氫燃料電池

為什么說氫燃料電池車是混動汽車？前景如何？

第一電動大牛作者電動汽車觀察家 2019-03-29 08:28

“中國已經(jīng)形成了電-電混合的技術優(yōu)勢，適合燃料電池技術的特點。”

全國政協(xié)副主席、中國科學技術協(xié)會主席、前科技部部長萬鋼，是氫燃料電池技術路線的支持者。他在論述中國氫燃料電池技術的時候，經(jīng)常提及前面這個論斷。

氫燃料電池既然這么好，為啥還要混合驅動汽車？中國搞“電-電”混動，是不是因為技術水平太差了？現(xiàn)在能否判定氫燃料電池技術的前景？

我們逐個來分析分析。

電電混合的由來

汽車行駛在道路上，行駛狀態(tài)不斷變化，上下坡、加減速，需要發(fā)動機/電動機輸出不同的功率。如果一輛燃料電池汽車，通過燃料電池發(fā)電直接驅動電機，就需要燃料電池不斷變化功率載荷。

然而，燃料電池似乎并不太喜歡變載，變載必須讓進氣（氫氣、空氣）等外部條件隨之變化。

從燃料電池電堆（燃料電池系統(tǒng)最核心的發(fā)電單元）的角度看，電堆的主歧管流道、入口流道、分配流道、（反應）微流道等等，都是基于某一工況范圍設計的?，F(xiàn)在電堆功率越設計越大，動輒百千瓦上下。迫于對功率密度的需求，往往要通過大電流密度實現(xiàn)。這讓通氣條件在全工況下適應非常困難。在負載過大或過小時，電堆可能只能短時間工作，以避免因水熱問題造成損壞。

從系統(tǒng)角度講，燃料電池的輔助系統(tǒng)（BOP，Balance of Plant）似乎也不太喜歡變載。比如空壓機會有最合適的一段輸出區(qū)間，此區(qū)間空壓機效率較高，且工作穩(wěn)定。另外，比如更簡單的管路，由于管徑固定，如果氣體量太小，那么氣體壓力無法控制；如果氣體量太大，那么會有很大的壓降損失，甚至造成密封失效。

從能量角度講，所有“體外循環(huán)”的電池，在工作過程中，都會有能量的損耗。因為維持電堆運行的供氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)都會消耗能量。當電堆出力較低時，BOP待機功耗相對純電動系統(tǒng)更大（如同汽車怠速的效果）。同時電堆低功率出力時，為了平衡流場設計和水熱管理，往往進氣計量數(shù)更大。系統(tǒng)能效整體降低。

現(xiàn)代FCV

雖然燃料電池不喜歡變載，但并不代表不能變載?？梢酝ㄟ^系統(tǒng)管理來實現(xiàn)。但這是個及其復雜的過程。當系統(tǒng)要求電堆出力提高時，氫氣和空氣的進氣量隨之提高，電堆電流密度上升，電堆輸出功率上升（但可能伴隨效率下降），發(fā)熱量也隨之上升。冷卻系統(tǒng)控制冷卻泵增加循環(huán)水量。氫循環(huán)泵循環(huán)量增大，陰極（或陽極）排氣量和排水量也隨之發(fā)生變化。

與此同時，電堆單池之間的差異也可能隨之增大，系統(tǒng)會采取診斷和保護措施……

可能就是上坡跟車時的一腳油門，系統(tǒng)就要做出一連串的復雜動作。如果哪一步?jīng)]跟上，燃料電池就像一臺渦輪遲滯明顯的早起渦輪增壓發(fā)動機，甚至直接故障。同時，頻繁的功率變化也會讓燃料電池的壽命加速衰減。

因此，燃料電池整套管理機制，要設計的相當嚴謹。如果說傳統(tǒng)電動車是電和熱的組合，那么燃料電池則至少多出兩個維度：氣體（氫氣和空氣）和水（氫氧反應產(chǎn)生的水以及冷卻液）。電、熱、空、氫、水五場合一，相互聯(lián)動。再加上日益增大的單堆功率，讓系統(tǒng)的控制難度呈幾何級數(shù)上升。燃料電池的成本當中，系統(tǒng)成本至少占三分之二，也是可以理解的。

電電組合的出現(xiàn)，可以大大降低系統(tǒng)管理的難度。因為大部分情況下，通過電池可以減小電堆功率的調節(jié)范圍。當前，電電混合的常見形式有三種。分別是能量存儲、功率平衡、增程續(xù)航。

（1）“豐田模式”：能量存儲型

在豐田的系統(tǒng)中，搭載了鎳氫電池以實現(xiàn)電電混合。而鎳氫電池的作用，主要用于能量的回收儲存，這是豐田的表述。能量存儲并非目的，將能量轉化成可用動力才是關鍵。因此，我認為“豐田模式”的電電混合，仍是以“削峰填谷”作為目標。

豐田選擇鎳氫電池實現(xiàn)電電組合，我想多半是來自于豐田在普銳斯上技術的積累。在普銳斯上，豐田配置了168個單體電壓為1.2V的鎳氫電芯，總儲能容量為1.3kWh，藉此保證普銳斯的發(fā)動機始終在最“佳”的工作狀態(tài)。

在城市行駛的工況下，普銳斯的管理系統(tǒng)，將電池的充放電深度控制在很小的范圍之內，而儀表盤上的SOC顯示，只是電池可用范圍上的消耗百分比。淺充淺放的使用場景，保證了鎳氫電池的壽命。

Mirai借鑒了相似的結構。將鎳氫電池與燃料電池耦合相連。在剎車時，回收能量存儲與電池當中。通過燃料電池發(fā)電和能量回收，始終保證鎳氫電池在“合適”的SOC范圍。在系統(tǒng)變載時，鎳氫電池向系統(tǒng)輸出瞬時功率，讓系統(tǒng)更加平順。

同時，鎳氫電池屬于“水系”電池，因此在使用過程中，相比鋰電池，在出現(xiàn)故障時，電池本體起火的可能性更低。因此，就安全性來說更勝一籌。

簡單總結豐田的電電混合模式，從表面上看，是對于能量的回收。但是其本質，還是“削峰填谷”，從而讓燃料電池工作在最佳的狀態(tài)。

（2）本田模式：功率平衡型

本田對燃料電池汽車的開發(fā)，可以追溯到上世紀的80年代。第一代FC樣機的實驗，實在奧德賽上完成的。時隔三十年，本田的Clarity，又以全新的姿態(tài)，展現(xiàn)FCV的技術。

本田的核心技術，是將燃料電池發(fā)動機集成到和V6標準發(fā)動機相同的大小。這讓Clarity在布置上，可以大量借鑒傳統(tǒng)汽車的結構，降低設計風險。

本田的電電混合系統(tǒng)，由燃料電池、鋰離子電池通過本田特有的部件FCVCU進行連結。

燃料電池電壓控制器（FCVCU）是實現(xiàn)“本田模式”的關鍵部件，它是一種高效的電壓調節(jié)裝置。應用SIC-IPM，（我對這個技術的翻譯是碳化硅智能電源模塊，不知道官方有沒有更炫的名字。）讓本田以極小的體積實現(xiàn)對燃料電池電堆電壓的轉化。

下圖是FCVCU的工作原理圖。相比豐田強調的回收制動能量，本田的電電混合技術更加強調對功率的提升。本田通過FCVCU將燃料電池電壓提升至500V，燃料電池可以和鋰離子電池同時出力。在最高功率時，鋰電池出力占整個系統(tǒng)的30%。

揣測本田的設計思路，就是通過電壓的控制，增加鋰電池對系統(tǒng)出力的比例，反向也能讓燃料電池出力范圍變化更加緩和。

（3）增程續(xù)航

市面上還有另外一種燃料電池和鋰電池混合的電電混動技術：即燃料電池只為鋰電池充電，鋰電池單一驅動電機。我曾在展會上見過類似的應用。燃料電池在幾個相對固定工況下工作，使控制難度進一步降低。但是這種純粹以“增程”為目的的FCV應用，本質上是犧牲功率換取續(xù)航的做法。

總結一下電電混動的技術，簡單說就是儲能電池像一個蓄水池般不斷地充放調整，以平衡系統(tǒng)的功率特性和容量特性。各家技術的區(qū)別，在于所配備“蓄水池”的大小不同。如果單從技術上來評價，豐田僅僅配備了2kWh的鎳氫電池，在燃料電池管理技術上來說，最為先進。但也要從成本和壽命上綜合考慮。

燃料電池汽車的優(yōu)勢在哪

與電動汽車相比，燃料電池汽車在形式上更加符合汽車的要求。一般來說，燃料電池汽車在幾分鐘，便可充滿滿足500公里續(xù)航的氫氣；而特斯拉的Model S，最多只能保證在20分鐘內充滿續(xù)航300公里的電能。當我們計算成本的時候，很少把使用的方便性計算進去。因此，和很多人觀點相同，補充氫氣更方便是燃料電池的最核心優(yōu)勢。

特斯拉第三代超充峰值功率提升到 250kW

在此，我想追問兩個問題。第一個問題，雖然充電更為耗時，可否用商業(yè)模式去彌補？

我曾見過這樣一個項目，將充電站和購物休閑相結合？其所謂的痛點，就是幫人們“打發(fā)”充電的等待時間，同時產(chǎn)生利潤。說實話，我個人對類似商業(yè)模式的評價是一個字：尬！也許反過來，一個成熟的商業(yè)中心提供一些充電服務更加合適。

第二個問題，如果在技術上，提高充電樁的功率，讓充電更加快速，從而減少等待時間。屆時燃料電池還有沒有優(yōu)勢？

雖然技術上也許可行，我覺得并非一個好的解決方案。首先，直流快速充電對電池耐用性和壽命上的傷害，一直是一個讓人擔心的問題。一些純電動汽車制造商甚至會直接建議少用快充，以提高電池壽命。其次，提高充電速度，會降低系統(tǒng)的效率，增加能量損失。暫且不提損失的能量有多少，從設計理念上看，多少與綠色理念背道而馳。第三，大面積的快充裝置對能源結構有影響。

從上述分析可以看出，一味地提高充電功率，是既損失效率，又損失電池壽命的做法。未來對新能源汽車的要求可能車型更大，續(xù)航時間更長，充電時間更短，這就更加凸顯了電池所帶來的木桶效應。燃料電池的優(yōu)勢則更加彰顯。即使把加氫時間降低到3分鐘以內，也不會對電堆有絲毫的影響。

當然，我們可以寄希望于未來鋰電池技術的發(fā)展。比如所謂的全固態(tài)電池技術。但是，在此我想引用現(xiàn)代的技術專家說的一句話：“雖然我們對未來的創(chuàng)新有所期待，但是終歸只是猜想?！?/span>

氫能更加低效嗎？

1度電，可以讓電動汽車行駛5~7公里，但是如果把1度電制造成氫氣，再將能量釋放出來行駛，那么行駛里程可能只有三分之一。那么為什么一定要用氫氣？

電動車業(yè)內的大佬馬斯克認為氫是一種低效的能源。能源經(jīng)過的多次轉換，看似遠不如直接用電高效。

相同的質疑聲，也會指向純電動汽車。一些人認為當下的新能源汽車，只是從“燒油模式”轉變?yōu)椤盁耗Ｊ健薄?/span>

對此，我們必須明確，能源是從哪里開始計算的？美國能源部提出了2035年全周期能耗（BTUs/miles）的評價。BTU，指的是英熱單位，1度電約等于3412BTUs。而所謂全周期，指的是從最初的能源生產(chǎn)到被車輪消耗掉的整個過程。具體如下圖所示。

從上面兩幅圖，可以看出電動車和燃料電池汽車，在全周期尺度上的能耗，都在相類似的范圍之內，并沒有太大差別。不論是豐田還是現(xiàn)代，他們都考慮從全周期的尺度上考慮新能源汽車的能效問題。豐田曾表示氫氣的生產(chǎn)到灌充至儲氫瓶中的過程，相比電的產(chǎn)生并充滿電池更加高效，但并未給出此結論的出處，因此僅供大家參考。

總結：最后一點擔憂

從2015年新能源汽車飛速發(fā)展，我便對電池的回收處置問題開始擔憂。燃料電池中催化劑用鉑可以從電堆中直接回收，現(xiàn)在如莊信萬豐這樣的老牌貴金屬供應商，已經(jīng)著手于鉑回收技術的開發(fā)。而相比之下，鋰離子電池的回收，面臨著很大的挑戰(zhàn)。

首先電池在回收分解處置，存在著多種化學過程，技術復雜且有技術壁壘。在回收的過程，可能對環(huán)境造成較大的影響。同時，缺乏標準化的流程也是問題之一。

更重要的是，可能沒有回收價值。曾有公司對從動力電池中回收鋰做了估算，其成本約是從鹵水中提取鋰的5倍之多。電池成本越低，可回收的價值就越差。經(jīng)濟賬算不過來，很難讓人有做好這件事的動力。但是如果任由電池內的廢棄物任意排放，比如鎳和鈷，都會對人體產(chǎn)生極大影響。

進一步講，任何電池，如果不能形成從生產(chǎn)到回收形成閉環(huán)，那很難用“可再生”三個字來形容它。在追求電動化的今天，作為主角的鋰離子電池，可能存在著嚴重的成本失真。當電池回收處置這件事不得不做的時候，本著“誰生產(chǎn)誰負責”的原則，鋰電池的成本可能進一步上升。起碼可以判斷，鋰電池的成本不會持續(xù)降低，當我們也可以從“全周期”的角度去認識新能源汽車的時候，也許會開始重視那些潛在的成本和收益。

當前情況下，燃料電池并未形成產(chǎn)業(yè)化規(guī)模，技術路線尚未定型。在此時時常被牽出來和鋰電池作比較，實在不太公平。讓汽車走遍千家萬戶的，并非是發(fā)動機的發(fā)明者，也不是第一輛汽車的制造者，而是福特的生產(chǎn)線。因此在技術成形之初，對技術成與不成的任何篤信，都顯得有幾分狂妄。