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共生共存的氢燃料电池与锂电池

2019-03-25 10:00
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如果LIB和FC互相补充弱点,那么在一些目前各自单独都无法完成的用途上,有较大概率产生新突破。

Q1:什么是燃料电池(FC)?它与锂离子二次电池有何不同?

A1: 操作原理与Li离子二次电池的操作原理相同,都是负极材料被正极材料氧化时,释放电量。具体到燃料电池就是氢氧化形成水的反应,与缓慢燃烧一样。所不同的是由H离子代替Li离子移动放电(发电),因此燃料电池也可以说是“H(氢)离子电池”。不过,目前已经商用化的只有不能充电的一次电池。

共生共存的氢燃料电池与锂电池

PEFC(固态高分子型燃料电池)的组成

Q2:与锂离子二次电池相比有哪些特点?如果不能充电那是一次性的吗?

A2:氢气本身的燃烧能量密度是汽油的3倍。即使是在燃料电池系统中,能量密度也高达锂离子二次电池的5倍左右,因此可以使用很长时间。即使初始容量耗尽,也不会是一次性的。原因是正极材料(氧气)在空气中存在且不会消失。负极材料(氢)也是气体,当它消耗完后可以重新填充。

Q3:氢气来自哪里?

A3:(例如)可以从水或太阳提取,然后将提取的氢气在燃料电池中使用时,它又会变回水。太阳能发电和水电解设备,燃料电池可以说是通过水和氢将太阳能转换成电能的机制。

共生共存的氢燃料电池与锂电池

包含氢气制造的材料循环图

Q4:二十年前日本就在提燃料电池与氢气社会,这一次是真的要来到了吗?

A4:最近,各种技术的发展和社会环境的变化显示时机有到来的趋势。例如:

输出密度比20年前提高了3倍以上。

电动汽车(EV)、无人机等领域一度引起热潮,但在实际用途中续航里程以及充电时间等痛点问题非常深刻,越来越多人意识到燃料电池可能解决上述问题。

目前普遍使用城市燃气和甲醇作为燃料,但是存在氢转化过程中一部分能量被消耗的问题。通过直接使用纯氢,可以得出燃料电池的原始性能。目前基础设施在逐步完善。

Q5:如果燃料电池出来,还需要锂离子二次电池吗?FCV与EV的关系将会如何?

A5:最佳使用方式在技术上是不同的,通过组合使用燃料电池与锂离子电池,可以创建迄今无法完成的新应用或避免浪费成本。

而且许多现有的燃料电池汽车(FCV)配备了容量不小的二次电池,实际上是半EV产品的形态。所以经济合理性对于推广才是最重要的,目前可预见的趋势首先是与锂离子二次电池一起使用才更合适。

FCV考虑首先从商用车辆(公共汽车,长途卡车,叉车,无人机等)引入,其中续航里程和稼动率很重要。如果未来自动驾驶普及的话,城市汽车采用FCV的可能性也很大。

Q6:有一种说法是日本虽然技术先进,但布局太早是否被孤立了?

A6:虽然日本制造商在技术方面保持优势,但海外也在猛烈追赶。在市场开拓和发展氢气供应基础设施等方面,不如说海外现在的进展更快。美国Amazon和Walmart已经共计导入了约2万台燃料电池(FC)叉车。日本早期布局很早,但中间睡觉了,猛然觉醒的当下,有点睡过头的兔子的状态。

与LIB电池将保持互补关系

我们比较了面向汽车市场的LIB和FC两种电池技术的特征。FC电池具备明显优势的方面是:(1)高能量密度,(2)燃料(充电)时间短,(3)大容量化时低成本。

共生共存的氢燃料电池与锂电池

FC电池与LIB电池不是竞争而是互补关系

FC系统与锂离子二次电池(LIB)的比较。能量密度方面即使考虑氢气罐等,FC系统依然胜出。另一方面,FC的负荷跟随性和电力利用效率低。虽然容量增加可以实现低成本,但是高功率输出的成本就比较昂贵。

FC使用的加氢站日本国内仅有大约100个,但快速充电器就有大约7000所,如果包含家用交流电源,则电动车得充电设施数量与FC差异巨大。

共生共存的氢燃料电池与锂电池

(A)EV与FCV长途驾驶时的优劣比较

共生共存的氢燃料电池与锂电池

(B)EV和FCV的用途区分

行驶距离越长差异就越大

使用EV卡车和FCV卡车时的差异(a)。EV卡车的速度通常相对较快,但巡航距离较短。此外,现有充电设施需要超过3个半小时才能充满电。充电时间成为长途旅行的一大损失。另一方面,即使FCV卡车的行驶速度低,巡航距离很长,充氢只需15到20分钟。因此,FCV卡车的平均时速更高。

为了区别应用,在不需要长续航距离的城市道路应用中,充电机会多且电力利用效率更高得EV是有利的,另一方面重型应用与无人机等电池的重能量密度很重要的应用,以及24小时驾驶的自动驾驶出租车等应用领域,FCV都成为更有利的选择。最近,还开始开发用于自动驾驶车辆在氢站充氢时不需要人员介入的充氢机器人动向(b)。

LIB电池弥补FC电池弱点

虽然按照上面得说法即使都用FCV电池看起来也还不错,但现实并非如此,同样FCV还存在一些弱点。具体而言,(1)短距离应用中的电力使用效率低,(2)负载跟随能力低,(3)不容易实现高功率输出,(4)充电基础设施,即充氢站的数量是远远不够。

共生共存的氢燃料电池与锂电池

(A)从发电到使用全过程中,LIB的效率是FC的两倍

共生共存的氢燃料电池与锂电池

(B)考虑车辆重量等因素后的巡航距离和效率之间的关系

电力的一般利用效率与汽车效率不同

考虑到诸如FC和LIB等二次电池的一般电力使用效率,FC仅具有LIB(a)的1/2效率。这是因为FC需要将电转换成氢,压缩并输送,然后再次将氢转换成电的过程中损失很大。

另一方面,如果考虑巡航范围不同的车辆功率使用效率,车辆或无人驾驶飞机二次电池重量能量密度低。同时因为运输电池本身也会消耗电量,如果通过加大电池数量来提高续航里程效率反而会急剧下降(b)。

所以符合这一逻辑的构图是LIB电池仅适用于通过小电池容量就能满足的短距离驾驶EV。装载大容量电池以获得续航里程的EV车型中,大部分电力将用来运输电池本身,实际效率将低于FCV车型。无人驾驶飞机应用上这一逻辑更加明显。

共生共存的氢燃料电池与锂电池

许多FCV车型实际是二次电池和FC电池的混合动力型

根据马力和续航里程对目前市面已经发布的EV和FCV进行了分类,FCV大约具备相同马力的EV车型两倍的续航里程。然而,最近的FCV车型一般都会搭载小型EV差不多相同容量的二次电池,由二次电池和FC的混合系统进行驱动。

DRAM或HDD都无法独自驱动

顺便提一下,LIB和FC在内的存储能源技术之间的关系非常类似于计算机存储器中DRAM,SSD,HDD,磁带等的关系(图10)。

尽管DRAM具有低延迟,但是增加容量需要很大的成本,因此人们将它与SSD(尽管延迟稍大,但比特率低)结合使用。此外,为了确保更大的记录容量或长期存储一般用HDD,而日常则与系统分开保管的磁带更受欢迎。

共生共存的氢燃料电池与锂电池

FC电池类似于存储器中HDD或是磁带的定位

根据数据记录(存储器)技术的特性差异进行区分(a),以及根据各种蓄电/存储能量技术的特性差异(b)进行比较。在成本和响应性方面,LIB电池类似于存储器技术中闪存一样的存在。

另一方面,FC电池对应于HDD和磁带。类似于存储技术中结合不同特性的技术使得个人计算机等成为更加有用的设备,利用蓄电/能量存储技术的组合也有可能产生更高价值。

LIB作为能量储存技术在相对短时间内充放电用途上由于高效率等优势实用价值高,但用于大规模或长期存储的目的则成本太高。与之相反,FC电池在长时间内充放电用途上性能优异,可以成为非常低成本的长期存储手段。如果LIB和FC互相补充对方的弱点,则在一些目前各自单独都无法完成的用途上产生新突破的可能性极其高。

LIB和FC电池两面夹击“抽水蓄电“

甚至还出现了将上述观点细化研究形成的论文,考虑了制造成本和使用成本的长期变化,以及使用的差异等。2019年1月,英国帝国理工学院的研究人员展示了9种储能技术的最低利用成本的应用及这些技术随时间的变化,包括LIB和FC电池。

共生共存的氢燃料电池与锂电池

(a)最便宜的节能技术随着时期不同而变化

共生共存的氢燃料电池与锂电池

(b)如果不能使用压缩空气和抽水蓄能发电前提下,2030年后的状态

未来的LIB和燃料电池/氢将成为主要的存储技术

英国帝国理工学院(a)研究人员所展示的放电频率和放电时间成本竞争力最高的技术。对九种技术(LIB电池,FC /氢,NAS(钠-硫)电池,铅(Pb)电池,氧化还原液流钒利用率(VRFB),空气压缩,抽水发电蓄能,风车,双电层电容器)从2015年到2050年的成本变迁进行了比较。色密度越高,成本竞争力越高。

纵轴的放电时间与功率容量和备用容量等高相关,这意味着,只要放电时间越长,放电频率越小(左上区域)就越适合大容量的电量储存。2040年,LIB电池将部分取代抽水蓄能发电的主要应用,而FC /氢气已确立了其大型电力的储备技术地位。如假设抽水蓄能发电不能使用,2030年后FC/氢气和LIB将变成新的两大储能技术(b)。

根据这一推测,成本竞争力强的LIB电池取代的将不是FC电池而是抽水发电。2015年左右抽水发电成本最低的许多地区将在2040年被LIB电池取代。虽然抽水蓄能发电和LIB的“边界”在2015年重点放在放电是否超过1小时,但到了2040年后LIB价格大幅下降,甚至到放电需要12小时的一些用途上,LIB都能体现出成本优势。

目前,日本及欧美电力系统都已经开始大量引入LIB以维持电力产量水平。例如,GS Yuasa计划在2020财年之后向北海道电力公司的电力系统引入额定输出功率为240兆瓦,容量为720兆瓦时的LIB电池。

在考虑LIB的成本时,重要的不仅仅是容量,而是额定输出和容量之间的关系。上述情况下的容量额定输出为3小时。鉴于上述论文,考虑到2015年后LIB的价格下跌,将其与抽水蓄能发电区分是合理的。反过来假设要在此额定输出下继续放电24小时,则需要5.76 GWh(5760 MWh)的容量,目前来说是不现实的。

另一方面,在更长充放电时间的使用用途上,FC/氢技术也逐渐侵蚀当前的抽水蓄电的使用区域,2040年之后将成为持续3天以上放电用途中成本最为低廉的技术。事实上,在英国,氢被用作储存数月电力的一种储存技术已经在使用。

LIB和FC /氢气时代的两大技术

顺便说一下,抽水蓄能发电是一个非常大的储能系统,使用两个水坝,其环境负担很高,因此未来很难增加建设。车载应用肯定是无法实现,并且其他可用的场景也是有限的。

如果将抽水蓄能和空气压缩从上面的选择项中去除,则到了2030年能够留下来的就是LIB和FC /氢,以及风车发电或双层电容器。这之后的20年至2050年情况可能都不会发生太大变化,除非出现意想不到的新技术,否则LIB和FC/氢的两大技术时代将至少持续数十年。

本文作者:NE研究院

来源:NE时代

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