为什么氢燃料动力锂离子电池汽车还没有成为主流?

2022-02-24      569 次浏览

1838年十二月,德国物理学家克里斯蒂安弗里德里希舍本贝恩(ChristianFriedrichSchönbein)在《伦敦和爱丁堡哲学杂志》上展示了他发明的第一个燃料动力锂电池,并讨论了由溶解在水中的氢和氧出现的电流技术。同一年,威尔士物理学家和大律师威廉格罗夫爵士(SirWilliamGrove)也发表了相关著作,虽然从今朝往回看,当时的燃料动力锂电池技术比较粗糙,但二人的文章证明了燃料动力锂电池的可行性。


此后一百余年,燃料动力锂电池被不断提及,成为清洁能源的代表之一。氢能作为最易获得的能源,在燃料动力锂电池中获得较高的地位。随着对环境的重视,我们越来越强调低碳经济与生态文明,因而世界的主旋律都在向新能源看齐。众所周知,新能源因污染小、储量大、分布广,更能满足当下的需求。


威廉格罗夫爵士1839年燃料动力锂电池的草图|wikipedia在新能源诸多分支里,燃料动力锂电池却没有掌握绝对的话语权,在人们最常使用新能源的场景汽车上,搭载锂离子电池的电动汽车成为了新能源的领先者,占据了新能源的半壁江山。


但是,即便是目前最主流的使用,电动汽车也存在无法戒备的劣势,如充电时间长、续航里程短,电池维修及保养成本高等等。受技术发展限制,电动汽车能否成为人们出行的绝对唯一选择,依然有许多不确定因素。而在锂离子电池之外,还有着不少其他技术方式,正在等待爆发当中。


被忽视的新能源


1999年的东京车展上,本田就推出了FCX概念车,其中由巴拉德动力系统公司(ballardpowerSystems)制造的氢燃料动力锂电池有78kW的功率输出,EpA认证的续航里程为170英里(约273公里)。


1999年东京车展,本田展示了FCX概念车型|wikipedia2009年,奔驰、本田、丰田等车企纷纷入局氢燃料动力锂电池汽车,据统计,仅一年时间,就有20余款氢燃料动力锂电池的车型公布,并在接下来几年中逐渐量产销售。然而,结果总不遂人愿。2009年到今朝,氢燃料动力锂电池汽车并未像理想当中发展火爆。


据外媒报道,截至2019年二月,在全美国已售出和租赁了超过6000辆氢燃料动力锂电池汽车,是第二大市场日本的两倍。而起步时间相似的锂离子电池发展更为迅速,仅2019年上半年,美国电动汽车累计销量达148704辆,电动汽车成为了当下一块巨大的市场。


欧洲2016-2018年各季度新能源汽车销量占比|euobersever(左上角图注从左到右依次为混合动力汽车、纯电动汽车、增程式电动汽车以及氢燃料动力锂电池汽车)好像是两兄弟几乎同时出生,但一个体格强壮另一个发育不良,为甚么会出现这样的情况?


究其原由,氢能源在产业化过程中并没有获得足够的发展,有关能源方面的技术还不够完善。首先,氢燃料动力锂电池车对充能基础设施的需求较高。倘若我们拿电动汽车来比较,电动汽车在外可以用快充桩充电,在家可以使用慢充桩,但氢燃料动力锂电池汽车只能在加氢站充能,倘若基础设施没有成大规模分布,那么有关人们出行都成了难题。


依据我国氢能联盟公布的《我国氢能源及燃料动力锂电池产业白皮书》,截至2018年底,我国已建成加氢站共有23座,占全球加氢站的比例约为6.23%。


我国已运营的加氢站分布|《我国氢能源及燃料动力锂电池产业白皮书》另外,氢能源用作汽车动力的一个优点在于续航里程较长,而这是由于其质量能量密度极高才能做到的。锂离子的质量能量密度为0.36-0.88MJ/Kg,而氢气的质量能量密度为142MJ/Kg。但氢气的体积能量密度较低,所以在汽车上使用的话,一般的处理办法是将将氢气压缩或液化以缩小储氢罐的体积,有关储氢技术要求非常高。因而,氢燃料动力锂电池汽车在过去一直处于无法达到规模量产的尴尬境地。


但人们并未放弃这类清洁能源。一方面,氢燃料动力锂电池具有无可比拟的优点,在其运行过程中,不仅没有氮氧化物这种有毒气体,连二氧化碳都没有。相有关燃油汽车来说,氢燃料动力锂电池汽车完全达到了零碳排放。


氢能源还有一大优点:可再生。氢能作为一种二次能源,可从化石能源中获取,有助于煤炭等一次能源清洁高效利用;还可以通过电解水制取,新增电力系统灵活性,实现大规模储能及调峰。从这个角度看,氢能源的全生命周期的能源效率要优于汽油柴油。


电解水制氢成本|《我国氢能源及燃料动力锂电池产业白皮书》目前,世界各国都在将氢能源与燃料动力锂电池作为重点发展对象,不断加大研发和产业化的扶持力度。据粗略统计,近十年,以美国、日本、欧盟与我国为代表的国家已在氢能与燃料动力锂电池当中投入近50亿美元。


世界各国有关零碳排放的要求都有一个大致的时间点:2050年。事实上,仅依赖一种能源在2050年使所有经济与运输行业完成零排放的目标,具有相当大的难度,人们要更多选择。


正在升级的氢动力


技术总归要变得成熟,更紧要的是,技术的成熟度是我们肉眼可见的。过去70、80年代在航天当中使用的技术,如脱水食品、纸尿裤等等,在今日也普及到大众当中,成为随处可见的消费品。同理,氢燃料动力锂电池看上去默默无闻,但也在不断发展。


2008年,本田推出了第一款可供零售客户使用的氢燃料动力锂电池汽车,在随后的几年中不断进行研发和升级,日前在广州车展上,本田氢燃料动力锂电池汽车ClarityFuelCell亮相。


就像上文提到,距离本田公布首款氢燃料动力锂电池车辆已有20年之久,而本田自身在80年代已经开始燃料动力锂电池车的基础研究。2007年,本田公布了首款氢燃料动力锂电池量产车型FCXClarity,正式投向市场。据本田方面表示,直至今日,仍有1000辆FCXClarity通过租赁的形式在美国加州道路上行驶。


比起上一代车型,ClarityFuelCell搭载了第二代FCV(FuelCellVehicles,燃料动力锂电池汽车)动力总成技术,在动力方面有了显著提升,比如它实现了燃料动力锂电池堆的小型化。据悉,新一代ClarityFuelCell的单位电芯的发电性能提升1.5倍,燃料动力锂电池单元变薄20%,电池堆的体积缩小了33%。


本田在氢燃料动力锂电池车的动力技术上进一步提升|本田整个电堆都是由本田独立开发完成的,通过生成气体流路的改进和冷却方式的改进,最终可实现单位电池的输出电池功率得到大幅提高。ClarityFuelCell动力总成开发助理负责人安藤章二解析,与其他车企的氢燃料动力锂电池技术相比,本田最大的优点在于燃料动力锂电池堆的小型化和车内空间的提升。原本只能乘坐4人的驾乘空间,也因此升级到5人可宽广乘坐。


在ClarityFuelCell上,本田将集成了驱动电机、电池堆、混合气体单元、供压机、电控系统五部分的整套动力总成系统放置在发动机罩内,与其他车型形成了分明差异化。紧凑的尺寸使得车辆动力总成与一般V6发动机相仿,同时也大幅提高车体设计的自由度。


本田称发动机舱内搭载燃料动力锂电池动力总成为全球首创|本田本田方面表示,ClarityFuelCell的性能与燃油车已别无二致。该车型可实现最大130kW的输出功率和300Nm的峰值扭矩,每次加满氢只需3分钟,最长续航里程高达750km。


至此,氢燃料动力锂电池车也许可以证明自己的实用性。安藤章二表示,该车型已经在日本、美国小批量售卖。与现有燃油或电动汽车辆的配置基本一致,也说明这套系统在未来具有大批量加工的可能。


比较客观的情况是,大环境的成熟不能只靠一家公司来支撑。尽管氢燃料动力锂电池车已成为车企们重点推广普及的车型,但他们也承认,距离真正的大规模普及还要几年时间。氢燃料还不是车企或者消费者的主流选择,这项技术却并没有沉寂。相反,以本田为代表的车企们正在为后电动化时代做前瞻性的准备。


更值得说明的是,有关技术的探索,本田具有很强的开放性。本田也在积极探讨燃料动力锂电池技术在我国使用的可能性。虽然只是积极探讨,但在每一项技术背后,我们都能看到本田这个极客一直在继续的探索技术。


ClarityFuelCell|本田不仅仅是燃油车、纯电动汽车,甚至是本田的小型商务喷气机HondaJet,在一场以能源与技术为主题的变革当中,不以能源作为自己的定位,而是将出行作为主体来考虑,才是正确的道路。幸运的是,本田正在将其付诸践行。


在这样一个技术变革的时代,面对种种压力和焦虑,本田最美的地方在于保留了更多可能性,以及时刻保持着自身有关技术的探索感。


而在更广泛的出行范畴变革之中,本田也在不断的积极与科技公司合作成长,早期与Waymo、Deepmap建立深度合作;在投资东南亚共享服务Grab、投资通用自动驾驶部门Cruise7.5亿美元;甚至在我国,Honda作为首家日企加入了百度Apollo平台,与商汤科技联合研发自动驾驶AI技术等等本田与这些年轻科技公司建立了更强关联的合作。


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