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充电纯电动汽车还是氢燃料电池是未来?

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关于新能源车的发展方向,从理论上来讲,燃料电池无疑是眼下我们能够看到的几种技术中最具技术发展前景的。因为不仅仅是汽车,燃料电池这种全新的能源转换方式还在发电领域有所建树。但是,从最近几大汽车主流消费国的新能源车发展上来看,似乎除了日本之外,插电式混合动力和纯电动车开始呈现出要在未来主导新能源市场的趋势。从上世纪开始,汽车产业就已经不再是某个国家就可以独立发展的产业,全球化标准的制定将在很大程度上成为主导汽车产业发展的动向。特别是对于新能源汽车而言,全球性的基础设施建设标准将成为主导未来新能源产业发展的最大变数。

在内燃机时代,加油接口都是统一标准,所以无论各个派系质检的动力系统如何变化,终归都是要回归到加油口这个地方来的。但是在新能源时代,传统的加油接口将被新的能源补充方式所取代。眼下正是新能源动力技术变革的初期,在统一的标准制定前各种新能源动力技术呈现出百花齐放的态势。仅从大的分类来看目前就存在着插电式混合动力、纯电动、燃料电池这么几种,如果再细化到单一电动技术中,也同样存在着充电接口的不同,充电电压的不同,充电形式的不同。百花齐放的年代往往就是竞争最为激烈的年代,未来的新能源动力技术将使用何种形式的接口作为标准就是这一场竞赛中唯一的裁判。换句话说,眼下的新能源市场争夺实际上就是接口标准制定权的争夺。

从现在新能源动力技术的发展方向来看,目前国际上存在着两个截然不同的阵营,一是以中国和欧洲为代表的电动车阵营,中国和德国政府甚至还就电动车充电接口的标准问题达成了统一,这可以看作是双方政府对于新能源发展方向的一次肯定。在产品方面,搅局者特斯拉的出现让新能源动力成为了时尚的潮流。另一个阵营则是以日本和韩国为代表的燃料电池阵营,日本国内在完成了混合动力的普及之后,将未来新能源车发展的道路锁定在了更具有先进性的燃料电池领域,目前丰田旗下的首款燃料电池车Mirai已经正式发布,成为目前市场上首款大批量投产的燃料电池车型。韩国则以现代汽车为代表投放了燃料电池版的ix35进入市场。


燃料电池的原理其实很简单,就是氢燃料在燃料电池的阳极板,也就是负极,经过催化层的作用,将氢原子的一个电子分离出来。然后失去电子的氢离子通过质子交换膜到达燃料电池的阴极板,也就是正极。游离后的电子不能并通过质子交换膜,所以就只能经过外部的通路到达阴极板与氢离子重新结合,在电子的运动过程中自然就在外电路产生电流。而这个电流经过逆变器以及控制器等装置之后,就能够到达电动机驱动其运动产生动能。到达阴极板之后的电子又与在那里的氢离子和氧原子重新结合为水。从这个简单的原理中我们不难看到,要驱动燃料电池车运行,我们只需要补充氢能源就好。

电动动力的原理则相对简单,以高能量密度的电池组作为动力源向电动机提供动力,电池组通过外接的充电方式进行能源补给。不同的电动车根据技术方向的不同采用的电池组结构形式也不同,不过充电的大致原理都大同小异。在外接电源的作用下阴极的原子电离成离子和电子,离子向阳极运动与电子重新结合成原子,放电正好与之相反。所以电动车要运行,需要通过外接电源进行充电。

所以,从实用的角度来看,制约电动车发展的最大问题就在于充电时间上。电动车重新补充能量的过程是一次将电能转化为化学能储蓄的过程需要耗费大量的时间,但是对于燃料电池车而言,重新获得能量的过程则是一次氢燃料加注的过程。前者补充一次可能需要数小时,但是后者仅需几分钟。从使用线性来看,燃料电池车型也更加趋向于传统内燃机车的表现,并不会像电动车那样出现电能上下波动和电量衰退的情况。更何况,燃料电池系统的能源转换不涉及燃烧,所以拥有更高的能量转换效率,每一辆燃料电池车都可以当做是一个小型的燃料电池发电站。从技术的角度来看,燃料电池车比纯电动车更具有推广价值。但是,左右新能源发展的并不仅仅是技术,市场才是关键力量,而市场从来都只认可拥有广泛群众基础的方案。由于能源补充接口的孑然不同,这一次新能源动力发展方向之间的博弈最终的结果将会导致失败的一方彻底沉沦。所以,燃料电池车和电动车都开始了技术运用版图的争夺,这最简单的办法就是开放专利。

电动汽车BEV(Battery Electric Vehicle)和燃料电池汽车FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle)都是靠电机驱动车辆。BEV依靠电池里储存的电能驱动,而FCEV则靠氢气和氧气发生化学反应转换成电能驱动。所以他俩本质的区别是BEV储存电能,需要高能量密度的汽车电池,而FCEV制造电能,需要大容量的燃料氢气(通过储氢罐)。

两种技术从排放来说比传统汽车都有很大的进步,FCEV最后的排放是水,BEV则没有排放,算是打了个平手。下面主要从技术方面看看他俩的优劣。

燃料电池汽车FCEV相对BEV的优势

最大的优势是续航里程更长。FCEV的续航里程一般都是400公里以上,和传统的燃油车非常接近。而对BEV来说,更长的续航里程意味着更重更贵的锂电池包。目前BEV里头只有Tesla Model S的续航里程超过了400公里,但代价是重达1吨、贵到20万人民币的电池包。再加上深度放电会影响锂电池寿命,也就是不能像传统汽车那样将油用干再加满,所以实际续航里程比宣称的还要低不少。虽然FCEV的价格目前更高,但从前景来说,同样续航里程的情况下,FCEV的成本会低于BEV。

另外一个很大的优势是补充燃料(电能)更快。FCEV的加氢是物理过程,3分钟左右便可加满。BEV的电池充电是电解反应,充电的时候需要控制否则会有副反应发生,目前快充是半个小时充满80%,在将来很长一段时间内比较难提高充电速度。快速换电池的解决方案受制于电池质量、所有权、电池型号等问题,可能对于公交车有更多帮助,对私家乘用车来说,前景比较渺茫。

还有一个优势是FCEV无需担心亏电问题。化学反应需要氧化剂、还原剂(俗称燃料)和反应场所。锂电池里头的氧化剂、还原剂(分别是正负极)存放距离非常近,只有10多个µ米,(1µ=0.000001),即使不工作也会有自放电的电能损耗。而FCEV的反应场所和燃料可以物理隔离,和传统汽油车类似,不启动基本不会影响续航里程。

燃料电池汽车FCEV对比BEV的劣势

首先是FCEV的催化剂很贵,以燃料电池PEMFC为例,催化剂通常含有Pt,也就是铂(俗名白金)。比黄金还贵的贵金属,用来做催化剂实在是太肉疼了。更要命的是,这种贵重的催化剂,还会出现损耗。铂在气态硫氮氧化物(如一氧化碳,二氧化硫等)浓度以ppm为单位存在的情况下有严重的中毒情况,浓度高于百ppm中毒不可逆。我国目前的这种雾霾环境,意味着催化剂会不断的被损耗。而PEMFC的催化剂载体碳,在放电状态下很容易氧化造成结构坍塌,致使Pt的催化面积迅速减小并流失。

制约FCEV发展的还有加氢站基础建设。虽然目前服务BEV的充电站/桩发展也比较慢,没有很好的商业模式吸引资本,更多的是依靠政府推动的公用充电站以及各家车厂/4S店建立为自家车主服务的充电站。但同需要服务FCEV的加氢站相比,充电桩占地小,投资少,时间短,改造线路便可投入使用。而加氢站则需要重新规划,占地大,投资多,时间长。所以加氢站在很长一段时间内没法到位,通过建设加氢站刺激FCEV的销量目前来看非常不可行。

FCEV和BEV的未来

短期来看,以BEV和PHEV(插电式混合动力汽车 )为主的新能源汽车会慢慢进入良性循环阶段,即更大容量的电池,更多的充电站和更多的销量,彼此之间互相刺激提高增长。车厂将会推出越来越多的BEV和PHEV车型,而消费者将会逐渐熟悉并习惯这些低排放新能源汽车。而FCEV由于续航里程以及加氢速度迅速的优势,车厂从长期来说会继续投资FCEV。

新能源技术取代传统内燃机技术是历史发展的必然,但是新能源技术最终将朝着哪一种方向去发展我们还不得而知。在这个交叉路口,选择哪一条道路作为新能源汽车的发展方向都意味着巨大的基础设施建设,一旦开弓就再无回头路。所以,燃料电池车和电动车之间的市场争夺在未来只会越来越激烈。

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