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纯电动汽车是不是终极形式的新能源汽车,氢燃料电池有没有美好的未来,会不会替代纯电动汽车?每隔一段时间,国内的新能源汽车行业都得来这么一波热议,尤其在电动汽车连续大爆发的这两年里,氢燃料电池的支持者们更加焦虑了。

热议的焦点当然不是氢燃料电池系统的动力性有多强、经济性有多好、动态响应能力有多出色。因为,在这三个与汽车上的商业化应用密切相关的指标上,氢燃料电池通通不敌锂电池。

论动力性,氢燃料电池离不开锂电池的调峰削谷。论经济性,氢燃料电池技术受限于铂金催化剂的昂贵,远没有达到可大规模量产并降低成本的地步。论动态响应能力,本身不储存电量、需要通过氧化还原反应实时发电的氢燃料电池当然不敌已经存好了电、可以随时放电的锂电池。

讲成本,丰田第二代Mirai定价75万,长安深蓝SL03氢电版70万,增程版不到17万。

讲性能,氢燃料电池虽然有“电池”二字,但严格来说,它只是一种通过氧化还原反应发电的发电机,所以,即便是动力响应速度最快的质子交换膜氢燃料电池,其启动时间也需要三到五秒,难以满足汽车不断加速、减速的工况要求。

既然如此,氢燃料电池的拥趸者们为什么还如此地充满期待呢?

他们自信心爆满的依据主要来自两点:能量密度远远高于锂电池、可以实现零排放。可悲的是,这两点论据其实都站不住脚。

能量密度的正本清源

氢燃料电池的支持者有一种罔顾科学的迷之自信,他们认为,氢气的能量密度为120MJ/kg,换算到电量形式,相当于33.3kwh/kg,而当前能量密度最高的高镍三元锂电池能量密度也仅为300wh/kg,所以,两者存在上百倍的差距。

但是,这种对比犯了一个很明显的错误——错把氢气的能量密度和氢燃料电池系统的能量密度混淆了。

氢气只是氢燃料电池系统的反应物之一,在重量上更是微不足道的“之一”。倘若直接比较反应物本身的能量密度,金属锂的能量密度为43MJ/kg,对应11.9kwh/kg,也能达到氢气的36%左右。

所以,真正应该拿来对比的是氢燃料电池系统和锂电池组的能量密度

注意,这里说的氢燃料电池系统,既不是单片燃料电池,也不是多片燃料电池串联在一起的电堆,而是包括电堆、氢燃料电池发动机、PTC、空调、空气压缩机、高压氢气罐、氢气循环泵、DC-DC所有零部件在内的氢燃料电池系统。

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氢燃料电池系统结构

这里的每个部件都是必不可少的,根据氢燃料电池的本质-氢气、氧气发生氧化还原反应,释放电子和热,排放水,简单地给大家捋一捋每个部分的作用。

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氢燃料电池氧化还原反应

氢气这边,存储在35/70兆帕(350/700bar)的“氢气储存罐”里,先通过“氢气压力调节器”减压到10bar左右,再通过“热交换器”加热到60-80度(质子交换膜燃料电池),再进入燃料电池组,通过“氢气循环泵”参与下一轮氧化还原反应循环。

氧气这边,先将大气压(约等于1bar)空气通过“空气压缩机”增压到5-10bar,再通过“空气加湿、过滤器”将对铂金催化剂有害的二氧化硫和颗粒过滤掉,再送入燃料电池组。

产生的水要排掉,产生的热要及时散掉,这就需要用到水箱和水泵。

另外,由于燃料电池单片一致性的原因,燃料电池堆不会串联太多单片电池,所以,电堆发出来的电压比较低,无法直接用到电机等高压部件上,需要通过DC-DC把它升压到400V左右且稳定的直流电压。

这还不算完,单片燃料电池的内部结构也比较复杂,如图3所示。氢气和空气要通过“流道”进入,通过“气体扩散层”均匀地弥漫到“催化剂”表面上,最中间是只允许氢离子通过的“质子交换膜”。从单片燃料电池到电池堆,最外面的燃料电池的流道外面还有集电极,集电极外面还有将这些燃料电池压合在一起的端板。

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质子交换膜燃料电池结构

这么一番折腾下来,氢燃料电池系统目前的水平可做到600wh/kg,大概是高镍高能量密度锂电池的2倍。所以,氢气的超高能量密度只是拿来看看的一个数字而已!

零排放的误解

如果问国内新能源汽车行业的热搜主题词是啥,人们大都会说麒麟电池、刀片电池、八合一电驱、华为车机、理想五联屏、沉浸体验,很少有人会提起碳排放这个词了。

三电产业链蒸蒸日上,追求盈利的纯电动车企都下场搞电池,志在缓解用户里程焦虑的纯电动车企都发力集成电驱。智能产业链如火如荼,在华为问界的带领下,大家在智能座舱上卷得一塌糊涂,在特斯拉的带动下,辅助驾驶搞得热火朝天。

“碳减排”早已经不是国内新能源汽车行业的热搜主题词了,君不见,传统车企都拿碳减排效果极差的混合动力汽车作为弯道超车新势力的重要突破口了?

当电动化、智能化、网联化成了炙手可热的赛道,大功率电机、高能量密度电池、大算力芯片、大数据、云计算、人工智能,各种关键词占据了人们的思想空间,碳排放、碳减排必然渐渐沦落为不再被人们记起的生僻词。

氢燃料电池汽车的拥趸者们每每为此痛心疾首,并宣称只有氢燃料才是完美的汽车能源,因为,燃料电池的燃料是氢和氧,生成物是清洁的水,不产生一氧化碳和二氧化碳,也没有硫和微粒排出。因此,氢燃料电池汽车是真正意义上的零排放、零污染的车。

且慢,氢燃料电池汽车当然比混合动力更减排,但是,它真的比纯电动汽车更减排吗?

氢燃料电池只排放水,锂电池同样是啥也不排放。可是,为何在大家的认知里,纯电动汽车并不是零排放呢?

首先,这要感谢丰田的“宣传”。这家早早布局了混合动力、却在电动化之路上步履蹒跚的车企,有一位意志不大坚定的掌门人,到现在还经常拿现阶段发电过程会产生大量碳排放为由反对纯电动汽车,鼓吹氢燃料电池汽车,执着的劲头无人能比!

在进行氢燃料电池和纯电动汽车的比较之前,首先需要引入“全生命周期碳排放”的概念。顾名思义,全生命周期碳排放指的是产品在其整个生命周期内的碳排放,包括从需求分析、设计、制造、销售、使用、维修、报废到回收再生的整个时间,可分成两大周期——车辆周期和燃料周期。

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全生命周期

以火力发电占到总发电量的七成为由反对纯电动、鼓吹氢燃料汽车的,应该认识到,当前氢气制备以燃烧天然气或煤的灰氢为主,灰氢占比超过了90%,远超当前火电的70%,所以,根据图5,当前以灰氢为主的氢燃料电池汽车的碳排放连混合动力都不如,由遑论与纯电动一较高下呢?

真以最终形态对决的话,即纯电动车用绿电,氢燃料电池车用绿氢,氢燃料电池的全生命周期碳排放也在纯电动汽车之上。

绿电和绿氢的实现,其实都取决于可再生能源发电的发展,从目前进度来看,要走到终点,至少还需要二十年的时间。

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不同动力类型车全生命周期碳排放对比

写在最后

从政策层面来看,国家对新能源汽车的技术路线并不存在厚此薄彼,在新能源汽车发展伊始,国家就部署了“三纵三横”战略,所谓三纵便是混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车,这里的燃料电池汽车包括氢燃料电池汽车和吉利搞的甲醇汽车。

但是,在企业具体抉择技术路线的时候,不能只见政府的产业政策,不见企业家精神;不能只见政策对于某一个技术路线的支持,而忽略企业在技术路线上所做的选择。

纯电动和混合动力是国内车企主动选择的大方向和大趋势,它不是靠政府的政策规划出来的,也不是凭借主观意志创造出来的,而是由市场需求需求决定的。

当然,我们也不是完全放弃了氢燃料电池的技术路线,前段时间,在上海市政府举行的解读新一轮《上海市交通发展白皮书》的新闻发布会上,上海经信委副主任透露,上海将积极推动公交和环卫等领域开展氢燃料电池示范应用,2025年力争达到1万辆规模,最近北京给的通知里也大致是这样一个规模。

从参与国际竞争的角度来看,国内车企一定要控制好节奏,比如长城、长安和埃安都在搞预研,小批量生产,但是最好是等氢燃料电池专利过了专利保护期,咱再来个大干快上,到时坐收渔翁之利,岂不美哉?

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