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新能源技术路线困局 氢燃料电池的商业之路

贵州智能电网产业联盟 2018-11-15 15:14 次阅读

电力是第二次工业革命崛起的新能源,推动人类走进电气时代,同时,它也将爱迪生和特斯拉这两位伟大的科学家联系到一起,爱迪生以及其投资商JP摩根主张使用直流电,而特斯拉和西屋电气公司则主张用交流电,在商业利益的驱使下,双方进行了旷日持久的对峙,继而引发了著名的“电流大战”。

爱迪生采用电椅死刑以及电死大型动物向公众证明交流电的危险,而特斯拉则发明了“特斯拉”线圈亲自表演放电魔术,直至1891年,特斯拉用他的交流电同时点亮了芝加哥博览会全场的数万只白炽灯,同时也宣告了“电流大战”胜负已分,交流电的应用掀起了第二次工业革命,至今,我们都在享受着电力所带来的福利。

而随着新能源的发展,路线也开始出现了分歧,继承了“尼古拉·特斯拉”之名的特斯拉公司与丰田主张的燃料电池开始了新一轮的明争暗斗,马斯克曾公开谈及燃料电池汽车,称其是汽车制造商骗人的把戏,纯粹是胡扯。但从特斯拉动作来看,显然还是较为在意的,2014年,马斯克宣布特斯拉推倒自己的专利墙,向所有的企业开放特斯拉电动车的专利。而仅1年后,丰田也宣布,将旗下5,700项氢燃料电池专利无偿与其他汽车制造商共享。

而从两家这一连串的动作来看,难免让人联系到,尼古拉·特斯拉放弃了交流电的专利费,此举极大助力了交流电的迅速发展,成本更低且没有门槛的交流电迅速取代了直流电,开始成为工业、商业和民用的最佳选择。而作为固体电池代言人的特斯拉以及氢燃料电池的丰田,取消专利打破壁垒有利于技术进一步扩散,就能让更多的汽车厂商乃至供应商偏向这一技术方向,占据市场的主流。

新能源技术路线困局

随着排放标准的逐渐严苛和政策的补贴导向,新能源发展逐渐走向了正轨,并形成了多线共同发展的态势,有HEV(轻混)、PHEV(插电式混动)、REEV(增程式混动)、BEV(纯电动)、FCEV(燃料电池)等等,但从长远来看,零排放是大势所趋,混动只是当下的零排放的一个过渡形态,因此,诸多车企以及政策导向都瞄准了纯电动以及燃料电池。

在政策以及资本的推动下,固体电池技术得到了快速发展,但从近两年来看,固体电池发展显然遇到了瓶颈,从技术来看,固体电池主要以三元锂电池为主,钴酸锂以及磷酸铁锂电池由于稳定性和能量密度等问题先后遭到了边缘化,但三元锂电池能量密度提升在技术进展缓慢,松下与特斯拉联合推出的21700的NCA电池,单体能量密度接近300Wh/kg左右,NCM811电池单体能量密度也仅为250Wh/kg,且仍面临高热稳定性差、充放电胀气等问题的困扰,短时间内无法根本解决。

而三元锂电池在充电时间上也较长,慢充最快也要高达6小时左右,显然,在拥挤的大城市,如若没有车库或者固定充电地点,将难以解决充电方面的问题。而寄予厚望的石墨烯电池技术也迟迟未能突破,(现今市场上发布的石墨烯电池仅仅是将石墨烯作为锂电池的正极,并非真正意义上的石墨烯电池),且纯电动为了保证续航里程,不断加大电池数量,导致整备质量直线上升。这些问题都成为了制约纯电动汽车发展的因素。

并且,锂电池在生产以及报废过程中都会产生污染,且由于火力发电仍占据大半的发电比例,因此,也有人指出,固体电池是伪新能源。而氢才是终极的清洁能源。

氢燃料电池的商业之路

反观氢燃料电池汽车(FCEV),虽然早在1893年就已经提出了其运行原理,可直到1994年奔驰才研发了第一款氢燃料电池车——NECARI,而直至2015年,丰田推出了第一款量产车型——Mirai,它的日文名发音“みらい”——意为“未来”。

在续航里程方面,氢燃料电池汽车一次加气可连续行驶700公里,能量转化率为60—80%,且排放仅为无污染的水,加氢时间短、行驶噪音小、整备质量较轻等,都是氢燃料电池汽车的优势。

首先从技术上来看,相比固体电池,氢燃料电池提升空间大,且没有锂电池使用寿命方面的顾虑,但由于锂电池无论是量产还是产业链方面都已经非常成熟,成本优势明显且技术难度较小。而氢燃料电池催化剂、质子交换膜、双极板等关键材料在国内几乎是空白,因此,成本也相应的有所提高。

关于有些人认为氢燃料电池成本之所以高,在于质子交换膜和铂催化剂的昂贵售价,我们都知道,铂是贵重金属,1g白金的交易价格在304元人民币左右,而催化剂使用量在0.4mg/cm2左右,100kW的燃料电池系统中使用的铂含量为41.67g。按照500元/g计算,成本约为20833元。这对于一辆售价在50万左右的燃料电池汽车来说,催化剂以及质子交换膜等材料显然并不是决定性的因素。

其实,主要原因还在于氢燃料电池汽车的工艺以及材料并不太成熟,随着逐渐量产,成本必然有非常大幅度下降。

其次阻碍其发展的因素还在于氢的储存以及运输方面,氢气并不像有些人所想的那么稀缺,在石油、煤、乙烯等原料进行处理时会以副产品的形式获得,且成本比较便宜。目前,中石化氢气年产量在200~300万吨,成为为20元~30元/吨,这个产量以及价格完全可满足国内燃料电池汽车对于氢气的需求。

虽然成本以及产量都比较理想,但产氢地往往与用氢地相隔遥远,运输成本很高,再加上加氢站的投入,成本便进一步飙升,如果采用电解制氢成本将大大提升,因此,氢气的储存运输成为了一个大问题。

除此之外,氢气有个非常特别的现象——氢脆,在压力超过一定压力和温度的情况下,氢气会逃逸到金属中,造成金属材料的脆化,因此,氢气的运输与常规气体不同,过低的压力导致运输量少,而过高压力则需要特殊的罐体,提高了氢气的成本。除此之外,有提出以液氢的形式进行运输,将氢-氮结合为氨,以氨气形式进行储存运输,到达目的地后在转换为氢气。

此外,加氢站建造成本也远高于加油站,加氢站主要由卸气柱、压缩机、储氢瓶组、加注机等设备组成,由于尚不能国产,在价格方面较为昂贵,而这种成本也会反映到氢气的终端售价之上。从终端氢气价格来看,丰田未来加注成为约为39元/kg元,其中氢气成本约占45%,运输成本约占20%以上,作为对比,特斯拉model s百公里耗电20kwh,约合16元。氢气的运输成本居高不下,成为了制约氢燃料电池发展的一道障碍。

丰田在氢燃料电池持续的投入研发,攻克了多项关键技术,丰田未来车型的上市,也预示着氢燃料电池开始正式登上新能源的舞台,在固体电池尚未有质的突破大环境下,也成为氢燃料电池逆袭的契机。

从国内2018新能源补贴来看,已经开始将氢燃料电池列为补贴对象,其用意显然不愿在这一条新能源路线上落后对手太多,选择了氢燃料电池与固体电池两条腿走路,在政策的指引下,国内车企以及诸多下级供应商也加紧了在氢燃料电池行业的布局,但从短期来看,氢燃料电池汽车量产之路仍需时日。

无论如何,作为新能源技术的两大领航者,特斯拉与丰田在新能源发展初期攻城略地,两家企业看似其乐融融实则暗流涌动,而丰田趁固体电池疲弱之际迅速崛起,尤其是中国这一汽车市场的加入,一时间声势大涨,固体电池也难以压制其锋芒,长远来看,特斯拉与丰田恩怨情仇还将继续。

原文标题:燃料电池与锂电池之争 特斯拉能否再获命运女神眷顾

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