燃料电池汽车与电动汽车,谁能胜出?

电动汽车面临两个问题:充电设备、充电时间、电池寿命、续航时间。而燃料电池汽车面临加氢设备、电池寿命和成本。我个人倾向于燃料电池,但不是新能源汽车领域的行家。 2015.2.25补充:china.nikkeibp.com.cn/n
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作为新型动力汽车的代表,燃料电池车和电动汽车孰优孰劣?

在对比之前,首先介绍一下相关知识。

、关于燃料电池车

(一)燃料电池的工作原理及原料的制取

燃料电池的基本原理为利用氢气与氧气的化合反应产生的能量发电。产生的电力可用来维持宇宙飞船的运转(如“阿波罗计划”的飞船),可以供应家庭使用(如日本东京煤气采用的家庭用供电系统)。而如果用来驱动汽车,则成为燃料电池汽车。

燃料电池从燃料的来源上看,有纯氢气和液化天然气等几种。

其中液化天然气的主要成份为甲烷(CH4),利用甲烷的氧化反应(不一定通过燃烧过程)产生的能量获取电力。其反应过程中会产生二氧化碳,但不会产生氮化物,相对来讲还是比较“干净”的。但这种方式主要为供家庭使用的固定式装置,所以体积较大。这种方式并不是本主题讨论的重点,所以略去不谈。

(二)氢气的制取方式

氢气的获取方式主要有以下几种:

1. 工业生产的副产物

如化工制碱过程中产生的氢气;

2. 发酵反应中产生的氢气

如堆肥,淤泥中因发酵反应而产生的氢气

3. 电解水产生的氢气

用电力来分解水,产生氢气和氧气。也就是燃料电池反应的逆向过程。

(三)燃料电池车的环保性

燃料电池车在行驶过程中仅仅排出水,被认为是一种“环保”型的交通工具。实际上真的是这样吗?

我们在讨论其环保性的时候,不仅要考虑燃料电池车本身,更要着眼于从制氢、氢气的储存、流通到使用这个系统的整个过程。只有通过对整个系统的评价,才能判断其环保性的优劣。

前面说过,燃料电池车的燃料——氢气的制取,是使用电力。而在制取氢气的过程中,电力消耗非常大。虽然可以通过太阳能、水力、风力等可再生能源发电,但目前主要的还是通过石油、煤炭等化石能源来进行的。也就是说,发电本身就会带来环境污染。

氢气的储存是一件相当困难的事情。氢气重量小体积大,所以必须用高压压缩,储存在密闭容器中(丰田公司的mirai的容器压力为700个大气压)。在元素周期表中氢排在第一位,即氢分子是最小的分子。氢分子可以很容易地通过储存容器壁中微小的孔洞而溢散。而储存容器的高压状态更加剧了这个过程。

在“加油站”添加氢气时,因充氢设备的频繁使用,700个大气压下所有的阀门的密闭性不可能长期维持设计状态,所以不可避免地这个过程中会损耗掉一部分氢气。

到目前为止,我们并没能找到从制取氢气到进行氧化反应为止,经过多个储运过程后,氢气溢散程度的量化数据。而从宇宙尺度上讲,地球的引力是不足以吸引住氢气的。溢散掉的氢气最终会进入宇宙空间。 “分解水为氢氧”→“氢氧化合为水”这种氢燃料电池的循环过程,将会带来地球整体含氢量(含水量)的下降(尽管这个过程极其缓慢)!

从氢燃料电池汽车系统中氢气的变迁中,我们看到一个“化石燃料的化学能”→“热能”→“电能”→“氢气的化学能”→“电能+热能”→“车辆的动能”这样能量形式转换的过程。请注意,能量形式转换过程存在着转换效率的问题(损失的能量基本上转换成热能)。也就是说,能量形式转换的次数越多,能量的浪费就越大!

从理论上讲,如果消耗单位量的化石能源制取的氢气,在氢氧发生化合反应的最后环节所做的功(在这里可以理解成推动车辆前进的距离),小于单位量化石能源所能做的功的话,那就不能说氢燃料电池汽车的环保性好!

(四)一个不受注意的问题

在议论氢燃料电池汽车的环保性时,经常被忽视的是汽车的排水问题。

燃料电池的原理就是氢气和氧气反应生成水而产生能量。这就意味着,氢燃料电池汽车一边行驶,一边排水。那么,这个过程中会有多少水被排放出来?

我们可以以丰田的mirai为例简单地计算一下,当装载全部氢气用尽会产生多少水:

基本参数

氢气储罐容量: 122.4升(前储罐60升,后储罐62.4升)

气压: 700大气压

常压下体积(为计算方便,温度变化忽略不计):

122.4升 × 700 = 85,680升

氢气的摩尔量: 85,680升/22.4升(每mol) = 3,825mol

氧化反应后产生水分子量: 3,825mol

1 mol水分子重量: 18克

3,825mol水分子重量: 68,850克

充满氢气时的巡航距离: 650公里

行驶每公里产生水量: 68,850克/650公里 = 106克/公里

也就是说,行驶时除去被氧化热蒸发掉的水量,大致每分钟产生100克左右的水。如车速为60公里/小时,则每行驶5公里,会产生500克左右的水。大家可以试试看,拿一个500ml的纯净水水瓶,用5分钟时间装满水,这时水龙头的流量要开到多大。

而当行驶车辆中氢燃料电池汽车占到一定的比例,那么汽车排放的水量就会高于蒸发掉和疏通走的水量,道路上就会产生积水。

结合我国目前道路积尘状况,车身上溅泥是避免不了的。而到了冬天的北方,道路甚至会变成溜冰场!

可以试想一下:当你在高速公路上行驶,前面是一辆“洒水车”时,那会是怎样的一种情形?

综上所述,和普通汽车相比,氢燃料电池汽车这种交通工具在排气中除去不产生氮化物和炭微粒之外,在环保方面很难说是否能提供什么“正能量”。

、关于电动汽车

(一)电动汽车的现状

电动汽车顾名思义,就是用电力作为动力来驱动的汽车。这里不包括混合动力车,特指纯粹使用电力来驱动,同时在行使过程中不需要随时有线接通电源(如有轨电车和无轨电车)的汽车。

现代的电动汽车将驱动用电机安装到各驱动轮的轮轴处,可以在行驶中用电脑精确控制各个车轮的动力分配和转速。所以可以省略掉分动箱、差速器以及在一些高档汽车上才采用的EBD(电子动力分配系统),大大降低车辆的成本。削减了发动机和变速系统后车内空间会加大很多。如将电池安排在底盘附近可降低重心,大大提高车辆的稳定性。

同时因使用直流电机,所以自然地可以回收车辆减速时的动能,经济性较好。

电动机具有扭矩大的优势,所以电动汽车的加速性能比较好。

电动汽车特斯拉的百公里加速只要3.1秒。

(二)电动汽车的难点

无论是氢燃料电池汽车还是电动汽车,都需要建设新的“加油站”,所以这个问题省略不谈。

目前电动汽车的市场化主要有以下几个问题:

1. 整车成本问题

在电动汽车成本中,蓄电池所占的比重非常高,约占全车总成本的1/3-1/2。

2. 电池容量和寿命问题

目前的车用充电电池为锂电池,巡航时间较短是个重要的问题。现在厂家的目标是达到或超过汽油发动机车的巡航里程。

目前,日产汽车公司的一款电动汽车(二箱车),充满电后可以行使将近250公里。

3. 充电时间问题

充电时间较长是电动汽车的另一个弱点。氢燃料电池车“加油”时间约为3分钟,大致和汽油车相同。而电动汽车的充电时间动辄几十分钟(日产电动汽车用的充电站充满80%的电量需要20分钟,充满电则所花时间更长)。虽然采用家庭式插头充电方式可利用晚间充电,但在外面的临时充电仍然无法对应。

为解决上述问题,日本的日产汽车公司曾提出过一个解决方案,其要点是:

1. 用户购车时,仅仅购买车辆本体;

2. 购车后,“租赁”电池;

3. “加油站”准备大量的电池,并负责充电;

4. 用户需要“加油”时,到“加油站”更换充好电的电池;

5. 用户按照上一次更换电池开始到目前的行驶里程缴纳电费。

这种方式既解决了电池成本高昂的问题,同时也能解决充电时间过长的问题,用户也不用考虑电池老化的负担。当“加油站”普及到一定程度,电池容量小的问题也就不存在了。其缺点是所有的成本负担都加在了厂商和服务商的身上,一次性投资过大。

、结论:

当我们讨论的主题限于燃料电池车和电动汽车二者择一时:

从原理的角度讲,氢燃料电池汽车的最终也是用电能驱动电动机,和电动汽车相比仅仅是能量的载体有所不同;从节能的角度讲,尽量减少能量转换次数更加为理想;从工业发展的角度来讲,“机械驱动”向“电气驱动”符合科学技术发展的方向;从发展的眼光看,电动汽车为将来无线传送电力预留了发展的空间。在这种情况下,与其选择氢燃料电池汽车,不如一步到位将研究资源投入到电动汽车的方向上更为妥当。


PS 1:承蒙Terry Liu先生提供信息,特作补充以供参考。

“关于排水的问题,Mirai一箱氢气燃烧完产生约17升水,其中大部分变为水蒸气了排出,剩下的储存在车内的水罐中,停车时按下车中的“H2O”按钮即可一次性排出。”


PS 2:关于行驶中除水问题,可以看YouTube中的相关视频。
youtube.com/watch?(4分45秒处)

PS 3:感兴趣的知友,请参看我在另一个网站上的投稿。
电动车和燃料电池车谁更有前途?揭秘日企研发燃料电池车的原因
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第一次在知乎上用心的回答个问题,经验不足敬请见谅!

从事燃料电池相关研究三年有余,作为一名博士研究生入行前肯定要对这个行业进行冷静的思考的,甭管自己思考的是对是错,至少都会在研究过程中给自己提高激情与动力。以下是我个人的一些看法,仅供参考。

首先,在我看来未来燃料电池车与锂电池车在可预见的短期内不能说谁打败谁,只能是相互补充各自占领各自的需求市场。从以下几点作为分析依据:

1、锂电池车已经被市场证明,其可以在这个生态圈生存,并且随着市场化的发展,其安全性,动力性已经获得部分市场的认可。同时锂电池车的相关产业链已经基本形成,行业规范正在完善,充电桩等基础设施也在布局,可以说在可预见的将来其发展不会差。

2、燃料电池车的优势我认为集中体现在其所应用的燃料——氢气中,美国能源部等在内的各大权威机构都相信,未来的能源结构应该是以氢能为核心的能源网络占主导地位。太阳能、风能、潮汐能等新兴能源其稳定性 与不可运输性在未来的能源布局中只能处于边缘地位。下图来源于网络,是专家们对未来社会能源结构的构想。

3、从车的角度来讲,锂电池车,目前在城市中行驶已经得到实际验证,其基础设施如充电桩等也正在布局,安全性,经济性等因素已经发展到能让大众接受的程度了。最主要的是主流的锂电池车辆的价格和配置都在多数人的接受范围内。目前多被大众诟病的就是其充电时间过长的问题。相信随着技术的发展也会在一定程度上得以解决吧。而燃料电池车无论从市场推广、基础设施建设、安全性保证还是在成本控制方面目前都处在一个发展的阶段。其被多数业内人士看好的原因只有其能源补充时间较短这一优势。其寿命,成本和人们与生俱来的对氢气的畏惧都成为其发展的阻力。但是,历史证明技术的发展总是永无止境的,燃料电池技术的突破也只是时间的问题。其在长途运输、固定线路行驶、航天和军事等方面的应用前景仍然不容小觑。

所以相比较而言我认为,二者在未来的发展中都会占有各自的一席之地。人类的创造力永无止境,解决问题的能力也值得期待。最后个人作为未来这一行业的从业者,也非常期待行业的发展,氢能社会的到来。

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关于评论中有人问 “氢的来源和生成/运输/转换环节的损耗怎么看 ”,我个人的了解可能不太全面,这里仅给出自己的看法:

首先说一下目前氢气的来源,主要有三种:电解水、其他燃料的重整(甲醇、天然气等)、工业副产氢的提纯。据我所知目前主要的来源还属于前两种具体比例不清楚,这也是被多数人诟病的,说氢气来源本身就造成了浪费和污染。的确目前的电解水用电多数都是电网集中供的电,但是未来发展方向应该是利用其他不可并网的二次能源来作为电力的来源吧,例如风能,目前风能发电都集中在人烟稀少的山区,由于自然因素其还不是很稳定,并网难度较大,储存性又不强。已经有人提出可以以氢能为中转,将风能所发的电储存在氢气中再运输到其他地区集中处理。太阳能也类似,这里可能是氢气未来的一个主要来源吧。关于甲醇重整这方面自己不是很清楚,等未来有了积累再来回答吧。

另外一个可观的来源就是工业复产氢,在大化工过程中每年都会产生大量的副产氢气,由于其浓度不高等问题目前采取的多数办法是直接燃烧掉。据中科院院士衣宝廉老师介绍,中国每年95%以上的工业副产氢没有得到充分的利用,其提纯技术还在发展之中。如果其提纯技术得到发展,可能也可以作为一个可观的氢气来源吧。

关于储氢技术,车上目前采用的是高压氢气瓶。铝内胆碳纤维缠绕的氢气瓶目前可以达到35Mpa这也是国标的最高标准。但欧美和日本目前已经有以塑料作为内胆的新式氢瓶其可以达到70Mpa,基本成为了目前的主流,但是因为国家标准没有跟上70Mpa的氢瓶还没有进出中国市场单中。

对于运输、成本及损耗,其实任何能源都存在这个问题,电力运输、煤炭石油等虽然具体数据不知道但,就经验来讲煤炭、石油和电力的运输成本和损耗也会很大吧,电力的基础设施投入也不容小觑。与其关心这个我感觉主要应该解决的是安全的问题,当氢气来源不是问题的时候,其在运输,储存时的安全问题能否保证才是它能否进入成熟阶段的保证。成本我不认为问题很大,因为只要量上去了,其成本自然会下降,目前所知的日本氢气大概1000日元每公斤、德国9.5欧元每公斤,国内呢我们实验室买的大概要400人民币吧。写着写着自己也感觉这条路很长了。。。