拉朽般的替代了电动车。

氢燃料电池和锂电池分析

近几十年虽然各国都在大力推广电动车,但其占比依然很低,尚不足1%,核心就在于过往的电动车都违反了能量密度提升这个能源变革的主线逻辑。哪怕是最新一代的锂电池车,其能量密度极值也只有汽油的1/40,行业自然迟迟无法出现10倍速的改进。但燃料电池的出现却彻底改变了这一现状。其以氢气为原料,基础能量密度是汽油的3倍,电动机的做功效率还是内燃机的2倍,实际密度是汽油的6倍,优势明显。而且从人类过去百年的能源进化史看,其本质上就是碳氢比的调整史,氢含量越高,能量密度越高,未来从碳能源转向氢能源是大势所趋,因此采用氢能源的燃料电池无疑更能代表历史发展的方向,最有望成为下一代的基础能源。

机动车性能主要为续航能力、充电/充氢时间、输出功率和安全性等。燃料电池能量密度远高于锂电池,相应电池容量,快充能力和续航里程就具备了天然的优势,即使是和锂电池的顶级豪车Tesla相比也是大幅领先。但其功率密度不高,最大输出功率取决于辅助的动力电池系统,相应最高时速和百公里加速指标和锂电池相差不大。为了便于比较,我们下文选取目前主流的2L排气量汽油车,对应45度锂电池车和输出功率100KW燃料电池车作为分析基准。

能量密度比较

锂电池作为蓄电池的一种,是个封闭体系,电池只是能量的载体,必须提前充电才能运行,其能量密度取决于电极材料的能量密度。由于目前负极材料的能量密度远大于正极,所以提高能量密度就要不断升级正极材料,如从铅酸、到镍系、再到锂电池。但锂已经是原子量最小的金属元素,比锂离子更好的正极材料理论上就只有纯锂电极,但能量密度其实也只有汽油的1/4,而且商业化的技术难度极大,几十年内都无望突破。因此锂电池能量密度提升受制于理论瓶颈,空间非常有限,最多也就是从目前的160Wh/KG提高至300Wh/KG,即使达到也只有燃料电池的1/120,可谓输在起跑线上。

体积能量密度比较

燃料电池的原料氢气主要缺点就是体积能量密度不高,现在基本上是采用加压来解决这个问题。按照现行的700个大气压的加压模式,其体积能量密度是汽油1/3。同样跑300公里,燃料电池储氢罐体积为100L,重量为30KG,对应汽油车油箱为30L,但电动机体积比内燃机小80L,总体积相差不大。锂电池车分为三元和磷酸铁锂两种主流技术路线,代表企业为Tesla和比亚迪。三元能量密度更高,但安全性差,需要辅助的安全保护设备,跑300公里所需的两种电池体积分别为140L和220L,重量为0.4吨和0.6吨,都远高于燃料电池。展望未来如果储氢合金和低温液态储氢技术能够突破,燃料电池体积能量密度将分别增加1.5倍和2倍,优势会更为明显。

功率密度比较

燃料电池本质上可以理解为以氢气为原料的化学发电系统,因此输出功率比较稳定,为了最大提高放电功率必须附加动力电池系统,如丰田Mirai就是配套镍氢电池。但作为一个开放的动力系统,其能量来自于外部输入,附加的镍氢电池不需要考虑储能的问题,只要5-8度就能满足需求,对电池寿命的要求也不高,在真实工况下的使用限制很少。锂电池虽然理论放电效率很高,但为了不伤害电池寿命,使用限制很多。在充满电的情况下不能大倍率放电,快速放电只适用0-80%这个区间。即使如此,以5C倍率放电,实验室中的电池循环寿命也会缩短到只有600次,真实工况下会进一步降至400次,如Telsa即使最大功率可达310KW,但实际放电倍率也只有4C。而且锂电池作为能量密度不高的封闭储能体系,高功率放电和高续航里程基本很难兼容,除非大幅提升电池重量。即使Tesla采用了目前能量密度最好的三元电池,其电池组件重量都接近半吨。

安全性比较

除了上述指标,安全性对于机动车来说无疑也非常关键。锂电池作为封闭的能量体系,从原理上高能量密度和安全性就很难兼容,否则就等同于炸弹。因此现在主流工艺路线中,能量密度低的磷酸铁锂安全性却较好,电池温度达到500-600度时才开始分解,基本不需要太多的保护辅助设备。Telsa采用的三元电池能量密度虽高,但不耐高温,250-350度就会分解,安全性差。其解决方法是并联了超过7000节电池,大幅降低了单个电池漏液,爆炸带来的危险,即使如此也还需要结合一套复杂的电池保护设备。并且前期发生的几次事故,虽然得益于Telsa的安全设计并没有出现人员伤亡,但就事故本身而言,其实都是非常轻微的碰撞,车身也没有收到什么伤害,但电池却着火了,也侧面反映了其安全性上天然的劣势。

燃料电池由于原料氢气易燃易爆,市场普遍担心其安全性问题。但如我们下表的数据,相比汽油蒸汽和天然气这两种常见的车用可燃气体,氢气的安全性并不差,甚至还略好。现在车用储氢装置都采用碳纤维材料,在80KM/h速度多角度碰撞测试中都可以做到毫发无损。即使车祸导致泄露,由于氢气爆炸要求浓度高,在爆炸前一般就已经开始燃烧,反而很难爆炸。而且氢气重量轻,溢出系统的氢气着火后会迅速向上升起,反而一定程度上保护了车身和乘客。而汽油为液态,锂电池为固态,很难在大气中上升,燃烧都在车舱底部,整车会迅速着火报废。氢气储运环节其实和LNG非常类似,只是所需压力更大,随着商业化推进,其整体安全性也还是可控的。

电池车的成本主要分为整车成本、原料成本、配套成本。目前对燃料电池诟病最多就是成本太高,但用发展的眼光看,随着技术进步和商业化程度提高,其成本下降的空间很大。而锂电池如果考虑到电网端扩容的成本,其实综合配套成本还高于燃料电池,具体测算如下:

整车成本比较

锂电池、燃料电池和传统汽油车,整车成本的差异主要体现在发动机成本,其他组件差异不大。2L汽油车发动机成本在3万元左右,未来也很难有太大的变化。现有锂电池的度电成本为1200元/kWh,未来有望降至1000元/kWh,45度电动车,电池成本为4.5万元。燃料电池成本主要是电池组和高压储氢罐,现在100kw电池组成本为10万元,预测年产50万台后,单位成本将降至30美元/KW,即2万元。现有储氢罐成本为6万元,未来有望降至3.5万元,总成本为5.5万元。长期看三种动力体系的成本相差不大,可见整车成本并不是核心问题。

原料成本比较

2L汽油车百公里耗油为10升,5.8元/L的汽油售价,成本为58元。锂电池车百公里耗电量为17度,0.65元/度电成本,成本11元。燃料电池百公里消耗氢气9方,制氢方式主要分为电解水或者化学反应,如煤制氢、天然气制氢等。电解水成本主要是电,平均5度电1方氢气,成本约为3.8元/方,但可以在加氢站直接电解,省掉运输费用。如果采用化石能源大规模集中生产,国内成本最低的是煤制氢气,约为1.4元/方,北美则可利用廉价的天然气,成本在0.9元/方。如果我们以煤制气成本作为标准,百公里原料成本12.6元,和锂电池差别不大。

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