燃料电池PK二次电池 发展中的共生与超越

燃料电池在日本主要应用于汽车领域,在国际上的应用更加广泛,已不断开发出在叉车、无人机、列车上的应用产品。全球企业不断开发燃料电池产品,快速占领市场的趋势引人关注。

■预测FC全球市场规模2030年是2018年的23倍

2019年1月富士经济公布了FC系统(燃料电池系统)的市场预测报告,据悉2030年的FC全球市场规模约是4.9万亿日元,约是2018年的23倍。若将补给氢能的基础设施市场包含在内,市场规模将更大。

FC系统全球市场规模预测(富士经济)

根据对燃料电池组不同技术市场前景的预测结果,固体高分子型燃料电池(PEFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)的市场规模在发展前期呈现出的状态基本相同,但后期的发展趋势将发生显著变化,据数据显示2030年PEFC的市场占有率将超过90%。

PEFC与SOFC市场前景对比(富士经济)

这看似乐观的市场预测果真如此吗?在此有必要对竞争技术——液态锂离子二次电池(后统称LIB)做到知己知彼方可避免盲从。

■FC对比LIB

据下表综合对比来看,燃料电池(后统称FC)的明显优势在于能量密度高、充电时间短、大容量化的成本低。

(1)重量能量密度方面,在考虑了燃烧效率的前提下,包括有电池组、高压罐、调节器等的FC系统的重量能量密度约是LIB的5倍以上。

(2)充电时间方面,FC具有强大优势。虽LIB可缩短充电时间,但会伴有发热、早期劣化、输送超高电压等副作用。充电时间的差异化影响在巴士、卡车等大型车上更加明显。FC卡车20分钟即可完成加氢补给,EV卡车即使使用快速充电系统(50KW),充电耗时至少在10小时以上,换成150KW,充电耗时也要3个半小时以上。据下图分析可知,续航距离越长EV卡车在开工率方面的差距越大。

长距离行驶对比

(3)大容量化的成本低,此优势在于续航里程越远成本越低。将FC电池组大型化时仅需加大氢气罐或增加数量即可。尽管FCV配备的氢气罐体积大,但因原材料多采用树脂或碳纤维,所以重量上有优势。氢本身的质量是 5kg(丰田FCV –MIRAI),即使将此数值乘以10倍,也比LIB电池包的重量轻很多。

■LIB对比FC

貌似完美的FC实际上也存在着不足:(4)短距离使用时电能利用效率低(5)负荷响应性低(6)难以进行高功率输出(7)补给基础设施少——现有加氢站数量明显不足。但乐观的是这些不足有望解决。

(4) FC的电能利用效率低,仅为LIB的一半。LIB可在充电后直接输出电能,而FC电能利用效率低的原因在于它的输出过程,首先需要将电力转换为氢、再将氢压缩或液化后搬运、使用时再由氢转换为电能。

FC与LIB电池组效率对比

(原图:由日经 xTECH根据英国Riversimple公司资料制作而成)

续航距离与效率的关系 (已考虑车辆重量等因素)

(原图:由日经 xTECH根据英国Riversimple公司资料加工而成)

为提高EV的续航距离而配置上大容量电池的话,因电池在搬运中会耗费较多电能,所以实际效率将低于FCV。这一点在无人机上体现得更明显,如果电池重量能量密度低,增加容量反而会使续航时间缩短。因此对长途汽车来说,(4)反而是FC的优势。

短距离运行时FC的效率低、(5)负荷响应性低、(6)难以进行高功率输出,也许不是马上就能解决的问题,但最近推出的很多FCV已通过搭载与小型EV同等或以上容量的LIB、双电层电容器解决了这些问题。因此近期的FCV实际为混合动力,使用LIB的目的在于弥补FC弱项。

(7)FCV补给设施少,在补给设施方面LIB存在明显优势。在用途上各有特点:LIB适用于短途汽车。FCV适用于长途大巴/卡车、无人机/飞机等。

EV与FCV用途特点

随着自动驾驶技术及移动服务“MaaS”的普及,未来FC在汽车上的使用依然将成为主流。顺应趋势,美国Plug Power公司已开始与本国大学科研团队合作共同研究为FCV自动供给氢能的机器人。

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参考日本报道原文:http://uee.me/aSFnP

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