鼎韜見解｜鋰電池車VS氫燃料電池車技術路線對比分析
9月初，颱風飛燕和6.7級地震相繼發生，日本大阪、京都、札幌等多地出現大範圍停水停電、交通設施癱瘓。日本向來飽受自然災害侵襲，且自身能源相對匱乏，因此也是全球最重視新能源技術研發的國家之一。而在新能源汽車的發展路徑上，日本選擇了氫能源路線。2014年，豐田首款氫燃料電池車Mirai正式釋出，加氫時間3分鐘、續航里程502公里。2018年5月，李克強總理在豐田工廠考察時在Mirai前沉思許久。
在我國，新能源汽車的核心技術路線是鋰電池，包括比亞迪、上汽集團、北汽集團等多家公司相繼推出比亞迪宋、榮威E950、北汽EV200等多款車型。那麼相對於鋰電池，氫能源是一個怎麼樣的技術路線，具有哪些特點使得日本押寶呢？
一張圖帶你瞭解氫燃料電池車
讓總理駐足沉思的氫燃料電池車究竟是何方神聖？
氫燃料電池車是電動汽車的一種，只是將我們熟悉的“鋰電池”變成“氫燃料電池”。它與鋰電池的區別在於，氫燃料電池是通過補充氫氣來產生電能，並依靠電動機來驅動車輛。
簡單來說氫能源汽車的基本原理就是我們高中時期的電解水的逆反應試驗，即通過氫和氧氣結合，產生出電能和水，其中電能就輸出供車輛使用，水則排出車外。
雖然原理簡單，但真正將氫燃料電池技術應用到Mirai車型上，豐田用了20年的時間。單單燃料電池這一部分，豐田就擁有5680個專利，涵蓋燃料電池堆專利、高壓儲氫罐專利、燃料電池系統控制專利以及加氫站技術專利等。直到2014年12月15日，相關技術驗證才得以完成並在日本正式上市。與此同時，豐田斥資200億日元（約合人民幣10.4億）用於提高氫燃料電池和燃料箱產能。
那麼氫燃料電池車和鋰電池車效能對比如何？
對氫燃料電池車有了初步瞭解後，我們將從技術、安全、成本三個角度來對比分析其與鋰電池車的具體差異。
一、技術角度
（一）、加註時長對比
單從加註時長的角度進行評估，氫燃料電池用時為3分鐘至20分鐘不等，鋰電池快充情況下需要半小時可以充至80%。
（二）、能量密度對比
能量密度決定車輛續航里程和整車重量。
作為蓄電池的一種，鋰電池需要提前充電才能執行，其能量密度取決於電極材料的能量密度。而鋰已經是原子量最小的金屬元素，想要再開發比鋰離子更好的材料，技術難度極大。可以測算的情況是從目前的160Wh/KG提高至未來的300Wh/KG。
氫燃料電池區別於鋰電池最明顯的一點是其不直接儲存電能，而是要通過燃料儲存的化學能轉化為機械能，驅動車輛執行。加上氫是目前地球上已知能量密度最高的元素之一，其單位熱值約為汽油的 3 倍。隨著研發技術的不斷進步，理論上氫能轉電能的轉化效率可以做到接近100%，電動機把電能轉化成機械能的能量轉化效率在90%以上。因此與鋰電池相比，氫燃料電池在能量密度方面是有優勢的。也因為這一優勢，讓氫燃料電池車的小型化輕量化和高新能化成為可能。這也是為什麼氫燃料電池車的續航里程可以達到1000公里的原因。
二、安全形度
（一）環境汙染
研發新能源汽車的核心原因之一就是控制和降低環境汙染。本身無論氫燃料電池車還是鋰電池汽車都是耗電無汙染的，但是我們進一步研究產業鏈上下游，發現情況並非如此。鋰電池汽車產業鏈上游涉及到鋰電池生產的必要原材料資源鋰礦、鈷礦和石墨礦的開採以及正極材料、負極材料、電解液和隔膜等的加工製作，都會對環境造成一定的影響。近年來隨著鋰電池的廣泛應用，以石墨為代表的原材料開採製造不當引發的汙染問題也愈演愈烈，石墨製造過程中排放含大量重金屬的強酸性汙水，汙染農田及飲用水，同時石墨粉塵漂浮至空中還會引起“黑雨”和霧霾現象。
除上游開採的問題，鋰電池回收問題也引發強烈關注。據業內研究機構預測，到2020年鋰電池的報廢量將超過24.8萬噸，約為2016年報廢量的20倍。鋰電池中含鎳、鈷、錳等重金屬，回收處置不當將會引發爆炸、有機物廢氣排放等多種問題。
反觀氫燃料電池，主要通過熱化學重整、電解水和光解水三種方式制氫。不會像鋰電池上游產業一樣在製造過程中產生明顯汙染情況，較為環保。
（二）安全性
鋰電池的安全性主要取決於電化學體系以及電極/電芯的結構、設計和生產工藝等內在因素。由於鋰電池的高能量密度和安全性很難相容，在使用過程中溫度控制尤為重要。相比一般可以在商店內買到的電池裸芯，按照鋰電行業規定，鋰電池芯生產商只會向經過授權的Pack公司銷售自己的電芯，再由Pack公司將電芯與保護板封裝成電池包出售給電器生產商，而且電池包必須與專用的充電器搭配嚴格按照規定的方法使用。這種特殊商業模式背後的邏輯，主要就是基於鋰電的安全性考量。
相對於鋰電池，氫燃料電池的安全評價有很大不同，主要通過燃料電池電堆和儲氫系統這兩部分進行考慮。
燃料電池電堆：電堆的安全控制主要有兩個方面，一個是電池組的保護，需要在檢測到電壓和溫度異常之後，可以在極短時間內切斷氫氣和空氣的供給，從而避免事故的發生。
儲氫系統：儲氫系統最大的安全隱患是當氣瓶在外力作用下發生破損而引發的氫氣洩露。電堆自身或與車身金屬件之間的碰撞摩擦可能產生火花而引爆洩漏的氫氣，很多人不建議使用氫燃料電池也是基於這個原因。不過，包括豐田在內的一些氫燃料車研發企業已相繼推出適合自己的解決方案。比如豐田Mirai會在氫罐上配備“易熔塞”，在車輛著火時易熔塞受熱熔化，會使閥門開啟並在2分鐘內強制排出氫氣，以確保不會帶來更進一步的危害。
三、成本角度
（一）整車成本比較
鋰電池車和氫燃料電池車整車成本差異主要體現在電池組成本方面。
一臺普通A級鋰電池電動汽車，搭配25KWh電池組的成本約為7萬元左右。相對而言，氫燃料電池車由於受電池組和高壓儲氫罐兩方面成本因素的影響，成本始終居高不下。儘管隨著整車關鍵零部件愈加規模化，相關預測顯示到2020年氫燃料電池車的整車成本有望降至140萬元，2025年進一步降至90萬元，2030年到60萬元，但是相對於鋰電池汽車依然較高。
（二）配套成本比較
新能源汽車的另一項核心成本則來自配套設施建設和維護。鋰電池充電站主要依託電網系統，按照10臺充電機的基準，包含監控、維護在內的基礎設施成本約為240萬元；配電成本約為192萬元；運營成本約為21萬元。配電設施維護成本約為配電成本的3%，為每年6萬元左右。
亞太地區作為全球最大的鋰電池充電站市場，大部分充電站部署是受到中國和日本等國家的需求推動。截至2017年底，中國國內已建成鋰電池公共充電樁21萬個，保有量位居世界首位；同時城際高速充電站1400多個，服務3.1萬公里的高速公里。
氫氣站的建設因受氫氣製備和安全儲存技術影響，導致加氫站建設成本居高不下，且氫氣站的建設目前全球範圍內仍沒有統一標準。根據現有資料顯示，截至2017年1月，全球正在運營的加氫站共計274座，其中188座加氫站向公共開放，佔全球總加氫站數的2/3。從分佈情況看：106座位於歐洲，101座位於亞洲，64座位於北美，2座位於南美，1座位於澳大利亞。從增幅情況看，日本新增45座，位列加氫站增長數榜首。
日本加氫站政府補貼情況
鑑於日本氫燃料電池車的銷售資料不斷攀升，日本政府多年來持續對加氫站建設進行投入。根據不同規模的加氫站，日本政府補貼力度從853萬-1640萬人民幣不等。預計到2030年，日本加氫站數量將達到900個，到2050年加氫站逐步替代加油站。
相比日本，我國加氫站並未普及，且建設原因多為大型賽事配套，賽事結束後即被拆除。截至目前仍在運營的加氫站共有四座，分別位於上海、北京、鄭州、深圳。建設一座氫氣站的費用約在1000萬元左右，對加氫能力不少於200公斤/日的加氫站可給予400萬元補貼。
國內氫燃料電池車距離商業化執行還有多遠？
從資源、環保等角度出發，世界範圍內都十分重氫能的發展，目前氫能和燃料電池已在一些細分領域初步實現了商業化。
除開篇我們介紹的日本外，很多歐美國家也制定了氫能發展戰略和詳細計劃並持續推進。
歐盟
早在2003年，歐盟就已釋出“氫發展構想報告和行動計劃”，計劃到2030年氫燃料汽車比例達到15%，2040年翻番；為推動計劃開展，還創立了歐洲氫燃料電池合作組織，進行大規模的氫燃料電池公共汽車示範試驗等，從2002年6月到2006年7月長期進行證實性產品生命週期分析和對氫燃料供應設施建設的運用驗證，應用多種不同的氫加註裝置，為今後動態地實用化做準備。
美國
美國已將氫能源和氫燃料電池確定為維繫經濟繁榮和國家安全的技術之一，長期重視氫能與氫燃料電池技術的發展，各級政府均提供大量資金資助科研機構進行氫能的研發。
中國也於2017年提出要逐步擴大氫燃料電池汽車試點示範範圍。預計在2017-2020年間，其他新能源汽車補貼“退坡”的背景下，政府對燃料電池汽車的補貼保持不變。到2020年我國氫燃料電池示範運營車輛達到1萬輛。到2025年達到12萬輛。截止至2030年，我國將實現氫燃料電池車的大規模推廣應用，中國的公路上將會有超過100萬輛的氫燃料電池車穿梭行駛。
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